摘 要：IPSec是基于IP协议的安全标准，为数据包在公共网络上传输提供保密性、无连接完整性、数据源身份认证，本文首先介绍了IPSec安全服务的基础SA，然后讨论IPSec安全协议数据库，最后是IPSec在网络安全中的具体应用。

关键词：IPSec协议；SA；协议数据库；网络安全

IPSec提供访问控制、无连接完整性、数据源的认证、有限通信量的机密性等安全服务，它是由IETF开发的一套Internet安全协议标准，可以“无缝”地为IP（IPv4和IPv6）提供可操作的、高质量的、基于数据加密的网络安全服务。利用IPSec提供的安全服务可以实现不同的网络安全配置。

1 IPSec协议基础

IPSec的安全服务是由通讯双方建立的安全关联（SA）来提供的。SA为通讯提供了安全协议、模式、算法和应用于单向IP流的密钥等安全信息。它通过安全关联库（SAD）来进行管理，每一个IPSec节点包含有一个局部的安全策略库（SPD）。IPSec系统在处理输入/输出IP流时必须考虑该策略库，并从SPD中提取策略对IP流进行不同的处理。如果该策略决定IP流需要经过IPSec处理，，则根据SPD与SAD的对应关系，找到相应的SA，对IP数据包进行相应的处理。

SA由一个三元组惟一地标识，该三元组包含安全参数索引（SPI）、输出处理SA的目的IP地址或者输入处理SA的源IP地址以及一个特定的协议，SPI是为了唯一标识SA而生成的一个32位整数。

IPSec主要使用两种协议AH和ESP，这两种协议均使用SA。如果希望同时用AH和ESP来保护两个对等实体之间的数据流，则需要两个SA：一个用于AH，另一个用于ESP。当一个SA协商完成时，通信的两个对等实体会在它们的安全关联数据库（SAD）中存储该SA参数。SA的一个重要参数是它的生存期，它以一个时间间隔或者以一定字节数的形式存在（IPSec协议利用该SA来处理）。当一个SA的生存期过期时系统会用一个新的SA来替换该SA，或者终止该SA，当一个SA终止时，它的条目将从SAD中删除。

2 安全关联数据库和安全策略数据库

当IPSec处理数据流时有两个必要的数据库：安全策略数据库（SPD）和安全关联数据库（SAD）。SPD指定了用于到达或者源自特定主机、网络的数据流的策略，SAD包含活动的SA参数。对于SPD和SAD而言都需要单独的输入和输出数据库。IPSec协议要求不管通信流是输入还是输出在处理的过程中都必须查询SPD，SPD中包含一个策略条目的有序列表。通过使用一个或多个选择符来确定每一个条目。以下是IPSec允许的选择符：

（1）目的IP地址：目的IP地址可以是一个32位的IPv4或者128位的IPv6地址。该地址可以是主机IP地址、广播地址、单播地址、任意播地址、多播组地址等。

（2）源IP地址：同目的IP地址一样，该地址可以从AH、ESP或者IP头的源IP地址域中得到。

（3）传输层协议：传输层协议可以从IPv4协议或者IPv6的下一个头域中得到。

（4）系统名：系统名可以是完整的DNS名或e-mail地址。

（5）用户ID：用户ID可以是完整的DNS用户名。

SPD中的每一个条目都包含一个或多个选择符、标志，该标志用于表明与条目中的选择符匹配的数据报是丢弃、还是进行IPSec处理。如果对数据包进行IPSec处理，则条目中必须包含一个指向SA内容的指针，该指针详细说明了用于匹配该条目的数据包所使用的IPSec协议、操作模式以及密码算法。选择符与数据通信流相匹配的第一个条目被应用到该通信中。如果没有发现匹配的条目，该通信数据包将被丢弃。因此，SPD中的条目应该按照应用程序希望的优先权排序。

SAD中包含现行的SA条目，每个SA包含三元组索引：SPI、源或目的的IP地址、IPSec协议。此外，每个SAD条目还包含下面的域：

（1）序列号计数器：一个32位整数，用于生成AH或者ESP头中的序列号域。

（2）序列号溢出：一个标志，该标识对序列号计数器的溢出进行审核；对于特定的SA，是否阻塞额外通信流的传输。

（3）抗重放窗口：使用一个32位计数器和位图确定一个输入的AH或者ESP数据包是否是一个重放包。

（4）AH认证密码算法和所需要的密钥。

（5）ESP认证密码算法和所需要的密钥。

（6）ESP加密算法，密钥，初始化向量。

（7）IPSec协议操作模式： AH和ESP通信应用哪种IPSec协议操作模式。

（8）SA生存：该域中包含一个时间间隔，另外还包含一个当该SA过期时是被替代还是终止的标识。

对于输入和输出的处理IPSec要分别存入SAD。对于输入或者输出通信，将搜索各自的SAD来查找与从数据包头域中解析出来的选择符相匹配的SPI、源或目的地址以及IPSec协议。如果找到一个匹配的条目，将该SA的参数与AH或ESP头中的域进行比较，若头域与数据库中的SA参数一致，就处理该数据包；若有任何差别，就丢弃该数据包；若没有SA条目与选择符相匹配，而且如果数据包是一个输入包，就将其丢弃；若数据包是输出的，则创建一个新的SA或者SA束，将其存入输出SAD中。

SA生存期有两种类型的限制：软限制和硬限制。当达到软限制时，通信的对等双方必须重新协商一个新的SA来代替已有的SA，而且已有的SA并不从数据库中删除，直到硬限制过期。在SAD中找到的第一个匹配条目将被应用于特定的SA关联的数据包的IPSec处理，这与在SPD中的查找一样。

3 IPSec协议的具体应用

通过把IPSec应用到在具体的TCP/IP网络环境下，可以实现网络的安全访问。

（1）端到端的安全访问

应用传输模式下的IPSec可以保证IP数据包在离开信源主机抵达信宿主机的整个过程中都是安全的（即需要端到端的安全访问）。离开信源主机的IP数据包都会受到ESP、AH、ESP和AH一起实施的安全保护，从而实现网络安全访问。前提条件是进行网络访问的通信双方（可以是主机、服务器或其它任何终端系统）必须都支持IPSec，这样任何一个需要安全保护的IP数据包在离开发送主机的时候，会经过IPSec处理在原本的IP数据包中插入一个ESP头（需要机密性安全服务）或AH头（不需要机密性安全服务）。当数据包到达接收端主机后，通过IPSec的处理可以去掉插入的ESP头或AH头。

（2）网关到网关的安全访问

目前企业构建VPN所选用最多方案中利用IPSec在IP层提供的安全服务，实现网络之间的安全访问。在网络体系结构中IP层传输性能好，它能够为VPN提供包括数据机密性、数据源验证、数据完整性以及抗重播攻击等安全服务。例如：一个地理位置分散的公司，各个部门都己经接入了Internet网络，现在公司不想另外花钱租用网络专线来搭建自己的企业内部网，又想获得企业内部网类似的网络通信效果。解决方式就是在公司不同的物理网络（处于不同地理位置的网络）之间搭建安全的虚拟通道，构建公司内部的虚拟专用网络VPN，这样各个部门可以进行安全的网络访问。

对于端到端的网络安全访问，IP数据包的加密和解密分别是由发送主机和接收主机来实现的，对于两个网关之间的IP数据包的加密和解密则是通过网关来实现的。

参考文献

[1] （美）Carlton R.Davis著.周勇彬， 冯登国等译.IPSec：VPN的安全实施. 清华大学出版社. 2012