IPSec传输模式/隧道模式下ESP报文的装包与拆包过程

IPSec协议：IPsec将IP数据包的内容先加密再传输,即便中途被截获,由于缺乏解密数据包所必要的密钥,攻击者也无法获取里面的内容。

传输模式和隧道模式：IPsec对数据进行加密的方式有两种:传输模式和隧道模式。传输模式只是对IP协议的数据部分(payload)进行了加密,而隧道模式则是对整个IP数据包进行加密,就好像整个IP数据包在一个安全的隧道里传输一样

ESP：Encapsulating Security Payloads,封装安全载荷协议,IPsec所支持的两类协议中的一种。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。另一种协议是AH（Authentication Headers）认证头协议

SA：SecurityAssociations,安全关联。SA是IPsec的重要概念,可以理解为被IPsec保护的某个连接的唯一标示。SA是单向的,即在一次安全的通信中,通信的两个方向(发送和接收)各需要创建一个SA。一个SA会包含很多的信息,而所有的SA都被存放在一个数据库中,称为SAD。

SD: Security Associations Database,安全关联数据库。每一个SA在SAD中都会有一个与之对应的条目 。一个SAD条目包含的内容有：顺序号计数器，顺序号溢出计数器，防回放窗口，SA有效期，AH协议中所使用的算法以及密钥，ESP协议用于认证以及完整性度量的算法，ESP协议用于加密数据的算法以及密钥，IPsec运行的模式以及两个通信设备间的传送数据包大小的最大上限。

通常一个SA可以由目的地址，IPsec所采用的协议（AH或ESP）和SPI来唯一确定。

SPI: Security Parameter Index,安全参数索引。用于将收到的IPsec数据包与其对应的SA 进行关联。

IPsec AH和ESP协议下报文封装后的结构：（注意：省略了mac部分）

IPsec ESP报文（传输模式）

装包过程:

1、在原IP报⽂文(包含IP、IP Datagram三部分)的末尾添加尾部(ESP Trailer)信息,
! 尾部包含三部分。由所选加密算法可能是块加密,那 么当最后⼀一块⻓长度不够时就需要进⾏行填充(padding),附上填充⻓长 度(Pad length)⽅方便解包时顺利找出⽤用来填充的那⼀一段数据。⽽而Next header则⽤用来标明被加密的数据报⽂文的类型,例如TCP

2、将IP Datagram部分以及第1步得到的ESP Trailer作为整体进⾏行加密,具体的加密算法与密钥由SA给出。

3、在第2步得到的加密数据添加ESP Header。ESP Header由两部分组成:SPI和 序号(Sequence number)。ESP Header位于IP之后。

4、将ESP Header和第2步得到的加密数据做⼀一个摘要,得到⼀一个完整性度量值(ESPMessage Authentication Code),并添加到ESP报⽂文的尾部。这样就得到了⼀一个完整的ESP数据报⽂文。

拆包过程:

1、接收⽅方收到数据报⽂文后,对除IP和ESP Message Authentication Code的部分计算摘要与ESP MAC进⾏行⽐比较,验证数据的完整性。假如⽐比对不同,可以断定所收到的报⽂文已经经过篡改了。
2、查看ESP Header,通过⾥里⾯面的SPI得到数据报⽂文所对应的SA;检查序列号,保证数据不是回放攻击。

3、根据SA所提供的加密算法与密钥,解密被加密算法加密过的部分(IP Datagram、ESPTrailer)。
4、根据ESP Trailer⾥里的填充⻓长度信息,可以找出填充字段的字段,删去后就能得到完整地IP Datagram

IPsec ESP报文（隧道模式）

装包过程:

1. 在原IP报文末尾添加尾部(ESP trailer)信息。如上图所示,尾部包含三部分。由所选加密算法可能是块加密,那么当最后一块长度不够时就需要进行填充(padding),附上填充长度(Pad length)方便解包时顺利找出用来填充的那一段数据。而Next header则用来标明被加密的数据报文的类型,例如TCP。

2. 将原IP报文以及第1步得到的ESP尾部作为一个整体进行加密。具体的加密算法与密钥由SA给出。

3. 为第2步得到的加密数据添加ESP头部。如上图所示,ESP头由两部分组成,SPI和序号(Sequence number)。加密数据与ESP头合称为“enchilada”。

4. 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。
5. 加上新的IP头。新构造的IP头附在ESP报文的前面组成一个新的IP报文。注意这个新的IP头的目的地址跟源地址可以不一样。协议类型为50,说明它里面装的是一个IPsec报文。

拆包过程:

1. 接收方收到数据报文后,发现协议类型是50,故知道这是一个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,如果一样的话说明数据是完整的。否则可以断定所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。

4.根据SA所提供的加密算法和密钥,解密被加密过的数据,即“enchilada”。得到原IP报文与ESP尾部(trailer)。

5. 根据ESP尾部里的填充长度信息,我们可以找出填充字段的长度,删去后就得到原来的IP报文。

6. 最后根据得到的原IP包的目的地址来进行转发。