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IPSec是在网络层构建的安全虚拟专有网络，通过在数据包中插入一些预定义的头部，实现对网络层以上的协议数据安全。不同于ssl应用层的加密。IPSec内核加密支持的库是xfrm。
ipsec支持的协议主要有ESP、AH，通过IKE协商建立隧道对数据包进行加密。
从ipsec协议族图可以概况ipsec的整个过程。
当数据包到达网络层就会在SPD安全策略数据库中匹配，是否需要进行ipsec加密，如果需要就进行ipsec加密，如果不需要就走正常的数据包发送流程。
传输模式是两个主机之间建立IPSec虚拟安全通道，传输模式没有改变原IP，只是在原IP和数据之间插入了一个IPSec头部，然后对后面的数据部分进行加密。
隧道模式是包原始的整个数据包封装加密保护，添加一个新的IP头部，IP信息也没有暴露，这样使数据传输更加安全。隧道模式一般用在站点和站点之间建立连接安全通道，两个站点下面的私有IP可以利用安全隧道通信。
隧道模式比传输模式更加安全，因为两端的通信IP没有暴露。
IPsec通信协议由两个不同的协议组成，分为是AH（Authentication Header）和ESP(Encapsulated Security Payload)，两个图通的协议负责不同的功能，AH协议的功能是”完整性验证”，ESP协议的功能时”完整性验证与加密”
AH协议（Authentication Header，认证包头） AH提供的安全服务： （1）数据完整性：通过哈希（如MD5，SHA1）产生的校验来保证； （2）数据源认证：通过在计算机验证时加入一个共享秘钥来实现； （3）抗重放服务：AH报头中的序列号可以防止重放。 AH不提供任何保密性服务：它不加密所保护的数据包。 AH提供对数据包的保护时，它保护的是整个IP数据包（易变的字段除外，如IP头中的 TTL和TOS字段）
ESP（Encapsulating Security Payload，封装安全有效载荷）提供加密和完整性验证两项功能。 ESP通常使用DES，3DES，AES等加密算法来实现数据加密，使用MD5或SHA1来实现 数据完整性验证。
ESP协议和AH协议比较：
| 安全性 | AH | ESP |
| 协议号 | 50 | 51 |
| 数据完整性校验 | 支持 | 支持(不验证IP头) |
| 数据源验证 | 支持 | 支持 |
| 数据加解密 | 不支持 | 支持 |
| 抗重服务 | 支持 | 支持 |
| NAT-T(nat穿透) | 不支持 | 支持 |
SA(Security Assocition)是通信对等体间对某些要素的约定，通信的双方符合SA约定的内容，就可建立SA。SA由三元组唯一标示，包括：安全参数索引，目的IP地址，安全协议号。
为了解决固定秘钥模式中VPN不安全的问题，就有了Ineternt Key Exchange(因特网秘钥交互协议)简称IKE，在IKE架构中只要设置加密算法和验证算法，IKE会定时生成加密秘钥，以上两部分加起来就是Security Assocition(安全联盟)简称SA。
IKE有三个协议组成：
ISAKMP：定义了信息交互的体系结构，也就是消息格式
SKEME：实现公钥加密认证机制
Oakey：实现两个Ipsec对等体间达成加密秘钥的基本模式机制
ISAKMP是基于UDP协议端口是500。
Security Assocition(安全联盟)SA：
SA是通信对等体对某件事情的约定，通信双方符合约定就建立了SA。SA决定了数据包保护的IPsec协议、加密秘钥、认证秘钥、秘钥时间等。SA是单项的两台主机A、B之间用IPsec加密传输会建立两个SA，一条是A->B，还有一条是B->A。会建立一个SAD数据库，SAD数据库中有的参数：SPI值、目的IP、AH/ESP协议、认证算法、加密算法、传输模式。
