IPSec基础（三）——密钥交换和密钥保护

Internet密钥交换（IKE）
　　两台IPSec计算机在交换数据之前，必须首先建立某种约定，这种约定，称为"安全关联"，指双方需要就如何保护信息、交换信息等公用的安全设置达成一致，更重要的是，必须有一种方法，使那两台计算机安全地交换一套密钥，以便在它们的连接中使用。见图七。
　　
　　　　　　　　　
　　
　　　　　　　　　　　　　图七　Internet密钥交换
　　
　　Internet 工程任务组IETF制定的安全关联标准法和密钥交换解决方案--IKE（Internet密钥交换）负责这些任务，它提供一种方法供两台计算机建立安全关联 (SA)。SA 对两台计算机之间的策略协议进行编码，指定它们将使用哪些算法和什么样的密钥长度，以及实际的密钥本身。IKE主要完成两个作用：
　　
　　·安全关联的集中化管理，减少连接时间
　　·密钥的生成和管理
　　
　　一、什么是SA？
　　
　　安全关联SA（Security Association）是单向的，在两个使用 IPSec的实体（主机或路由器）间建立的逻辑连接，定义了实体间如何使用安全服务（如加密）进行通信。它由下列元素组成：1）安全参数索引SPI；2）IP目的地址；3）安全协议。
　　
　　SA是一个单向的逻辑连接，也就是说，在一次通信中，IPSec 需要建立两个SA，一个用于入站通信，另一个用于出站通信。若某台主机，如文件服务器或远程访问服务器，需要同时与多台客户机通信，则该服务器需要与每台客户机分别建立不同的SA。每个SA用的SPI索引标识，当处理接收数据包时，服务器根据SPI值来决定该使用哪种SA。
　　
　　二、第一阶段SA（主模式SA，为建立信道而进行的安全关联）
　　
　　IKE建立SA分两个阶段。第一阶段，协商创建一个通信信道（IKE SA），并对该信道进行认证，为双方进一步的IKE通信提供机密性、数据完整性以及数据源认证服务；第二阶段，使用已建立的IKE SA建立IPsec SA。分两个阶段来完成这些服务有助于提高密钥交换的速度。 第一阶段协商（主模式协商）步骤：
　　
　　1．策略协商，在这一步中，就四个强制性参数值进行协商：
　　
　　1）加密算法：选择DES或3DES
　　2）hash算法：选择MD5或SHA
　　3）认证方法：选择证书认证、预置共享密钥认证或Kerberos v5认证
　　4）Diffie-Hellman组的选择
　　
　　2．DH交换
　　
　　虽然名为"密钥交换"，但事实上在任何时候，两台通信主机之间都不会交换真正的密钥，它们之间交换的只是一些DH算法生成共享密钥所需要的基本材料信息。DH交换，可以是公开的，也可以受保护。在彼此交换过密钥生成"材料"后，两端主机可以各自生成出完全一样的共享"主密钥"，保护紧接其后的认证过程。
　　
　　3．认证 DH交换需要得到进一步认证，如果认证不成功，通信将无法继续下去。"主密钥"结合在第一步中确定的协商算法，对通信实体和通信信道进行认证。在这一步中，整个待认证的实体载荷，包括实体类型、端口号和协议，均由前一步生成的"主密钥"提供机密性和完整性保证。
　　
　　三、第二阶段SA（快速模式SA，为数据传输而建立的安全关联）
　　
　　这一阶段协商建立IPsec SA，为数据交换提供IPSec服务。第二阶段协商消息受第一阶段SA保护，任何没有第一阶段SA保护的消息将被拒收。
　　
　　第二阶段协商（快速模式协商）步骤：
　　
　　1．策略协商，双方交换保护需求：
　　
　　·使用哪种IPSec协议：AH或ESP
　　·使用哪种hash算法：MD5或SHA
　　·是否要求加密，若是，选择加密算法：3DES或DES 在上述三方面达成一致后，将建立起两个SA，分别用于入站和出站通信。
　　
　　2．会话密钥"材料"刷新或交换
　　
　　在这一步中，将生成加密IP数据包的"会话密钥"。生成"会话密钥"所使用的"材料"可以和生成第一阶段SA中"主密钥"的相同，也可以不同。如果不做特殊要求，只需要刷新"材料"后，生成新密钥即可。若要求使用不同的"材料"，则在密钥生成之前，首先进行第二轮的DH交换。
　　
　　3．SA和密钥连同SPI，递交给IPSec驱动程序。
　　
　　第二阶段协商过程与第一阶段协商过程类似，不同之处在于：在第二阶段中，如果响应超时，则自动尝试重新进行第一阶段SA协商。
　　
　　第一阶段SA建立起安全通信信道后保存在高速缓存中，在此基础上可以建立多个第二阶段SA协商，从而提高整个建立SA过程的速度。只要第一阶段SA不超时，就不必重复第一阶段的协商和认证。允许建立的第二阶段SA的个数由IPSec策略属性决定。