第210篇：IPsec VPN 原理：IKEv1 与 IKEv2
关键词
IPsec VPN、IKEv1、IKEv2、SA、ISAKMP、安全联盟、DH 交换、身份认证、加密算法
一、IPsec 协议族概述
1.1 IPsec 的功能
IPsec（Internet Protocol Security）是 IP 层的安全协议族，提供：
IPsec 提供的安全服务：
认证（Authentication） 验证通信对端的身份，防止假冒 AH 协议（Authentication Header） 加密（Encryption） 对数据进行加密，防止窃听 ESP 协议（Encapsulating Security Payload） 完整性（Integrity） 确保数据在传输中不被篡改 HMAC-SHA256 等 防重放（Anti-Replay） 防止攻击者截获并重放数据包 序列号 + 滑动窗口
1.2 IPsec 的协议组成
IPsec 协议族主要由三部分组成：
1. 安全协议
AH（Authentication Header）：仅认证，不加密（已很少使用）
ESP（Encapsulating Security Payload）：认证 + 加密（主流）
2. 密钥交换
IKE（Internet Key Exchange）：自动协商密钥和 SA
IKEv1（RFC 2409）：传统版本，仍然广泛使用
IKEv2（RFC 7296）：改进版本，功能更强
3. 加密算法
认证：MD5、SHA1、SHA256、SHA384
加密：DES、3DES、AES-128、AES-256
DH 组：DH Group 1/2/5/14/19/21
二、IPsec 安全联盟（SA）
2.1 什么是 SA
SA（Security Association，安全联盟）是 IPsec 通信双方协商的安全参数集合：
SA 的核心参数：
SA 参数 SPI（Security Parameter Index）：唯一标识 协议：ESP 或 AH 目的 IP：对端地址 加密算法：AES-256 认证算法：SHA-256 封装模式：隧道模式 / 传输模式 密钥：加密密钥 + 认证密钥 生存周期：3600 秒或 10MB 流量 防重放窗口大小：64
2.2 IKE SA vs IPsec SA
IKE 分两个阶段创建 SA：
第一阶段（IKE SA）： 目的：保护 IKE 协商本身的安全 方向：双向（一个 IKE SA 保护双方通信） 顾名思义：控制面隧道
第二阶段（IPsec SA）： 目的：保护实际数据传输 方向：单向（需要两个方向两个 SA） 顾名思义：数据面隧道
SA 关系图： | IKE SA（阶段 1） 保护协商过程 ┌──────────────────────────────┐ └──────────────────────────────┘ ┌──────────────────────────────┐ | IPsec SA（阶段 2，方向 A→B） IPsec SA（阶段 2，方向 B→A） | | | --- | --- | --- |
三、IKEv1 工作流程
3.1 IKEv1 阶段 1：建立 IKE SA
IKEv1 阶段 1 有两种模式：
主模式（Main Mode）：6 个消息，更安全
野蛮模式（Aggressive Mode）：3 个消息，更快
主模式（Main Mode）6 步交互：
消息 1-2：算法协商
Initiator → Responder: SA 提议（加密、认证、DH 组）
Responder → Initiator: SA 接受（选择一个提议）
消息 3-4：DH 交换
Initiator → Responder: DH 公钥 + Nonce
Responder → Initiator: DH 公钥 + Nonce
── 双方计算相同的共享密钥 ──
消息 5-6：身份认证（加密保护下）
Initiator → Responder: 身份信息 + 认证数据
Responder → Initiator: 身份信息 + 认证数据
── IKE SA 建立完成 ──
野蛮模式（Aggressive Mode）：3 个消息
消息 1：Initiator → Responder: SA 提议 + DH 公钥 + 身份
消息 2：Responder → Initiator: SA 接受 + DH 公钥 + 身份 + 认证
消息 3：Initiator → Responder: 认证信息
→ 更快但安全性略低（身份在加密前暴露）
3.2 IKEv1 阶段 2：建立 IPsec SA
阶段 2 使用快速模式（Quick Mode），受 IKE SA 保护：
| 发起方 | 响应方 | |
|---|---|---|
| │ │ | ||
| │ 消息 1: 哈希 + 提议 (加密协议+IP) │ | ||
| │────────────────────────────────────→│ | ||
| │ │ | ||
| │ 消息 2: 哈希 + 接受 + 新密钥材料 │ | ||
| │←────────────────────────────────────│ | ||
| │ │ | ||
| │ 消息 3: 哈希确认 │ | ||
| │────────────────────────────────────→│ | ||
| │ │ | ||
| │ IPsec SA 建立完成 │ | ||
| │ 单向 SA (A→B) + 单向 SA (B→A) │ | ||
| │ │ |
3.3 配置示例
# IKE 提议（阶段 1 参数）
ike proposal 1
encryption-algorithm aes-256 # 加密：AES-256
dh group14 # DH 组：Group 14 (2048-bit)
authentication-algorithm sha256 # 认证：SHA-256
authentication-method pre-share # 预共享密钥
integrity-algorithm hmac-sha256 # 完整性
sa duration 86400 # IKE SA 生存期 24 小时
# IKE 对等体
ike peer PEER_A
ike-proposal 1
pre-shared-key Huawei@123 # 共享密钥
remote-address 202.1.1.2 # 对端地址
# IPsec 提议（阶段 2 参数）
ipsec proposal PROPOSAL_A
