信息安全作业4：描述IPSec传输模式下 ESP 报文的装包与拆包过程

IPSec

  • IP 协议的安全性

    传统的 IP 协议诞生于军用计划，设计之初未考虑太多安全问题，存在很多安全隐患。比如数据明文传输，同在一个集线器的通信可以被互相监听，如果获得交换机权限，所有流经交换机的通信也可以被监听。攻击者即便没有交换机权限，也可以通过中间人攻击窃取用户的通信。

  • IPsec（互联网安全协定）提供了网络层加密方案

    对 IP 协议进行安全加强的迫切需要催生了 IPsec。IPsec 在网络层将每个 IP 分组的内容先加密再传输，即便中途被截获，攻击者由于缺乏解密数据包所必要的密钥而无法获取其中内容。IPsec 对数据进行加密的方式有两种：传输模式和隧道模式。

    • 传输模式只是对 IP 协议报文的有效数据载荷 (payload) 进行了加密，因此需要对原始 IP 报文进行拆装。
    • 隧道模式则是对整个 IP 报文进行加密，就好像整个 IP 报文封装在一个安全的隧道里传输一样，保持了原始 IP 报文的完整性。

ESP协议

ESP（Encapsulating Security Payloads），封装安全载荷协议，IPsec 所支持的两类协议中的一种。该协议能够在数据的传输过程中对数据进行完整性度量，来源认证以及加密，也可防止回放攻击。传输模式，与隧道模式同为IPsec工作的两种方式。与隧道模式不同，当IPsec工作在传输模式时，新的IP头并不会被生成，而是采用原来的IP头，保护的也仅仅是真正传输的数据，而不是整个IP报文。在处理方法上，原来的IP报文会先被解开，再在数据前面加上新的ESP或AH协议头，最后再装回原来的IP头，即原来的IP包被修改过再传输。

装包过程

在传输模式下，当要发出一个数据包时：

  1. 在原IP报文末尾添加尾部信息。

    尾部包含三部分：

    • 填充数据：由所选加密算法可能是块加密，那么当最后一块长度不够时就需要进行填充；
    • 填充长度：并且附上填充长度方便解包时找到填充的数据；
    • Next header：则用来标明被加密的数据报文的类型，例如TCP。

  2. 将原IP报文以及第1步得到的ESP尾部作为一个整体进行加密，具体的加密算法与密钥由SA给出。

  3. 为第2步得到的加密数据添加ESP头部。ESP头由两部分组成，SPI和序号。

  4. 对加密区域和ESP头部做验证，得到一个完整性度量值ICV，并附在ESP报文的尾部；

  5. 将IP头部附在ESP报文前，得到新的IP报文，发送报文。

拆包过程

  1. 首先，检查协议类型是50，确定为IPSec包；

  2. 通过ESP头部SPI确认SA内容，以及通过序列号确认不是重放攻击；

  3. 计算验证区域的摘要，与附在末尾的ICV做比较，若相同则说明数据完整；

  4. 根据SA提供的算法和密钥，解密加密区域，得原IP包和ESP尾部；

  5. 根据ESP尾部的填充长度信息删除填充字段得到原IP包；

  6. 根据得到的原IP包的目的地址进行转发。