网络安全协议（1）

网络安全协议

　　TCP/IP协议族在设计时并没有考虑到安全性问题，信息在传输过程中的安全性无法保证，接收方无法确认发送方的身份，也无法判定接收到的信息是否与原始信息相同。

　　因此，网络安全研究人员在链路层、网络层和传输层开发了相应的安全补充协议，期望在各个层次上分别达到保密性、完整性和不可抵赖性的安全目标。802.1X和EAP协议用于在链路层上实现发送方身份认证，IPSec和SSL分别在网络层和传输层利用密码技术实现了三个基本安全目标，802.11i协议族定义无线局域网WLAN的加密和完整性检测机制。

802.1X

　　IEEE 802.1X运行于网络中的链路层，既可以是以太网LAN，也可以是无线以太网WLAN，具有完备的用户认证和管理功能，基于C/S方式实现访问控制和身份认证，在认证通过之前，802.1X只允许EAPOL报文通过交换机端口，只有认证通过后，用户访问网络的报文才可以通过以太网端口。

802.1X协议的主要特点：

　　（1）链路层协议，不需要到达网络层；

　　（2）使用扩展认证协议EAP实现身份认证，提供了良好的扩展性和适应性，实现了PPP认证的兼容；

　　（3）采用“可控端口”和“不可控端口”的逻辑功能，从而可以实现数据与认证的分离，由不可控的逻辑端口完成对用户的认证与控制，数据报文通过可控端口进行交换，通过认证之后的报文无须封装；

　　（4）可以映射不同的用户认证等级到不同的VLAN；

　　（5）可以使用交换端口和无线LAN具有安全的认证接入功能。

802.1X协议具体工作流程：

　　（1）用户开启802.1X客户端，输入已经申请和登记的用户名和口令，发起连接请求，客户端发出请求认证的链路层帧，启动认证过程；

　　（2）交换机收到请求认证帧后，响应一个请求帧，要求客户端提供用户名；

　　（3）客户端将包含用户名信息的数据帧发送给交换机，交换机将该帧封装处理后发送给认证服务器；

　　（4）认证服务器收到帧后，与数据库中的用户信息比较，获取该用户对应的口令信息，然后使用随机生成的加密密钥对它进行加密处理，同时也将该加密密钥发送给交换机，由交换机转发给客户端；

　　（5）客户端收到由交换机转发的加密密钥后，用该密钥对口令进行加密，并通过交换机转发给认证服务器；

　　（6）认证服务器将收到的加密口令和第（4）步计算的加密口令信息进行对比，如果相同，则认为该用户为合法用户，发送认证通过的消息，并向交换机发出打开端口的指令，允许用户访问网络；否则，发送认证失败的消息，保持交换机端口的关闭状态，只允许EAPOL认证信息通过。

Tips:

　　当受控的交换机端口变为授权状态并允许访问网络后，连接在该端口的所有终端都可以访问网络，这并不符合接入控制的要求，解决该问题的方法是基于MAC的访问控制列表ACL，将每个端口与MAC地址绑定即可。

IPSec

　　IPSec协议，也称为IP安全协议，是在IP层增加的安全补充协议，通过额外的报文头部信息实现。它包括三个方面：认证、保密和密钥管理。

　　优点：

　　（1）在路由器和防火墙中使用IPSec时，可以对通过边界的信息流提供强安全性。

　　（2）位于传输层之下，对所有的应用透明，即无论终端是否使用IPSec，对上层软件和应用没有影响。

　　（3）对终端用户透明，不需要对用户进行安全机制的培训。

　　（4）可以给个人用户提供安全性。

　　下表1-1列出了IPSec包含的所有协议族，其中最重要的三个协议分别为鉴别头部协议（AH）、封装安全载荷协议（ESP）和密钥交换协议（IKE）。

RFC	内容
2401	IPSec体系结构
2402	AH协议
2403	HMAC-MD5-96在AH和ESP中的应用
2404	HMAC-SHA-1-96在AH和ESP中的应用
2405	DES-CBC在ESP中的应用
2406	ESP协议
2407	IPSec DOI
2408	ISAKMP协议
2409	IKE协议
2410	NULL加密算法及其在IPSec中的应用
2411	IPSec文档路线图
2412	OAKLEY协议

表 1?1 IPSec协议族

　　IPSec存在两种运行模式：传输模式和隧道模式。传输模式保护IP报文的内容，一般用于两台主机之间的安全通信。隧道模式保护整个IP报文，当通信一方是外部网关时，通常使用隧道模式，可以用来隐藏内部主机的IP地址。