esp authentication-algorithm sha256 # ESP 认证
esp encryption-algorithm aes-256 # ESP 加密
# IPsec 策略
ipsec policy POLICY_A 10 isakmp
security acl 3001 # 需要保护的流量
ike-peer PEER_A
proposal PROPOSAL_A
sa duration traffic-based 1024000 # IPsec SA 生存期 1GB 流量
sa duration time-based 3600 # IPsec SA 生存期 1 小时
四、IKEv2 改进
4.1 IKEv2 vs IKEv1
IKEv2 相比 IKEv1 的主要改进：
对比维度 IKEv1 IKEv2
────────────────────────────────────────────────────
阶段数 2 阶段（6+3 消息） 1 轮（4 消息）
消息数（最小） 9 个消息 4 个消息
NAT 穿透 需要额外 RFC 原生支持
MOBIKE 不支持 支持（移动场景）
EAP 认证 有限 原生支持
DPD（Dead Peer） 可选 必须支持
SA 管理 复杂 简化
4.2 IKEv2 的消息交换
IKEv2 只需 4 个消息完成密钥交换：
请求 1 (IKE_SA_INIT):
Initiator → Responder: SA 提议 + DH 公钥 + Nonce
响应 1 (IKE_SA_INIT):
Responder → Initiator: SA 接受 + DH 公钥 + Nonce
── 至此已计算出共享密钥 ──
请求 2 (IKE_AUTH):
Initiator → Responder: 身份 + 认证 + 第一对 IPsec SA 的提议
（此消息已加密保护）
响应 2 (IKE_AUTH):
Responder → Initiator: 身份 + 认证 + IPsec SA 参数
── IKE SA + IPsec SA 同时建立完成 ──
4.3 IKEv2 配置示例
# IKEv2 提议
ike proposal 2
version 2 # IKEv2
encryption-algorithm aes-256
dh group14
authentication-algorithm sha256
authentication-method pre-share
integrity-algorithm hmac-sha256
# IKEv2 对等体
ike peer PEER_B
ike-proposal 2
version 2
pre-shared-key Huawei@123
remote-address 202.1.2.2
!
ipsec policy POLICY_B 10 isakmp
security acl 3002
ike-peer PEER_B
proposal PROPOSAL_A
五、IPsec 封装模式
5.1 传输模式（Transport Mode）
传输模式：只保护 IP 载荷，不保护原始 IP 头
原始 IP 头 TCP/UDP 数据 | 原始 IP 头 | | TCP 头 | | 数据 | | --- | --- | --- | --- | --- |
ESP 传输模式： | 原始 IP 头 | | ESP 头 | | TCP 头 | | 数据 | | ESP尾 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | ↑ 不保护 ↑ 加密 ↑ 认证
适用场景：终端到终端（端到端加密）
5.2 隧道模式（Tunnel Mode）
隧道模式：保护整个 IP 报文（包括原始 IP 头）
ESP 隧道模式： | 新 IP 头 | | ESP 头 | | 原始 IP 头 | | TCP 头 | | 数据 | | ESP尾 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | GW 地址 ↑ 整个受保护
适用场景：站点到站点 VPN（网关到网关） 远程访问 VPN（客户端到网关）
六、NAT 穿越（NAT-T）
6.1 NAT-T 原理
NAT 对 IPsec 的挑战：
问题：ESP 协议（IP 协议号 50）无法穿越 NAT
因为 NAT 需要修改 TCP/UDP 端口，ESP 没有端口
NAT-T（NAT Traversal）解决方案：
将 ESP 报文封装在 UDP 中（UDP 4500）
NAT 设备 ┌──────┐
IPsec 发起方 ───── ESP(协议50) ────→│ NAT │──→ 无法识别，丢弃
(10.0.0.1) │ └──────┘
│
│ 封装为 UDP 4500 ┌──────┐
└── UDP(4500)ESP ──────→│ NAT │──→ UDP 端口映射 ✓
└──────┘
# 启用 NAT-T
ike proposal 1
nat-traversal enable # 默认已启用
nat-keepalive 20 # NAT 保活间隔 20 秒
七、总结
| 知识点 | 核心要点 |
|---|---|
| IPsec 功能 | 认证 + 加密 + 完整性 + 防重放 |
| SA | 安全联盟，包含 SPI/算法/密钥/生存期 |
| IKEv1 | 2 阶段：阶段 1 IKE SA + 阶段 2 IPsec SA |
| IKEv2 | 1 轮 4 消息，更高效，原生支持 NAT-T/MOBIKE |
| 主模式 vs 野蛮模式 | 主模式 6 消息更安全，野蛮模式 3 消息更快 |
| 传输模式 vs 隧道模式 | 传输模式保护载荷，隧道模式保护整个 IP |
| NAT-T | ESP over UDP 4500 解决 NAT 穿越 |
八、思考
- IKEv1 的主模式和野蛮模式有什么区别？什么场景下会选择野蛮模式？
- IKE SA 和 IPsec SA 分别保护什么数据？它们的生存周期怎么管理？
- IKEv2 相比 IKEv1 在哪些方面做了改进？4 个消息如何完成 IKEv1 的 9 个消息的工作？
- IPsec 的传输模式和隧道模式有什么区别？站点到站点 VPN 应该用哪种模式？
- 为什么 ESP 协议无法穿越 NAT？NAT-T 是如何解决这个问题的？
下篇预告：第211篇《IPsec VPN 隧道模式与传输模式》——深入对比 IPsec 的两种封装模式，详解数据包结构变化和适用场景。