#干货满满#IPSecVPN学习

指采用IPSec协议来实现远程接入的一种VPN技术，IPSec全称为Internet Protocol Security，是由Internet Engineering Task Force (IETF) 定义的安全标准框架，在公网上为两个私有网络提供安全通信通道,通过加密通道保证连接的安全——在两个公共网关间提供私密数据封包服务
IPSEC是一套比较完整成体系的VPN技术，它规定了一系列的协议标准。

VPN作为一项成熟的技术，广泛应用于组织总部和分支机构之间的组网互联，其利用组织已有的互联网出口，虚拟出一条“专线”，将组织的分支机构和总部连接起来，组成一个大的局域网。

VPN用户访问内网资源还需为拨入到UTM25的用户分配一个虚拟的私有IP，使SSL VPN客户端的用户可以像局域网用户一样能正常访问局域网内的资源。 [1]

导入协议原因

导入IPSEC协议，原因有2个，一个是原来的TCP/IP体系中间，没有包括基于安全的设计，任何人，只要能够搭入线路，即可分析所有的通讯数据。IPSEC引进了完整的安全机制，包括加密、认证和数据防篡改功能。

另外一个原因，是因为Internet迅速发展，接入越来越方便，很多客户希望能够利用这种上网的带宽，实现异地网络的的互连通。

IPSEC协议通过包封装技术，能够利用Internet可路由的地址，封装内部网络的IP地址，实现异地网络的互通。

包封装协议

设想实现一种通讯方式。假定发信和收信需要有身份证（成年人才有），儿童没有身份证，不能发信收信。有2个儿童，小张和小李，他们的老爸是老张和老李。现在小张和小李要写信互通，怎么办？

一种合理的实现方式是：小张写好一封信，封皮写上 "小张-->小李", 然后给他爸爸，老张写一个信封，写上“老张-->老李”，把前面的那封信套在里面，发给老李，老李收到信以后，打开，发现这封信是给儿子的，就转给小李了。小李回信也一样，通过他父亲的名义发回给小张。

这种通讯实现方式要依赖以下几个因素：

* 老李和老张可以收信发信

* 小张发信，把信件交给老张。

* 老张收到儿子的来信以后，能够正确的处理（写好另外一个信封），并且重新包装过的信封能够正确送出去。

* 另外一端，老李收到信拆开以后，能够正确地交给小李。

* 反过来的流程一样。

把信封的收发人改成Internet上的IP地址，把信件的内容改成IP的数据，这个模型就是IPsec的包封装模型。小张小李就是内部私网的IP主机，他们的老爸就是VPN网关，本来不能通讯的两个异地的局域网，通过出口处的IP地址封装，就可以实现局域网对局域网的通讯。

引进这种包封装协议，实在是有点不得已。理想的组网方式，当然是全路由方式。（这里注意理想的组网方式虽然是全路由方式，但VPN的应用也不会因全网而没有用武之地，因为VPN的根本还是为了方便外网访问内网）任意节点之间可达（就像理想的现实通讯方式是任何人之间都可以直接写信互通一样）。

Internet协议最初设计的时候，IP地址是32位，当时是很足够了，没有人能够预料到将来Internet能够发展到现在的规模（相同的例子发生在电信短消息上面，由于160字节的限制，很大地制约了短消息的发展）。按照2的32次方计算，理论上最多能够容纳40亿个左右IP地址。这些IP地址的利用是很不充分的，另外大约有70%左右的IP地址被美国分配掉了，所以对于中国来说，可供分配的IP地址资源非常有限。

既然IP地址有限，又要实现异地lan-lan通讯，包封包，自然是最好的方式了。

安全协议

依然参照上述的通讯模型。

假定老张给老李的信件要通过邮政系统传递，而中间途径有很多好事之徒，很想偷看小张和小李（小张小李作生意，通的是买卖信息）通讯，或者破坏其好事。

解决这个问题，就要引进安全措施。安全可以让小李和小张自己来完成，文字用暗号来表示，也可以让他们的老爸代劳完成，写好信，交给老爸，告诉他传出去之前重新用暗号写一下。

IPSEC协议的加密技术和这个方式是一样的，既然能够把数据封装，自然也可以把数据变换，只要到达目的地的时候，能够把数据恢复成原来的样子就可以了。这个加密工作在Internet出口的VPN网关上完成。

