IPSec穿越NAT的解决方法


UDP封装 当使用传输模式传送报文时，如果在传 输中IP头部发生变化，TCP或UDP头部将 包含错误的校验和,根据本地策略必须完 成以下任务之一。 在实现中可以对被NAT破坏的包含协议 进行修正。传输模式、隧道模式下ESP封 装的报文格式如图所示
IPsec的传输模式与隧道模式
IP head-n AH head ESP head IP head payload

隧道模式


Internet 主机 A 数据 加密后的数据 A B 数据 IP分组 (1)传输模式 Internet 主机 A IP分组 数据 A B A B 数据 LAN系统① 隧道
SPD:Security Policy Database (安全策略数据库)



可部署 协议兼容性 方向性 远程访问 防火墙兼容性 可扩展性 模式支持 后向兼容和互操作性 安全性
2、IPSec中的安全组合（SA）



需求：认证、加密算法及其参数、密钥 SA：为使通信双方的认证/加密算法及其参数、密钥的一致， 相互间建立的联系被称为安全组合或安全关联（Security Association）。由于SA是单向的，因此在双向通信时要建立 两个SA。对于某一主机来说，某个会话的输出数据和输入数据 流需要两个独立的SA。 SA是通过密钥管理协议在通信双方之间进行协商，协商完毕后， 双方都在它们的安全关联数据库（SAD）中存储该SA参数。 SA由一个三元组唯一地标识，该三元组为安全索引参数SPI、 一个用于输出处理的目的IP地址（或用于输入处理的源IP地址） 和协议（如AH或ESP）。
ESP尾标
ESP认证数据
ESP认证数据
IPSec穿越NAT的解决方法

编辑IP头中的总长字段、协议字段以 及校验和字段，使之与所得的报文相 匹配
穿越NAT对IPSec的影响



IPSec-NAT兼容性的安全考虑 IKE协商的安全考虑 UDP封装的安全考虑
IANA考虑
穿越NAT对IPSec的影响
ESP处理

进入处理




若IP分组分片，先重组 使用目的IP地址、IPSec协议、SPI进入SAD索引 SA，如果查找失败，则丢弃分组 使用分组的选择符进入SPD中查找与之匹配的策略， 根据策略检查该分组是否满足IPSec处理要求 检查抗重播功能 如SA指定需要认证，则检查数据完整性 解密


序列号（Sequence Number Field）：单调增加的32位无 符号整数，利用该域抵抗重发攻击（Replay Attack）。 认证数据（Authentication Data Variable）：是一个长度 可变的域，长度为32比特的整数倍。具体格式因认证算法而 异 。该认证数据也被称为数据报的完整性校验值（ICV）。


地址的修改使得接收端的AH认证失败 上层信息（端口号、校验和）的加密，使端口无法 得知，校验和验证失败 针对ESP问题，IETF的解决方案：在ESP头标前插 入一个UDP头标
IPSec穿越NAT存在的兼容性问题

NAT固有的问题 NAT实现方面的问题 辅助功能引入的问题


IPSec穿越NAT的兼容性要求

6、IPSec隧道模式的应用-VPN




VPN（ Virtual Private Networks ）虚拟专网 在虚拟专网中，任意两个节点之间的连接并没有传统 专网所需的端到端的物理链路，而是利用某种公众网 的资源动态组成的。 IETF草案理解基于IP的VPN为："使用IP机制仿真出 一个私有的广域网“ 是通过隧道技术在公共数据网络上仿真一条点到点的 专线技术。 所谓虚拟，是指用户不再需要拥有实际的专用线路， 而是使用Internet公共线路。所谓专用网络，是指用 户可以为自己制定一个最符合自己需求的网络。 IPSec VPN就是利用IPSec技术在Internet上建立的 VPN

安全参数索引（Security Parameters Index）：此32比特和目的（或源） IP地址、IPSec协议（AH或ESP）组合即可确定SA，以确定采用的IPSec 协议、操作模式、密码算法、密钥等。当建立新SA时，SPI的产生由目的 系统选择。
认证范围（IP头标中可变域除外） IP头标 AH头标 TCP/UDP头标 净荷（用户数据） （传输模式） 下一个头标（8） 净荷长度（8） SPI[安全参数索引（32比特）] 序列号 认证数据[长度可变（32比特的整数倍）] 保留（16）
IKE协商 在阶段l协商中，需要针对NAT执行2种探测： 探测是否支持NAT穿越； 探测在通信路径中是否存在NAT。 NAT可能会改变IKEUDP的源端口，因而接收 方必须能处理源端口不是500的IKE报文。

