IPSec 传输模式下 ESP 报文的装包与拆包过程

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Web Security Homework4

基础概念部分源自维基百科

1. IPSec传输模式

1.1 IPSec 简介

IPSec 全称为：互联网安全协议（ Internet Protocol Security，缩写为IPsec），是一个协议包，通过对IP协议的分组进行加密和认证来保护IP协议的网络传输协议族（一些相互关联的协议的集合）。

IPSec 定义了在网络层使用的安全服务， 其功能包括数据加密、 对网络单元的访问控制、 数据源地址验证、 数据完整性检查和防止重放攻击。

IPSec 是安全联网的长期方向。 它通过端对端的安全性来提供主动的保护以防止专用网络与 Internet 的攻击。 在通信中， 只有发送方和接收方才是唯一必须了解 IPSec 保护的计算机。 在 Windows XP 和 Windows Server 2003家族中，IPSec 提供了一种能力， 以保护工作组、 局域网计算机、 域客户端和服务器、 分支机构（物理上为远程机构） 、 Extranet 以及漫游客户端之间的通信。

1.2 IPSec 的组成

IPsec主要由以下部分组成：

  • 认证头（AH），为IP数据报提供无连接数据完整性、消息认证以及防重放攻击保护；

    • 认证头分组图示：

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    • 字段含义：

      • 下一个头：标识被传送数据所属的协议。
      • 载荷长度：认证头包的大小。
      • 保留：为将来的应用保留（目前都置为0）。
      • 安全参数索引：与IP地址一同用来标识安全参数。
      • 串行号：单调递增的数值，用来防止重放攻击。
      • 认证数据：包含了认证当前包所必须的数据。

  • 封装安全载荷（ESP），提供机密性、数据源认证、无连接完整性、防重放和有限的传输流（traffic-flow）机密性；

  • 安全关联（SA），提供算法和数据包，提供AH、ESP操作所需的参数。

1.3 IPsec 的设计意图

IPsec被设计用来提供：

  • 入口对入口通信安全，在此机制下，分组通信的安全性由单个节点提供给多台机器（甚至可以是整个局域网）；
  • 端到端分组通信安全，由作为端点的计算机完成安全操作。

上述的任一模式都可以用来构建虚拟专用网(VPN).

1.4 IPsec 与其他互联网协议的对比

IPsec协议工作在OSI模型的第三层，使其在单独使用时适于保护基于TCP或UDP的协议（如安全套接子层（SSL）就不能保护UDP层的通信流）。这就意味着，与传输层或更高层的协议相比，IPsec协议必须处理可靠性和分片的问题，这同时也增加了它的复杂性和处理开销。相对而言，SSL/TLS依靠更高层的TCP（OSI的第四层）来管理可靠性和分片。

2. ESP

2.1 ESP 简介

ESP 又称 IPsec 封装安全负载(IPsec ESP)是 IPsec 体系结构中的一种主要协议， 其主要设计来在 IPv4 和 IPv6 中提供安全服务的混合应用。

该协议能够在数据的传输过程中对数据进行完整性度量， 来源认证以及加密， 也可以防止回放攻击。

2.2 ESP 的组成

  • ESP 分组图示：

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  • 字段含义：

    • ESP 头部：
      • 安全参数索引：与IP地址一同用来标识安全参数
      • 序列号：单调递增的数值，用来防止重放攻击。
    • ESP 尾部：
      • 载荷数据：实际要传输的数据。
      • 填充：某些块加密算法用此将数据填充至块的长度。
      • 填充长度：以位为单位的填充数据的长度。
      • 下一个头：标识被传送数据所属的协议。
    • ESP 验证尾部
      • 认证数据：包含了认证当前包所必须的数据。

  • 对数据的完整性验证需要计算SPI、序列号、载荷数据以及ESP尾部。

  • 对数据的保密性验证需要计算载荷数据以及ESP尾部。

2.3 ESP 的工作机理

IPsec ESP 通过加密需要保护的数据以及在 IPsec ESP 的数据部分放置这些加密的数据来提供机密性和完整性。

ESP 加密采用的是对称密钥加密算法， 能够提供无连接的数据完整性验证、 数据来源验证和抗重放攻击服务。根据用户安全要求， 这个机制既可以用于加密一个传输层的段(如:TCP、 UDP、 ICMP、 IGMP)， 也可以用于加密一整个的 IP数据报。 封装受保护数据是非常必要的， 这样就可以为整个原始数据报提供机密性。 ESP 提供机密性、 数据起源验证、 无连接的完整性、 抗重播服务和有限业务流机密性。

3. 传输模式下装包与拆包过程

3.1 传输模式下 ESP 报文结构

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3.2 装包过程

  1. 在原IP报文末尾添加尾部（ESP trailer）信息。尾部包含三部分。由于所选的加密算法可能是块加密，按摩当最后一块长度不够时，需要进行填充（padding），附上填充长度（padding lenght）方便解包时顺利找出用来填充的那一段数据。Next header用来表明被加密的数据报文类型。

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  1. 将原数据报文和刚添加的 ESP 尾部信息作为一个整体进行加密， 具体的加密算法由密钥和 SA 给出。

  2. 在第 2 步得到的加密数据前添加 ESP Header。 ESP Header 由 SPI 和 序号(Sequence number)两部分组成。 加密数据与 ESP头合称为”enchilada”。

  3. 附加完整性度量结果(ICV, Integrity check value)。 对第三步得到的”enchilada”做摘要， 得到一个完整性度量值， 并附在 ESP 报文的尾部。

  4. 将原 IP 头放回到第 4 步后形成的报文的头部前， 组织成一个新的 IP 报文。

3.3 拆包过程

接收端在收到一个 ESP 包之后，若不对这个包进行处理，就无法得知它究竟处于通道模式，还是传送模式。根据对这个包进行处理的SA，便可知道它到底处在什么模式下。所以，我们的拆包过程可如下操作：

  1. 接收方收到报文之后，发现协议类型是 50， 知道这是一个 IPSec 包。 首先查看 ESP 头， 通过里面的 SPI 决定数据报文所对应的 SA。
  2. 计算”enchilada”部分的摘要， 与附在末尾的 ICV做对比， 如果一样， 说明数据完整； 否则断定收到的报文已经不是原来的报文了。
  3. 检查 Seq 里的顺序号， 保证数据是”新鲜”的， 不是回放攻击。
  4. 根据 SA 所提供的加密算法和密钥， 解密被加密过的数据 ”enchilada”。 得到原 IP 报文的数据部分和 ESP 尾部(trailer)。
  5. 根据 ESP 尾部的填充长度信息， 可以找出填充字段的长度， 删去后就得到原来的 IP 报文。
  6. 根据获取的原 IP 包目标地址进行转发。
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