数据认证

还是以上述通讯模型为例，仅仅有加密是不够的。

把数据加密，对应这个模型中间，是把信件的文字用暗号表示。

好事之徒无法破解信件，但是可以伪造一封信，或者胡乱把信件改一通。这样，信件到达目的地以后，内容就面目全非了，而且收信一方不知道这封信是被修改过的。

为了防止这种结果，就要引入数据防篡改机制。万一数据被非法修改，能够很快识别出来。这在现实通讯中间可以采用类似这样的算法，计算信件特征（比如统计这封信件的笔划、有多少字），然后把这些特征用暗号标识在信件后面。收信人会检验这个信件特征，由于信件改变，特征也会变。所以，如果修改人没有暗号，改了以后，数据特征值就不匹配了。收信人可以看出来。

身份认证

还是假定小张小李通讯模型。

由于老张和老李不在一个地方，他们互相不能见面，为了保证他们儿子通讯的安全。老张和老李必须要相互确认对方是否可信。这就是身份认证问题。

假定老李老张以前见过面，他们事先就约定了通讯暗号，比如1234567890对应abcdefghij， 那么写个255，对应就是一个bee。

常见的VPN身份认证可以包括预共享密钥，通讯双方实现约定加密解密的密码，直接通讯就可以了。能够通讯就是朋友，不能通讯就是坏人，区分很简单。

其他复杂的身份认证机制包括证书（电子证书比如x509之类的）。

如果有身份认证机制，密钥的经常更换就成为了可能。

解决了上述的几个问题，基本可以保证VPN通讯模型能够建立起来了。

但是并不完美，这是最简单的VPN。即通过对端两个静态的IP地址，实现异地网络的互联。美国的很多VPN设备就作到这一级，因为美国IP地址充裕，分配静态IP地址没有问题。苦的是我等中国客户，2端都需要静态IP地址，相当于2根Internet专线接入。

VPN要在中国用起来，还要解决一堆的相关问题。

包封装包方法

通过Internet建立了一个通讯的隧道，通过这个通讯的隧道，就可以建立起网络的连接。但是这个模型并非完美，仍然有很多问题需要解决。

在讲述其他问题以前，我们对VPN定义几个概念。

VPN节点

一个VPN节点，可能是一台VPN网关，也可能是一个客户端软件。在VPN组网中间，属于组网的一个通讯节点。它应该能够连接 Internet，有可能是直接连接，比如adsl、电话拨号等等，也可能是通过nat方式，例如：小区宽带、cdma上网、铁通线路等等。

VPN隧道：在两个vpn节点之间建立的一个虚拟链路通道。两个设备内部的网络，能够通过这个虚拟的数据链路到达对方。与此相关的信息是当时两个VPN节点的IP地址，隧道名称、双方的密钥。

隧道路由

一个设备可能和很多设备建立隧道，那么就存在一个隧道选择的问题，即到什么目的地，走哪一个隧道？

用前面的通讯模型来说，老李老张就是隧道节点，他们通过邮政系统建立的密码通讯关系，就是一个数据隧道，小张和小李把信发给他们老爸的时候，他们老爸要作出抉择，这封信怎么封装，封装以后送给谁。假如还有一个老王和他们的儿子，也要通讯，这时候隧道路由就比较好理解了。送给小王的数据，就封装给老王，送给小李的数据，就封装发给老李。如果节点非常多，那么这个隧道路由就会比较复杂。

理解了以上的问题，我们就知道，ipsec要解决的问题其实，可以分为以下几个步骤：

找到对方vpn节点设备，如果对方是动态IP地址，那么必须能够通过一种有效途径能够及时发现对方IP地址的变化。按照通讯模型，就是老李老张如果经常搬家的话，必须有一个有效的机制，能够及时发现老李老张地址的变化。

建立隧道

建立隧道说起来简单，做起来不容易。如果两个设备都有合法的公网IP，那么建立一个隧道是比较容易的。如果一方在nat之后，那就比较麻烦了。一般通过内部的vpn节点发起一个udp连接，再封装一次ipsec，送到对方，因为udp可以通过防火墙进行记忆，因此通过udp再封装的ipsec 包，可以通过防火墙来回传递。

建立隧道以后，就确定隧道路由，即到哪里去，走哪个隧道。很多VPN隧道配置的时候，就定义了保护网络，这样，隧道路由就根据保护的网络关系来决定。但是这丧失了一定的灵活性。

所有的ipsec VPN展开来讲，实现的无非就是以上几个要点，具体各家公司，各有各的做法。但是可以肯定，目前在市场销售的VPN，肯定都已经解决了以上的问题。

IPSEC VPN 的类型：

常见的IPSEC VPN 类型有 站到站（site to site 或者是LAN TO LAN）、easy VPN（远程访问VPN）、DMVPN（动态多点VPN）、GET VPN（Group Encrypted Transport(GET) VPN ）等。

