IPSec基礎－密鑰交換和密鑰保護

兩台IPSec計算機在交換數據之前，必須首先建立某種約定，這種約定，稱為"安全關聯"，指雙方需要就如何保護信息、交換信息等公用的安全設置達成一致，更重要的是，必須有一種方法，使那兩台計算機安全地交換一套密鑰，以便在它們的連接中使用。

Internet工程任務組IETF制定的安全關聯標准法和密鑰交換解決方案 --IKE（Internet密鑰交換）負責這些任務，它提供一種方法供兩台計算機建立安全關聯 （SA）。SA 對兩台計算機之間的策略協議進行編碼，指定它們將使用哪些算法和什麼樣的密鑰長度，以及實際的密鑰本身。IKE主要完成兩個作用：

·安全關聯的集中化管理，減少連接時間

·密鑰的生成和管理

一、什麼是SA？

安全關聯SA（Security Association）是單向的，在兩個使用 IPSec的實體（主機或路由器）間建立的邏輯連接，定義了實體間如何使用安全服務（如加密）進行通信。它由下列元素組成：1）安全參數索引SPI；2）IP目的地址；3）安全協議。

SA是一個單向的邏輯連接，也就是說，在一次通信中，IPSec需要建立兩個SA，一個用於入站通信，另一個用於出站通信。若某台主機，如文件服務器或遠程訪問服務器，需要同時與多台客戶機通信，則該服務器需要與每台客戶機分別建立不同的SA。每個SA用唯一的SPI索引標識，當處理接收數據包時，服務器根據SPI值來決定該使用哪種SA。

二、第一階段SA（主模式SA，為建立信道而進行的安全關聯）

IKE建立SA分兩個階段。第一階段，協商創建一個通信信道（IKE SA），並對該信道進行認證，為雙方進一步的IKE通信提供機密性、數據完整性以及數據源認證服務；第二階段，使用已建立的IKESA建立IPsec SA。分兩個階段來完成這些服務有助於提高密鑰交換的速度。 第一階段協商（主模式協商）步驟：

1.策略協商，在這一步中，就四個強制性參數值進行協商：

1）加密算法：選擇DES或3DES

2）hash算法：選擇MD5或SHA

3）認證方法：選擇證書認證、預置共享密鑰認證或Kerberos v5認證

4）Diffie-Hellman組的選擇

2.DH交換

雖然名為"密鑰交換"，但事實上在任何時候，兩台通信主機之間都不會交換真正的密鑰，它們之間交換的只是一些DH算法生成共享密鑰所需要的基本材料信息。DH交換，可以是公開的，也可以受保護。在彼此交換過密鑰生成"材料"後，兩端主機可以各自生成出完全一樣的共享"主密鑰"，保護緊接其後的認證過程。

3.認證 DH交換需要得到進一步認證，如果認證不成功，通信將無法繼續下去。"主密鑰"結合在第一步中確定的協商算法，對通信實體和通信信道進行認證。在這一步中，整個待認證的實體載荷，包括實體類型、端口號和協議，均由前一步生成的"主密鑰"提供機密性和完整性保證。

三、第二階段SA（快速模式SA，為數據傳輸而建立的安全關聯）

這一階段協商建立IPsec SA，為數據交換提供IPSec服務。第二階段協商消息受第一階段SA保護，任何沒有第一階段SA保護的消息將被拒收。

第二階段協商（快速模式協商）步驟：

1.策略協商，雙方交換保護需求：

·使用哪種IPSec協議：AH或ESP

·使用哪種hash算法：MD5或SHA

·是否要求加密，若是，選擇加密算法：3DES或DES 在上述三方面達成一致後，將建立起兩個SA，分別用於入站和出站通信。

2.會話密鑰"材料"刷新或交換

在這一步中，將生成加密IP數據包的"會話密鑰"。生成"會話密鑰"所使用的"材料"可以和生成第一階段SA中"主密鑰"的相同，也可以不同。如果不做特殊要求，只需要刷新"材料"後，生成新密鑰即可。若要求使用不同的"材料"，則在密鑰生成之前，首先進行第二輪的DH交換。

3.SA和密鑰連同SPI，遞交給IPSec驅動程序。

第二階段協商過程與第一階段協商過程類似，不同之處在於：在第二階段中，如果響應超時，則自動嘗試重新進行第一階段SA協商。

第一階段SA建立起安全通信信道後保存在高速緩存中，在此基礎上可以建立多個第二階段SA協商，從而提高整個建立SA過程的速度。只要第一階段SA不超時，就不必重復第一階段的協商和認證。允許建立的第二階段SA的個數由IPSec策略屬性決定。

