IPsec

位於網絡層中的IPsec
網際網路安全協定（Internet Protocol Security，縮寫：IPsec）是一個協議套件，透過對IP協議的分組進行加密和認證來保護IP協議的網絡傳輸協議族（一些相互關聯的協議的集合）。
IPsec主要由以下協議組成：
#認證頭（AH），為IP數據報提供無連接數據完整性、Message_authentication以及防重放攻擊保護；
#封裝安全載荷（ESP），提供機密性、數據源認證、無連接完整性、防重放和有限的傳輸流（traffic-flow）機密性；
#網際網路金鑰交換（英語： Internet Key Exchange ，簡稱IKE或IKEv2），為AH、ESP操作所需的安全關-{}-聯（SA）提供算法、數據包和金鑰參數。

**標準現狀**
IPsec的源始編碼是在IPv4的環境中於1994年開發，第一版IPsec協議在RFC 2401-2409中定義。在2005年第二版標準文檔發佈，新的文檔定義在RFC 4301和RFC 4309中。在IPv4中IPsec的使用是一個可選項，在IPv6 RFC 6434中為必選的內容 ，這樣做的目的，是為了隨著 IPv6的進一步流行，IPsec可以得到更為廣泛的使用。

**歷史概要**
從1920-70年代初開始，美國高級研究項目局贊助了一系列實驗性的ARPANET加密設備，起初用於本地ARPANET數據包加密，隨後又用於TCP/IP數據包加密。
從1986年到1991年，美國國家安全局在其安全數據網絡系統（SDN）計劃下贊助了互聯網安全協議的開發，包括摩托羅拉在內的各種供應商聚集在一起，於1988年生產了一種網絡加密設備，這項工作於1988年由NIST公開發表，其中第3層的安全協議（SP3）演變為ISO標準的網絡層安全協議（NLSP）。
從1992年到1995年，有三個研究小組對IP層加密分別進行了獨立研究：- 1. 1992年，美國海軍研究實驗室（NRL）開始了Simple Internet Protocol Plus（SIPP）項目來進行IP加密協議的研究。- 2. 1993年，哥倫比亞大學SunOS和AT&T貝爾實驗室，開始由 JohnIoanndis等人研發實驗性軟件IP加密協議 (swIPe)。- 3. 1993年，在白宮信息高速公路項目的支持下，Trusted Information Systems（TIS）科學家徐崇偉（Wei Xu） 研究和開發了第一代軟件 IPSEC 協議，它的編碼是在BSD 4.1內核中完成的，支持x86和SUNOS CPU架構，同時開發了硬件安全3DES的加密技術，併為數據加密標準開發了設備驅動程序。到1994年12月，TIS發佈了由DARPA贊助的開放源代碼的“手銬防火牆”產品，其VPN速度超過T1，首次用 IPSec VPN 實現了美國東西海岸安全鏈接，也是歷史上第一個 IPSec 商用產品。 
*4. 在美國國防部高級研究計劃局（DARPA）資助的研究工作下，1996年，NRL為IPsec開發了IETF標準跟蹤規範（rfc1825到rfc1827），它的編碼是在BSD 4.4內核中，同時支持x86和SPARC CPU架構 。
互聯網工程任務組（IETF）於1992年成立了IP安全工作組，以規範對 IPsec 的公開協議，1995年工作組成員有 TIS、Cisco、FTP、Checkpoint 等五個企業組成，首次合作協商改進了 NRL 起草的 IPsec 協議標準，以及規範了 Cisco 和 TIS 提供的 IPsec 開放源代碼，此後，發佈了RFC-1825和RFC-1827，NRL在1996年 USENIX 會議論文集中進行了描述了，由麻省理工學院在線提供，併成為大多數初始商業實現的基礎。

**設計意圖**
IPsec被設計用來提供（1）入口對入口通信安全，在此機制下，分組通信的安全性由單個節點提供給多臺機器（甚至可以是整個局域網）；（2）端到端分組通信安全，由作為端點的計算機完成安全操作。上述的任意一種模式都可以用來構建虛擬專用網（VPN），而這也是IPsec最主要的用途之一。應該注意的是，上述兩種操作模式在安全的實現方面有著很大差別。
，其中部分原因，是因為其不夠普遍或者說不被普遍信任。公鑰基礎設施能夠得以形成（DNSSEC最初就是為此產生的），一部分是因為許多用戶不能充分地認清他們的需求及可用的選項，導致其作為內含物強加到賣主的產品中（這也必將得到廣泛採用）；另一部分可能歸因於網絡響應的退化（或說預期退化），就像兜售信息的充斥而帶來的帶寬損失一樣。

