IPsec

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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協議的網路傳輸協議族（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、消息認證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）提供演算法、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布，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路系統（SDN）計劃下贊助了網際網路安全協議的開發，包括摩托羅拉在內的各種供應商聚集在一起，於1988年生產了一種網路加密設備，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標準的網路層安全協議（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等人研發實驗性軟體IP加密協議 (swIPe)。
- 3. 1993年，在白宮資訊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體 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，同時開發了硬體安全3DES的加密技術，並為數據加密標準開發了設備驅動程序。到1994年12月，TIS發布了由DARPA贊助的開放原始碼的「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連結，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。

網際網路工程任務組（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 開放原始碼，此後，發布了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，並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台機器（甚至可以是整個區域網）；（2）端到端分組通信安全，由作為端點的電腦完成安全操作。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路響應的退化（或說預期退化），就像兜售資訊的充斥而帶來的帶寬損失一樣。

## IPsec與其它網際網路安全協議的對比

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數據報的所有欄位，那些在傳輸IP分組的過程中要發生變化的欄位就只能被排除在外。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：

位偏移｜字節｜0｜1｜2｜3

位｜0 1 2 3 4 5 6 7｜0 1 2 3 4 5 6 7｜0 1 2 3 4 5 6 7｜0 1 2 3 4 5 6 7

0｜下一個頭｜載荷長度｜保留

32｜安全參數索引（SPI）

64｜序列號

96+｜認證數據（可變長度）

欄位含義：

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位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：

位偏移｜字節｜0｜1｜2｜3

位｜0｜1｜2｜3｜4｜5｜6｜7｜0｜1｜2｜3｜4｜5｜6｜7｜0｜1｜2｜3｜4｜5｜6｜7｜0｜1｜2｜3｜4｜5｜6｜7

0｜安全參數序列（SPI）

32｜序列號

64+｜載荷、（可變長度）

填充（0-255位元組）

填充長度｜下一個頭

認證數據（可變長度）

欄位含義：

安全參數索引：與IP位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：某些塊加密演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。

## 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

## 外部連結

- 電腦系統安全
- IPsec簡介
- IETF的IPsec工作組。
- Free S/WAN項目主頁。
- Openswan項目主頁。
- strongSwan項目主頁。
- VPN社團。
- 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: 網際網路密鑰交換（IKE）