四、SA生命期

第一階段SA有一個缺省有效時間，如果SA超時，或"主密鑰"和"會話密鑰"中任何一個生命期時間到，都要向對方發送第一階段SA刪除消息，通知對方第一階段SA已經過期。之後需要重新進行SA協商。第二階段SA的有效時間由IPSec驅動程序決定。

一、密鑰生命期

生命期設置決定何時生成新密鑰。在一定的時間間隔內重新生成新密鑰的過程稱為"動態密鑰更新"或"密鑰重新生成"。密鑰生命期設置決定了在特定的時間間隔之後，將強制生成新密鑰。例如，假設一次通信需要1萬秒，而我們設定密鑰生命期為1千秒，則在整個數據傳輸期間將生成10個密鑰。在一次通信中使用多個密鑰保證了即使攻擊者截取了單個通信密鑰，也不會危及全部通信安全。密鑰生命期有一個缺省值，但"主密鑰"和"會話密鑰"生命期都可以通過配置修改。無論是哪種密鑰生命期時間到，都要重新進行SA協商。單個密鑰所能處理的最大數據量不允許超過100兆。

二、會話密鑰更新限制

反復地從同一個的"主密鑰"生成材料去生成新的"會話密鑰"很可能會造成密鑰洩密。"會話密鑰更新限制"功能可以有效地減少洩密的可能性。例如，兩台主機建立安全關聯後，A先向B發送某條消息，間隔數分鐘後再向B發送另一條消息。由於新的SA剛建立不久，因此兩條消息所用的加密密鑰很可能是用同一"材料"生成的。如果想限制某密鑰"材料"重用次數，可以設定"會話密鑰更新限制"。譬如，設定"會話密鑰更新限制"為5，意味著同一"材料"最多只能生成5 個"會話密鑰"。

若啟用"主密鑰精確轉發保密（PFS）"，則"會話密鑰更新限制"將被忽略，因為PFS 每次都強制使用新"材料"重新生成密鑰。將"會話密鑰更新限制"設定為1和啟用PFS效果是一樣的。如果既設定了"主密鑰"生命期，又設定了"會話密鑰更新限制"，那麼無論哪個限制條件先滿足，都引發新一輪SA協商。在缺省情況下，IPSec不設定"會話密鑰更新限制"。

三、Diffie-Hellman（DH）組

DH組決定DH交換中密鑰生成"材料"的長度。密鑰的牢固性部分決定於DH組的強度。IKE共定義了5個DH組，組1（低）定義的密鑰"材料"長度為768位；組2（中）長度為1024位。密鑰"材料"長度越長，所生成的密鑰安全度也就越高，越難被破譯。

DH組的選擇很重要，因為DH組只在第一階段的SA協商中確定，第二階段的協商不再重新選擇DH組，兩個階段使用的是同一個DH組，因此該DH組的選擇將影響所有"會話密鑰"的生成。

在協商過程中，對等的實體間應選擇同一個DH組，即密鑰"材料"長度應該相等。若DH組不匹配，將視為協商失敗。

四、精確轉發保密PFS（Perfect Forward Secrecy）

與密鑰生命期不同，PFS決定新密鑰的生成方式，而不是新密鑰的生成時間。PFS保證無論在哪一階段，一個密鑰只能使用一次，而且，生成密鑰的"材料"也只能使用一次。某個"材料"在生成了一個密鑰後，即被棄，絕不用來再生成任何其他密鑰。這樣可以確保一旦單個密鑰洩密，最多只可能影響用該密鑰加密的數據，而不會危及整個通信。

PFS分"主密鑰"PFS和"會話密鑰"PFS，啟用"主密鑰"PFS，IKE必須對通信實體進行重新認證，即一個IKE SA只能創建一個IPsec SA，對每一次第二階段SA的協商，"主密鑰"PFS都要求新的第一階段協商，這將會帶來額外的系統開銷。因此使用它要格外小心。

然而，啟用"會話密鑰"PFS，可以不必重新認證，因此對系統資源要求較小。"會話密鑰"PFS只要求為新密鑰生成進行新的DH交換，即需要發送四個額外消息，但無須重新認證。 PFS不屬於協商屬性，不要求通信雙方同時開啟PFS。"主密鑰"PFS和"會話密鑰"PFS均可以各自獨立設置。