**IPsec與其它互聯網安全協議的對比**
IPsec協議工作在OSI模型的第三層，使其在單獨使用時適於保護基於TCP或UDP的協議（如安全套接子層（SSL）就不能保護UDP層的通信流）。這就意味著，與傳輸層或更高層的協議相比，IPsec協議必須處理可靠性和分片的問題，這同時也增加了它的複雜性和處理開銷。相對而言，SSL/TLS依靠更高層的TCP（OSI的第四層）來管理可靠性和分片。

**技術細節**

**認證頭（AH）**
認證頭（Authentication Header，AH）被用來保證被傳輸分組的完整性和可靠性。此外，它還保護不受重放攻擊。認證頭試圖保護IP數據報的所有字段，那些在傳輸IP分組的過程中要發生變化的字段就只能被排除在外。當認證頭使用非對稱數字簽名算法（如RSA）時，可以提供不可否認性（RFC 1826）。
認證頭分組圖示：
字段含義：
下一個頭：標識被傳送數據所屬的協議。
載荷長度：認證頭包的大小。
保留：為將來的應用保留（目前都置為0）。
安全參數索引：與IP地址一同用來標識安全參數。
序列號：單調遞增的數值，用來防止重放攻擊。
認證數據：包含了認證當前包所必須的數據。

**封裝安全載荷（ESP）**
封裝安全載荷（Encapsulating Security Payload，ESP）協議對分組提供了源可靠性、完整性和保密性的支持。與AH頭不同的是，IP分組頭部不被包括在內。
ESP分組圖示：

字段含義：
安全參數索引：與IP地址一同用來標識安全參數
序列號：單調遞增的數值，用來防止重放攻擊。
載荷數據：如果沒使用ESP的加密功能，則載荷數據域的內容是“下一個頭”所指示的數據；如果使用了ESP的加密功能，則使用加密載荷數據和ESP尾部數據所得的密文作為payload data.
填充：某些塊加密算法用此將數據填充至塊的長度。
填充長度：以位為單位的填充數據的長度。
下一個頭：標識載荷中封裝的數據所屬的協議。
認證數據：又叫做完整性校驗值（ICV）。包含了認證當前包所必須的數據。

**安全關聯（SA）**

**實現**
FreeS/WAN項目已經開發了一個開源的GNU/Linux作業系統下的IPsec實現。Free S/WAN項目的開發在2004年時被中止。Openswan、strongSwan和libreswan是Free S/WAN延續。
至今已有許多IPsec協議和ISAKMP／IKE協議的實現。它們包括：- NRL IPsec，屬於原型的一種- OpenBSD，代碼源於NRL IPsec- Mac OS X，包含了Kame IPsec的代碼- Cisco IOS- Microsoft Windows- SSH Sentinel（現作為SafeNet的一部分）提供了工具包- Solaris- FreeBSD- NetBSD- Android- iOS

**參見**
 信息安全

**參考文獻**

**外部鏈接**
  計算機系統安全-  IPsec簡介fix-attempted=yes -  IETF的IPsec工作組。-  Free S/WAN項目主頁date=20160606034902 。-  Openswan項目主頁date=20041229111857 。-  strongSwan項目主頁date=20051102071255 。-  VPN社團date=20090630054539 。-  A long thread on the ipsec@lists.tislabs.com關於是否要將字母S大寫，RFC文檔寫的很清楚，應該是IPsec。

**IPsec相關RFC文檔**
 RFC 2401: IP協議的安全架構
 RFC 2402:認證頭
 RFC 2406:封裝安全載荷
 RFC 2407: ISAKMP的IPsec解釋域（IPsec DoI）
 RFC 2408: 網路安全關聯與金鑰管理協定（ISAKMP）
 RFC 2409: 因特網密鑰交換（IKE）