AH协议

　　AH协议提供数据完整性保护和发送方身份验证，使用HMAC消息认证机制，IPSec包括两种HMAC算法，即HMAC-MD5-96和HMAC-SHA-1-96，AH验证整个IP报文信息，不提供加密服务，当报文验证失败时，将丢弃报文，不会转发给上层协议解密。

AH协议字段位置

　　AH协议在IP头部的协议字段中标记为51。

　　传输模式：

　　　　AH报文在IP头部和数据之间插入。每个实现传输模式的主机无法使用私有地址，必须安装IPSec协议，因此AH协议对终端用户不透明。

　　隧道模式：

　　　　AH报文在外层IP头部和隧道数据（原始IP头部和数据）之间插入。内网所有用户可以透明享受安全网关提供的IPSec服务。

AH协议的报文格式和字段含义

　　（1）下一个头部：表示AH封装的协议报文类型，如果是传输模式，从IP头部的协议字段中复制，如6（TCP）、17（UDI）或50（ESP），如果是隧道模式，该值为4。

　　（2）认证头部长度：以32位为单位的AH总长度，实际长度为总长度减2。

　　（3）安全参数索引SPI：接收方根据SPI、源IP地址和IP头部中的协议类型值确定相应的接收SA（两个主机之间经过协商建立的一种协定，定义众多参数信息）。

　　（4）认证数据：消息认证码，其生成算法由SA指定。

　　（5）序号：单调递增的计数器，用于防止重放攻击。

AH认证原理

　　认证数据时覆盖的字段：

　　　　（1）IP头部中无须改变的字段，如源和目标IP，而TTL之类的字段不做认证；

　　　　（2）AH中除了认证数据外的其他5个字段值；

　　　　（3）IP报文的数据部分。

　　如果攻击者在传输过程中篡改了某个覆盖的字段值，接收方重新计算得到的认证数据与AH中的认证数据不会相同，即可确定该报文被篡改过。

Tips

　　如果内网用户经过NAT转换，那么接收方会报告AH验证失败，因此AH无法与NAT共存。

ESP协议

　　ESP协议提供数据完整性验证和发送方身份认证的原理与AH相同，但是ESP计算认证数据时覆盖的字段较少，仅包括ESP头部、数据部分和ESP尾部。另外，ESP还提供加密功能，采用对称加密算法，常用加密算法是3DES。

ESP协议字段位置

　　ESP协议在IP头部的协议字段的标记是50。

　　传输模式：

　　　　ESP头部在IP头部和数据之间插入，ESP尾部和消息认证码添加在原始IP报文数据的尾部。

　　隧道模式：

　　　　ESP头部在外层IP头部和内层IP头部之间插入，ESP尾部和消息认证码添加在原始IP报文数据的尾部。

ESP协议的报文格式和字段含义

　　ESP头部包括安全参数索引（SPI）和序列号，ESP尾部包括填充项、填充长度和下一个头部字段：

　　（1）SPI：32位标识符，用来确定相应的接收SA。

　　（2）序号：单调递增的计数器。

　　（3）填充项：可选字段，一是为了对齐加密数据，填充到4字节边界；二是在加密数据时，保证数据加上ESP尾部的长度是分组加密的分组长度的整倍数。

　　（4）填充长度：指定填充项包括几字节，范围为0到255。

　　（5）下一个头部：表示ESP封装的协议报文类型。

　　（6）消息认证码：ESP计算认证数据时生成的消息认证码。

Tips

　　在隧道模式，ESP加密运算覆盖整个内层IP报文，外层IP头部既不加密也不验证，不加密是因为路由器需要外层IP进行路由选择，不验证是使得ESP可以适用NAT转换，所以ESP不像AH那样会与NAT服务冲突。

　　AH和ESP协议可以嵌套使用，首先用ESP对原始报文进行加密，然后用AH进行完整性计算，即把AH头插入IP头部和ESP头部之间，接收方首先进行完整性验证，然后再进行解密。

协议	传输模式	隧道模式
AH	认证IP数据、IP头部的一部分	认证内层IP报文、外层IP头部的一部分
不带认证的ESP	加密IP数据和ESP尾部	加密内层IP报文和ESP尾部
带认证的ESP	除加密外，认证ESP头部、数据和ESP尾部	除加密外，认证ESP头部、数据和ESP尾部