IPsec IKEv1协议详解：工作原理与常见问题排查

IPsec IKEv1协议详解：工作原理与常见问题排查

IPsec IKEv1协议是建立虚拟专用网络（VPN）的关键技术，它通过互联网密钥交换（IKE）协议来协商并建立安全的站点到站点或远程访问VPN隧道。本文将详细介绍IKEv1协议的工作原理，包括其各个阶段的协商过程、数据包交换机制，以及常见问题的排查方法。

IPsec简介

IPsec（Internet Protocol Security）是一组在IP层为Internet通信提供安全保护的协议。目前，IPsec最常见的用途是在两个位置之间（网关到网关）或在远程用户与企业网络（主机到网关）之间提供虚拟专用网络（VPN）。

IKE协议概述

IPsec使用IKE协议来协商并建立安全的站点到站点或远程访问VPN隧道。IKE协议也称为互联网安全关联和密钥管理协议（ISAKMP）。IKE有两个版本：

• IKEv1：定义在RFC 2409（互联网密钥交换）
• IKE第2版（IKEv2）：定义在RFC 4306（互联网密钥交换协议）

IKE阶段

ISAKMP将协商分为两个阶段：

1. 第1阶段：两个ISAKMP对等体建立经过身份验证的安全隧道，保护ISAKMP协商消息。此隧道称为ISAKMP安全关联（SA）。ISAKMP定义了两种模式：主模式（MM）和主动模式。
2. 第2阶段：协商要通过IPsec隧道传输的数据加密（SA）的关键材料和算法。此阶段称为快速模式。

为了实现所有抽象概念，第1阶段隧道是父隧道，第2阶段是子隧道。下图以隧道形式说明两个阶段：

注意：第1阶段（ISAKMP）隧道保护两个网关之间的控制平面VPN流量。控制平面流量可以是协商数据包、信息包、DPD、keepalive、重新生成密钥等。ISAKMP协商使用UDP 500和4500端口建立安全信道。

注意：第2阶段（IPsec）隧道可保护在两个网关之间通过VPN的数据平面流量。用于保护数据的算法在第2阶段配置，并且独立于第1阶段中指定的算法。用于封装和加密这些数据包的协议是封装安全负载（ESP）。

IKE模式（第1阶段）

主模式

发起方向响应方发送建议或建议时，IKE会话开始。节点间的第一次交换建立基本的安全策略；发起方提出加密和认证算法供使用。响应方选择适当的建议书（假设已选择建议书）并将其发送给发起方。下一个交换传递Diffie-Hellman公钥和其他数据。所有进一步协商在IKE SA内加密。第三个交换机会验证ISAKMP会话。一旦建立IKE SA，IPSec协商（快速模式）就会开始。

积极模式

主动模式将IKE SA协商压缩成三个数据包，SA所需的所有数据都由发起方通过。响应方发送建议、密钥材料和ID，并在下一个数据包中验证会话。发起方回复并验证会话。协商速度更快，且发起方和响应方ID传递清晰。

IPsec模式（第2阶段）

快速模式

IPSec协商（或快速模式）类似于主动模式IKE协商，但协商必须在IKE SA中保护。快速模式协商用于数据加密的SA，并管理该IPSec SA的密钥交换。

IKE词汇表

• 安全关联（SA）：是在两个网络实体之间建立共享安全属性以支持安全通信。SA包括加密算法和模式等属性；流量加密密钥；以及用于要通过连接传递的网络数据的参数。
• 处理供应商ID（VID）：以确定对等体是否支持NAT穿越、失效对等体检测功能和分段等。
• 随机数（Nonce）：发起方发送的随机生成的数字。此随机数连同使用商定密钥的其他项目一起散列并发送回。发起方会检查cookie和nonce，并拒绝没有正确nonce的任何消息。这有助于防止重播，因为没有任何第三方能够预测随机生成的随机随机事件是什么。
• Diffie-Hellman（DH）安全密钥交换过程的密钥交换（KE）信息。
• 身份发起方/响应方（IDi/IDr）：用于向对等体发送身份验证信息。此信息在公用共享密钥的保护下传输。
• Diffie-Hellman（DH）密钥交换：是在公共信道上安全交换加密算法的方法。
• IPSec共享密钥：可以派生，DH可以再次使用，以确保完全向前保密（PFS）或原始DH交换刷新为先前派生的共享密钥。

主模式数据包交换

每个ISAKMP数据包都包含用于建立隧道的负载信息。IKE词汇表将IKE缩写说明为主模式的数据包交换的负载内容的一部分。

主模式1（MM1）

要设置ISAKMP协商的条款，需要创建ISAKMP策略，包括：

• 一种身份验证方法，用于确保对等体的身份。
• 一种加密方法，用于保护数据并确保隐私。
• 散列消息身份验证代码（HMAC）方法，用于确保发送方的身份，并确保消息在传输过程中未被修改。
• Diffie-Hellman组，用于确定加密密钥确定算法的强度。安全设备使用此算法获取加密密钥和散列密钥。
• 对安全设备在更换加密密钥之前使用加密密钥的时间的限制。

第一个数据包由IKE协商的发起方发送。

注意：主模式1是IKE协商的第一个数据包。因此，当响应方SPI设置为0时，发起方SPI设置为随机值。在第二个数据包（MM2）中，响应方SPI必须使用新值进行响应，并且整个协商保持相同的SPI值。