| SPI | 目的IP | 协议 | AH认证算法 | AH加密秘钥 | 工作模式 |
| 0x1000 | 192.168.100.100 | AH | hmac-sha1 | 1111 | Transport |
如上SAD数据库定义了目的IP是192.168.100.100，SPI是0x1000的用AH协议封装认证算法是hmac-sh1，AH加密秘钥是1111、工作模式是传输模式来加密封装数据包。
SPD的内容是用来存放IPsec的规则，这些规则定义了哪些数据流需要使用IPsec。这个数据库的内容有目的端IP、来源端IP、目的端端口、来源端端口、协议AH/ESP
SPD数据库
| 来源端IP | 目的端IP | 执行协议 | 来源端口 | 目的端端口 | 工作模式 |
| 192.168.0.1 | 192.168.2.1 | AH | Any | 110 | Transport |
如上表所示，源地址是192.168.0.1，源端口是任意，目的地址是192.168.2.1，目的端口是110的数据流用Transport模式AH协议封装加密。
IKE为IPsec协商建立密钥，供AH/ESP加密和验证使用。在IPsec通信双方之间，动态的建立安全联盟（SA），对SA进行管理和维护，IKE经过两个阶段为IPsec进行密钥协商并建立安全联盟
第一阶段交换：通信各方彼此间建立了一个已通过身份验证和安全保护的通道，此阶段的交换建立了一个ISAKMP安全联盟，即ISAKMP SA，也可称为IKE SA。 第一阶段有两种协议模式：主模式协商、野蛮模式协商。
消息1：
第一个消息由隧道的发起者发起，携带的参数如：机密机制-DES，散列机制-MD5-HAMC，Diffie-Hellman组-2（即DH-2），认证机制-预共享。 消息2：第二个消息是应答方对发送方信息的应答，当应答方查找SPD查找到发送方相关的策略后，将自己的信息同样发送给对端，当然，应答方在发送传输集时将会生成自己的cookie并添加到数据包中。
消息3：
当完成第一步骤双方的策略协商后，则开始第二步骤DH公共值互换，随数据发送的还包含辅助随机数，用户生成双方的加密秘钥。
消息4：
应答方同样将本端的DH公共值和Nonce随机数发送给对端，通过消息4传输。
消息5：
第五个消息由发起者向响应者发送，主要是为了验证对端就是自己想要与之通信的对端。这可以通过预共享、数字签名、加密临时值来实现。 双方交换DH公共值后，结合随机数生成一系列的加密密钥，用于双方加密、校验，同时生成了密钥后，将公共密钥和本端身份信息等进行hash，hash值传输给对端进行验证设备身份。
消息6：
由响应者向发起者发送，主要目的和第5条一样。 IKE阶段1有三次交换过程，一共6个消息交互，前4个明文，后2个密文
野蛮模式同样包含三个步骤，但仅通过三个包进行传输，标示为aggressive 野蛮模式的三个包交换：
（1）第1个交互包发起方建议SA，发起DH交换
（2）第2个交互包接收方接收SA
（3）第3个交互包发起方认证接收方 野蛮模式前两个报文是明文，第三个报文是密文
ISAKMP/IKE阶段2只有一种信息交换模式——快速模式，它定义了受保护数据连接是如何在两个IPSEC对等体之间构成的。 快速模式有两个主要的功能：
1.协商安全参数来保护数据连接。
2.周期性的对数据连接更新密钥信息。
第二阶段的效果为协商出IPSec 单向SA，为保护IPsec数据流而创建。第二阶段整个协商过程受第一阶段ISAKMP/IKE SA保护
消息1：
发起者会在第一个消息中发送 IPSEC SA的转换属性，包括HASH、IPSEC策略提议、Nonce的可选的DH以及身份ID
消息2 ：
响应者向发送者发送的发送第二条消息，确认第一个跳信息的中的属性，同时也起到确认对端信息的作用
消息3 ：
第三条消息，确认接收方的信息并证明发送方处于Active状态
