IPsec之IKE协商过程详解

IPsec之IKE协商过程详解
IKE第一阶段

IKE的精髓在于它永远不在不安全的网络上直接传送密钥，而是通过一系列的计算，双方最终计算出共享密钥，并且即使第三方截获了交换中的所有数据，也无法计算出真正的密钥。其中的核心技术就是DH交换算法。

IKE协商第一阶段，参与通信的双方会生成4个秘密：

SKEYID：后续三个都建立在它的基础上，由它推算出。

SKEYID_d：用于为ipsec衍生出加密的材料。

SKEYID_a：用来为IKE消息保障数据的完整性以及对数据源的身份进行验证。

SKEYID_e：为后续的IKE协商及IPSEC SA协商进行加密。

SKEYID的生成取决于使用哪种验证算法，常用的有
1）预共享密钥
2）证书（数字签名）

主模式采用三次交换，共交换6条信息

在消息发送之前，协商发起者和响应者必须计算产生cookie，用于唯一标识每个单独的协商交换，cookie使用源/目的ip地址、随机数字、日期和时间进行MD5计算得出，并且会被放入消息1的ISAKMP头中，用于标识一个单独的协商交换。

预共享密钥

1）消息1和消息2：策略协商，交换双方的cookie和SA载荷。

消息1：协商发起者在SA载荷中携带协商IKE SA的各项参数（5元组），包括IKE的散列类型、加密算法、认证方法、DH组、SA存活期。

消息2：响应者查看IKE策略消息，在本地寻找与之匹配的策略，找到后发回一条消息去响应。

第一次交换后，通信双方生成用于产生DH共享密钥的DH值。生成方法是双方各自使用一个随机数字，通过DH算法对随机数字进行计算得出一个DH值Xa和Xb，然后双方再根据DH算法各得出一个伪随机值值Ni和Nr。

2）消息3和消息4：DH交换和伪随机值nonce交换

这一过程中，双方交换Xa和Xb，并通过交换所得的对方的DH值（Xa或Xb）与自己计算的随机值（Ni或Nr）进行运算就可以得到一个只有双方知道的共享秘密。

此共享秘密并不进行传输，传输的是DH值，即使被第三方截获了也无法计算出共享秘密。

第二次交换后，生成密钥SKEYID，SKEYID_d，SKEYID_a，SKEYID_e所需的各种材料都已被交换或计算出来，就可以得出这些密钥。

3）消息5和消息6：双方身份验证

第三次交换对标识载荷和散列载荷进行交换，标识载荷包含了发起者的标识信息，IP地址或者主机名（根据IP可以采用主模式或野蛮模式，如果是主机名则只能采用野蛮模式）。散列载荷包含对上一过程中产生的三组密钥进行hash运算得出的值。这两个载荷使用SKEYID_e进行加密。交换后如果双方散列载荷中的hash值相同，那么双方认证成功。IKE第一阶段主模式共享密钥方式交换也就完成了。

证书（数字签名）

如果是采用证书认证方式，不同的是SKEYID的计算公式和第三阶段的交换方式。下面说一下主模式第三次交换中消息负载的发送：

证书方式下第三次交换的消息比预共享密钥的消息多两个载荷：

签名载荷：使用自己的私钥加密部分消息的hash值，然后使用SKEYID_e加密发送给对方；

证书载荷：将自己的证书使用SKEYID_e加密后发送给对方。

野蛮模式仅交换3个消息

野蛮模式协商过程中，第1条消息发起者发送5元组，DH公共值（上文中的Xa或Xb），随机值nonce（上文中的Ni或Nr）以及身份资料。第2条消息响应者回应一个选定的5元组，DH公共值，nonce，身份材料以及一个验证载荷：对于预共享密钥来说是一个散列载荷，对于证书认证来说是一个签名载荷。第3条消息发起者发送一个验证载荷。

主模式和野蛮模式对比

野蛮模式由于在第一个消息中就携带了身份信息，本身无法对此进行保护，降低了协商的安全性，但也因此使其不依赖于ip地址身份标识，有了更多的灵活应用。

1）对等体标识：主模式只能采用ip地址方式标识对等体，而野蛮模式可以采用ip地址或name；

2）NAT支持：主模式不支持NAT转换，野蛮模式支持。

3）野蛮模式传输的消息少，效率更高。

IKE第二阶段

无论第一阶段采用哪种模式，其目的都是进行身份认证并为第二阶段的交换提供保护。第二阶段的目的是生成ipsec SA.采用快速模式，交换3个消息。

快速模式使用SKEYID_a保障数据的完整性以及对数据源的身份进行验证；使用SKEYID_e整个协商过程进行加密。需要协商出SA的各项特征。快速模式需要从SKEYID_d中衍生出用于生成ipsec SA的密钥。

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