如果捕获MM1并使用Wireshark网络协议分析器，则SPI值在Internet安全连接和密钥管理协议内容中。

注意：如果路径中MM1数据包丢失或没有MM2应答，则IKE协商会保留MM1重新传输，直到达到最大重新传输次数为止。此时，发起方保持相同的SPI，直到再次触发下一次协商。

提示：识别发起方和响应方SPI对于识别同一VPN的多个协商以及缩小某些协商问题的范围非常有用。

确定两个同时进行的协商

在Cisco IOS XE平台上，可以使用配置的远程IP地址的条件按隧道过滤调试。但是，同步协商会显示在日志中，并且无法对其进行过滤。需要手动执行。如前所述，整个协商为发起方和响应方保留相同的SPI值。如果从同一对等体IP地址收到数据包，但SPI与协商达到最大重新传输次数之前跟踪的上一个值不匹配，则这是同一对等体的另一个协商。

注意：该示例显示协商中的第一个数据包（MM1）的同时协商。但是，这可以在任何协商点发生。所有后续数据包必须在响应方SPI上包含与0不同的值。

主模式2（MM2）

在主模式2数据包中，响应方为匹配的提议发送所选策略，并且响应方SPI设置为随机值。整个协商保持相同的SPI值。MM2回复MM1，SPI响应器设置为与0不同的值。

如果捕获MM2并使用Wireshark网络协议分析器，则发起方SPI和响应方SPI值在Internet安全连接和密钥管理协议内容中。

主模式3和4（MM3-MM4）

MM3和MM4数据包仍未加密且未经身份验证，并且会进行密钥交换。MM3和MM4如图所示：

主模式5和6（MM5-MM6）

MM5和MM6数据包已加密，但仍未经身份验证。在这些数据包上，身份验证按图中所示进行：

快速模式（QM1、QM2和QM3）

在主节点和IKE在第1阶段建立安全隧道后出现快速模式。快速模式协商共享IPSec策略，用于IPSec安全算法，并管理IPSec SA建立的密钥交换。随机数用于生成新的共享密钥材料，并防止来自生成的伪造SA的重播攻击。

如图所示，在此阶段交换三个数据包：

主动模式数据包交换

主动模式将IKE SA协商压缩为三个数据包，SA所需的所有数据都由发起方通过。

• 响应方发送建议、密钥材料和ID，并在下一个数据包中验证会话。
• 发起方回复并验证会话。
• 协商速度更快，且发起方和响应方ID传递清晰。

下图显示在主动模式下交换的三个数据包的负载内容：

主模式与主动模式

与主模式相比，主动模式可分为三个包：

• AM 1吸收MM1和MM3。
• AM 2吸收MM2、MM4和MM6的一部分。这就是攻击性模式的漏洞的来源。AM 2组成ID和身份验证未加密。与主模式不同，此信息是加密的。
• AM 3提供ID和身份验证。这些值已加密。

IKEv2与IKEv1数据包交换

在IKEv2协商中，为建立隧道而交换的消息更少。IKEv2使用四个消息；IKEv1使用六个消息（在主模式下）或三个消息（在主动模式下）。

IKEv2消息类型定义为请求和响应对。下图显示了IKEv2与IKEv1的数据包比较和负载内容：

注意：本文档不深入探讨IKEv2数据包交换。有关更多参考，请导航到IKEv2数据包交换和协议级别调试。

基于策略与基于路由

基于策略的VPN

如名称所述，基于策略的VPN是IPsec VPN隧道，对符合策略匹配条件的传输流量执行策略操作。对于Cisco设备，会配置访问列表（ACL）并将其附加到加密映射，以指定要重定向到VPN并加密的流量。

流量选择器是在策略中指定的子网或主机，如图所示：

基于路由的VPN

不需要策略。流量被重定向到具有路由的隧道，并支持通过隧道接口进行动态路由。默认情况下，流量选择器（通过VPN加密的流量）为0.0.0.0到0.0.0.0，如图所示：

注意：由于流量选择器为0.0.0.0，因此中包含任何主机或子网。因此，仅创建一个SA。动态隧道例外。本文档不介绍动态隧道。

基于策略和路由的VPN可以具体化，如图所示：

注意：与仅创建一个SA的基于路由的VPN不同，基于策略的VPN可以创建多个SA。配置ACL后，ACL上的每条语句（如果它们不同）都会创建子隧道。

无法通过VPN接收流量的常见问题

ISP阻止UDP 500/4500

互联网服务提供商（ISP）阻止UDP 500/4500端口是一个非常常见的问题。对于IPsec隧道的建立，可以采用两个不同的ISP。其中一个可以阻塞端口，另一个允许阻塞。

下图显示了ISP只能在一个方向上阻止UDP 500/4500端口的两个场景：

注意：互联网密钥交换（IKE）使用端口UDP 500建立安全VPN隧道。当NAT存在于一个VPN终端中时，使用UDP 4500。

注意：当ISP阻止UDP 500/4500时，IPsec隧道建立会受到影响，它不会启动。

ISP阻止ESP

IPsec隧道的另一个非常常见的问题是ISP阻止ESP流量；但它允许UDP 500/4500端口。例如，允许UDP 500/4500端口双向传输。因此，隧道已成功建立，但ISP或ISP在两个方向上都阻止了ESP数据包。这会导致通过VPN的加密流量失败，如图所示：

注意：当ISP阻止ESP数据包时，IPsec隧道建立是成功的，但已加密的流量将受到影响。VPN启动时可以反映这一点，但流量无法通过该接口工作。

提示：ESP流量仅在一个方向被阻止的场景也可能出现。症状相同，但使用隧道统计信息、封装、解封计数器或RX和TX计数器可以轻松找到它。