IPSec VPN是目前應用最廣泛、最安全的VPN，從個人手機到平板電腦再到路由器、企業的防火墻都能輕松的創建IPSec VPN，保護使用者的數據安全防止數據被劫持，嗅探，因此掌握IPSec VPN原理以及常見問題排查對于運維及開發人員來說都至關重要。本期華云數據“智匯華云”專欄將為您奉上IPSec VPN原理介紹與實現。
IPSec全稱是Internet Protocol Security，是由（Internet Engineering Task Force）制定的一組開放的網絡安全協議。它并不是一個單獨的協議，而是一系列為IP網絡提供安全性的協議和服務的集合，主要包括：
1.IKE(Internet Key Exchange 因特網密鑰交換協議)
2.ESP(encapsulating security payload 封裝安全載荷)
3.AH(Authentication Header 認證頭協議，無法經過NAT，基本不使用)
IKE因特網密鑰交換
IKE協議有v1版本和v2版本，目前我們主要使用v1版本，v1版本是基于UDP500 和4500（NAT使用）端口號的應用層協議。IKE協議的主要作用是交換IPSec對等體兩端的SA（Security Association），SA一般包括：
1.使用哪種協議（AH、ESP還是兩者結合使用）
2.協議的封裝模式（傳輸模式和隧道模式）
3.認證算法（MD5、SHA-1）
4.加密算法（DES、3DES和AES128、aes256）對稱加密，用于加密數據
5.pfsgroup（diffie-hellman group）modp1024，modp1536，modp2048非對稱加密，用于安全交換密鑰
6.特定流中保護數據的共享密鑰以及密鑰的生存周期等
IKEv1版本的協商過程分為兩個階段。
第一階段叫做IKE(ISAKMP) SA，協商出來的SA給第二階段使用，這一階段又有兩種協商模式，使用中一般使用主模式，比較安全
main mode，安全，但是要6個數據包
aggressive（野蠻模式），只需要4個數據包，由于不安全容易被暴力破解，一般不使用
第二階段叫做IPSec SA，協商出來的SA給用戶數據流加密使用
封裝協議（安全協議）
IPSec的封裝協議有兩種：
1.AH(Authentication Header) 認證頭協議，協議號為51。工作原理是在每一個數據包的標準IP報頭后面添加一個AH報文頭，基本不使用。
2.ESP(encapsulating security payload) 封裝安全載荷，協議號為50。工作原理是在每一個數據包的標準IP報頭后面添加一個ESP報文頭，并在數據包后面追加一個ESP尾（ESP Tail和ESP Auth data）。
*與AH不同的是，ESP將數據中的有效載荷進行加密后再封裝到數據包中，以保證數據的機密性，但ESP沒有對IP頭的內容進行保護。
封裝模式
IPSec的封裝模式也有兩種，實際使用的時候雙方協商出封裝協議和封裝模式，一并使用：
1.傳輸模式(host-to-host transport mode)，在傳輸模式中，AH頭或ESP頭被插入到IP頭與傳輸層協議頭之間，保護TCP/UDP/ICMP負載。傳輸模式不改變報文頭，基本不使用。
2.隧道模式(tunneling mode )，隧道模式下，AH協議的完整性驗證范圍為包括新增IP頭在內的整個IP報文。ESP協議驗證報文的完整性檢查部分包括ESP頭、原IP頭、傳輸層協議頭、數據和ESP報尾，但不包括新IP頭，因此ESP協議無法保證新IP頭的安全。ESP的加密部分包括原IP頭、傳輸層協議頭、數據和ESP報尾。
IPSec實現-控制面
上面講的都是IPSec協議上的定義和規范，具體到IPSec在linux系統的實現上主要有各種swan（openswan，strongswan，libreswan），這些應用程序負責協商雙方的加密算法，加密方式，隧道模式，路由策略。并通過linux的xfrm內核接口調用下發到數據面中。
IPSec實現-數據面
IPSec在Linux上有兩種數據面，目前一般使用第二種Linux內核的XFRM框架，除非是很老的機器沒有這個的時候會用第一種：
1.KLIPS ，很古老，2.6版本以前的Linux版本使用。通過創建出虛擬IPSec接口，路由IPSec數據包，可以很方便添加firewall規則。
2.Linux內核XFRM/NETKEY（ipsec transform），執行具體的轉發策略和封包解包，如果有offload還要執行offload提升速度。新版本內核也支持創建出虛擬IPSec接口，方便添加firewall規則。
控制面-Libreswan
這里我們主要講一下libreswan，libreswan是目前使用較多的IPSec控制面實現，平常使用中需要掌握libreswan中的pluto和whack命令
1.pluto 命令是IPsec IKE keying守護進程，負責自動化ipsec之間的SA協商。
啟動pluto守護進程命令：ipsec pluto
2.whack命令是用戶和pluto守護進程進行交互使用的命令
# 添加一條ipsec連接(vpn1的具體配置寫在文件中)
ipsec whack addconn vpn1 --config ipsec.config
# 允許pluto守護進程開始監聽
ipsec whack --listen
# 初始化ipsec連接
ipsec whack --initiate --name vpn1
數據面-XFRM
Linux內核通過XFRM框架來支持IPSec的數據面實現，xfrm框架支持Linux的網絡namespace。
xfrm使用兩個數據庫記錄ipsec的數據面信息。
1.xfrm策略，存儲在內核的SPD（security policy database）中。告訴ipsec哪些流量需要進行ipsec處理。
2.xfrm狀態，存儲在內核的SADB（security association database）中。表示單向流量，包含加密密鑰，標志，請求ID，統計信息等信息。
手動創建ipsec隧道
ip xfrm命令可以手動創建兩臺之間使用ipsec隧道通信，跳過libreswan的控制面SA協商
192.168.0.6 <=======> 192.168.0.28，腳本如下：
A=192.168.0.6
B=192.168.0.28
ip xfrm state add src $A dst $B proto esp spi 0x00000301 mode tunnel auth md5 0x96358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xf6ddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm state add src $B dst $A proto esp spi 0x00000302 mode tunnel auth md5 0x99358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xffddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm policy add src $A dst $B dir out ptype main tmpl src $A dst $B proto esp mode tunnel
ip xfrm policy add src $B dst $A dir in ptype main tmpl src $B dst $A proto esp mode tunnel
ip xfrm state add src $A dst $B proto esp spi 0x00000301 mode tunnel auth md5 0x96358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xf6ddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm state add src $B dst $A proto esp spi 0x00000302 mode tunnel auth md5 0x99358c90783bbfa3d7b196ceabe0536b\
enc des3_ede 0xffddb555acfd9d77b03ea3843f2653255afe8eb5573965df
ip xfrm policy add src $A dst $B dir in ptype main tmpl src $A dst $B proto esp mode tunnel
ip xfrm policy add src $B dst $A dir out ptype main tmpl src $B dst $A proto esp mode tunnel
tcpdump 抓包
抓包看兩臺機器之間的ping包，可以發現ping包已經被加密為ESP報文。