IPSec穿越NAT的解决方法

UDP封装 在进行UDP封装时，要进行一些辅助处 理。当使用隧道模式传送报文时，内部 IP头中会包含不适合当前网络的地址
虚拟专网的用途
The Internet
背景：
实现： 通过隧道技术（协 议）和一些认证、 加密机制，实现跨 越Internet的互连
跨国（地区）公司 分支机构的LAN互连
谢谢！
安全参数索引（SPI）


SPI是为了唯一标识SA而生成的一个32位整数。包含 在AH头标和ESP头标中，其值1～255被IANA留作将 来使用，0被保留，目前有效的值为256～232－1 有了SPI，相同源、目的节点的数据流可以建立多个 SA
安全关联数据库（SAD）

SAD包含现行的SA条目，每个SA由三元组索引，一个SAD 条目包含下面域：Байду номын сангаас
I P v 4 分 组 <原IPv4分组> 原IP头标 TCP头标 数据
①加上AH头标后的IPv4分组 原IP头标 AH头标 TCP头标 数据 传 认证范围(IP头标中可变域除外) 输 ESP净荷 模 ②加上ESP后的IPv4分组 式 原IP头标 ESP头标 TCP头标 数据 加密范围 认证范围 ①加上AH头标后的IPv4分组 新IP头标 AH头标 原IP头标 TCP头标 数据 隧 认证范围(新IP头标中可变域除外) 道 ESP净荷 模 ②加上ESP后的IPv4分组 式 新IP头标 ESP头标 原IP头标 TCP头标 数据 ESP尾标 加密范围 认证范围
IPSec-NAT兼容性的安全考虑 IKE协商的安全考虑 UDP封装的安全考虑 IANA考虑

穿越NAT对IPSec的影响
IPSec-NAT兼容性的安全考虑 IKE协商的安全考虑 UDP封装的安全考虑 IANA考虑

穿越NAT对IPSec的影响
IPSec-NAT兼容性的安全考虑 IKE协商的安全考虑 UDP封装的安全考虑 IANA考虑
加密头标ESP



ESP提供数据保密、无连接完整性、抗 重播服务 ESP大都采用对称密码体制加密数据， 这是因为公钥密码系统的运算量要比对 称密钥系统大得多 ESP使用消息认证码（MAC）提供认证 服务
加密头标
认证范围 ESP净荷 IP头标 ESP头标 TCP/UDP头标 净荷 （用户数据） 加密范围 SPI[安全参数索引（32比特）] 序列号（32比特） 净荷数据（变长） ESP尾标 ESP （认证数据）
IPSec穿越NAT介绍
赵有星 中国海洋大学
主要内容
1. 2. 3. 4. 5.
6.
IPSec介绍及存在问题 IPSec中的安全组合（SA） 认证头标AH与加密头标ESP IPSec的传输模式与隧道模式 IPSec穿越NAT的解决方法及其影响 IPSec隧道模式的应用-VPN
IPSec 介绍

IPSec（IP Security）是Internet的网络 层安全协议，于1995年8月发布IPSec 1.0， 1998年11月发布了IPSec 2.0，同时支持 IPv4和IPv6，它规定了：
IP分组的头标 (源地址A目的地址B) 主机 A B B
主机 网 关 x (SPD) 数据 A B X Y X Y A B 数据 网 关 Y (SPD) 加密后的数据 原IP分组头标 网关间用的新IP头标 LAN系统② 数据 A B A B 数据 B
(2)隧道模式
5、IPSec穿越NAT的解决方法
~ ~
填充（0～255字节） 填充长度（8比特） 认证数据（变长） 下一个头标（8比特）
ESP处理

外出处理



使用分组的相应选择符（目的IP地址、端口、传输 协议等）查找安全策略数据库（SPD）获取策略， 如分组需要IPSec处理，且其SA已建立，则与选择 符相匹配的SPD项将指向安全关联数据库中的相应 SA，否则则使用IKE建立SA。 生成或增加序列号 加密分组，SA指明加密算法，一般采用对称密码算 法 计算完整性校验值
4、IPSec的传输模式与隧道模式

传输模式 IP head

AH head
ESP head
payload
在传输模式中，AH和ESP头标被插在IP头标及其他选项 （或扩展头标）之后，但在传输层协议之前。它保护净 荷的完整性和机密性。
在隧道模式下，AH或ESP头标插在IP头标之前，另外生 成一个新的IP头放在前面，隧道的起点和终点的网关地 址就是新IP头的源/目的IP地址。 保护整个IP分组
3、认证头标AH


AH协议提供无连接的完整性、数据源认 证和抗重放保护服务 不提供保密性服务 AH使用消息认证码（MAC）对IP进行 认证
认证头标
认证范围（IP头标中可变域除外） IP头标 AH头标 TCP/UDP头标 净荷（用户数据） （传输模式） 下一个头标（8） 净荷长度（8） SPI[安全参数索引（32比特）] 序列号 认证数据[长度可变（32比特的整数倍）] 保留（16）