找寻节点设备

怎样找到vpn节点设备

假如设备都是动态拨号方式的话，那么一定需要一个合适的静态的第三方来进行解析。相当于两个总是不停搬家的人，要合适找到对方，一定需要一个大家都认识的朋友，这个朋友不搬家，两个人都能够联系上他。

静态的第三方，常见的有3种实现方式：

通过网页

这是深信服公司发明的一种技术，通过Web页解析ip地址。因此，动态的设备，可以通过这种方式，把自己当前的IP地址提交上去。其他设备可以通过网页再查询回来。这样，设备之间就可以互相通过这个网页找到。因为网页是相对固定的，所以这种方式能够很有效地解决这个问题。这种方式能够有效地分散集中认证的风险，而且很容易实现备份，属于比较巧妙的一种解决方案。当然，对于Web页可能存在比较多的攻击，因此，要注意安全防范。

通过一个集中的服务器

实现统一解析，然后给用户进行分组。每个vpn设备只能看到同组的其他设备，不能跨组访问。也可以通过目录服务器实现。这种方式适合集中式的VPN，在企业总部部署服务器，实现全局设备的统一认证和管理。它不太适合零散用户的认证，因为存在一个信任问题，客户会置疑管理服务器如果出现了问题，有可能其他设备就能够连接到自己的vpn域里面。这种大型的集中vpn管理软件，在很多国内外的vpn厂商都有专门的设备或软件，它除了能够进行动态IP地址解析，还能够实现在线认证等等功能。如果管理中心比较职能的话，可以集中制订通讯策略，下面的vpn设备配置参数比较少。

通过DDNS

即动态域名。动态域名是一种相对比较平衡的技术。Vpn设备拨号以后，把自己当前的IP地址注册给一级域名服务器，并且更新自己的二级域名IP地址，internet其他用户，通过这个二级域名就可以查找到它。以上讲述了三种动态IP地址的解析方法，国内一般厂家提供的无外乎这几种方法。如果再有比较偏门的技术，也许就不是主流技术了。

解决了动态IP地址问题，按照之前的通讯模型，不考虑VPN设备很多的情况，就可以组网。因此，一旦这种技术被越来越多的厂家掌握，基于IPsec vpn设备和软件是一定会价格下降的。It技术从朝阳变成夕阳就是转眼之间的事情。

第二个问题 隧道如何建立

解决了Ip地址动态寻址的问题，现在来说一下Nat穿越的问题。我们知道，Udp和TCP是可以穿越防火墙的。直接的IPsec封装，不能穿越防火墙，因为防火墙需要更改端口信息，这样回来的数据包，才能转到正确的内部主机。用UDP显然比较合适，因为使用tcp的话，不仅三次握手占据时间很长，而且还有来回的确认。而实际上，这些工作属于ipsec内部封装的报文要干的事情，放在这里完成是不合适的。因此，用udp来封装ipsec报文，以穿越nat，几乎是唯一可以选择的方案。

用udp穿越nat防火墙，这只解决了问题的一半，因为这要求至少有一方处于Internet公网上面。有可路由的IP地址。而有时会发生两个vpn节点都在nat之后的情景，这只能通过第三方转发来完成。即两个设备都可以与第三方设备互通，第三方设备为双方进行转发。这个可以通过之前的模型解析，老张老李不能直接通讯，他们都可以与老王通讯，老王就可以在中间进行转发。凡是小李小张的通讯，交给他们老爸以后，老王最后再进行转交。这是隧道路由的概念就很清晰了，不能一个隧道直接到达，可以在几个隧道之间转发。

所以，IPsec vpn并不神秘。所有核心的工作无非就是围绕以下几个方面展开：

如何找到与本VPN节点相关的其他节点。

协商出一个可以通讯的隧道。如果是nat之后，应该怎么处理。

建立隧道路由表，确定不同的目标地址，走不同的隧道。

假定以上的问题都得到了解决，通过某种方式，动态IP地址的VPN节点可以相互找到对方，并且能够建立隧道，因此也能够实现隧道路由通讯。是不是一个完整的VPN就能够实现了呢？

答案仍然是否，解决了以上问题，并不代表一个很好用的VPN产品，仍然有其他很多问题。之后的问题是围绕着复杂性展开的，简单的原理实现之后，剩下的工作就是要解决掉全部相关的边缘问题。才能够实现一个好用的东西。能够用是一回事，好用是另外一回事。

感谢楼主分享，很实用，学习一下