1.IPSec的目標
爲IPv4和IPv6提供具有較強的互操作能力，IPv4下IPSec爲可選，而IPv6下爲必選
高質量和基於密碼的安全
在IP層實現多種安全服務，包括：
訪問控制、無連接完整性、數據源驗證、抗重播、保密性和有限的業務流機密性
2.網絡層安全性
優點：
密鑰協商的開銷被大大的消減了
需要改動的應用程序很少，對用戶透明
很容易構建VPN
缺點：
很難解決“抗抵賴”之類的問題，即無法認證到每個個人
3.IPSec安全體系結構圖
4.IPSec安全體系的內容
IPSec並不是一個單一的協議，而是能夠在IP層提供互聯網通信安全的協議族。並沒有限定用戶必須使用何種特定的加密和鑑別算法。實際上IPSec是一個框架，它允許通信雙方選擇合適的算法和參數（如密鑰長度）。IPSec就是“IP安全(security)”的縮寫。
IPSec協議族中的協議可劃分爲三個部分：
（1）IP安全數據報格式的兩個協議：
AH：Authentication Header 驗證頭部
ESP：Encapsulation Security Payload 封裝安全載荷
其中，驗證頭部AH：
提供源點鑑別和數據完整性，但不能保密
驗證算法由SA指定
認證範圍：整個包
其中，封裝安全載荷ESP：
提供源點鑑別、數據完整性、加密及抗重播等安全服務
加密算法和身份驗證方法均由SA指定
IPSec支持IPv4和IPv6。在IPv6中，AH和ESP都是擴展首部的一部分。AH協議的功能都已包含在ESP協議中，因此使用ESP協議就可以不使用AH協議。使用AH或ESP協議的IP數據報稱爲IP安全數據報（或IPSec數據報）。
AH和ESP均用於兩種模式：傳輸模式和隧道模式。
傳輸模式：在整個傳輸層報文段的前後分別添加若干控制信息，再加上IP首部，構成IP安全數據報。
隧道模式：在原始IP數據報的前後分別添加若干控制信息，再加上新的IP首部，構成IP安全數據報。
兩種方式，IP安全數據報的IP首部都是不加密的，這樣數據報才能在各個路由器之間進行轉發，從源點安全地轉發到終點。所謂的“安全數據報”是指數據報的數據部分是經過加密的，並能夠被鑑別的。
（2）有關加密算法的三個協議（在此不討論）
（3）互聯網密鑰交換IKE（Internet Key Exchange）協議
密鑰管理（Key Management）：
SA（Security Association）安全聯盟
ISAKMP定義了密鑰管理框架
IKE是目前正式確定用於IPSec的密鑰交換協議
5.IPSec的模式
隧道模式下，“原始IP首部”中，用兩臺通信的主機IP地址分別作爲源地址和目的地址，而在IP安全數據報的“新的IP首部”中，若兩臺路由器進行通信，則使用兩臺路由器的地址作爲源地址和目的地址；若一臺路由器和主機之間進行通信，則使用路由器和主機的IP地址分別作爲源地址和目的地址。
6.AH相關
1)AH頭格式
SPI：標識此包用什麼樣的算法和什麼樣的密鑰進行加密處理
2)AH的傳輸模式
3)AH的隧道模式
4)AH的處理過程
過程1
對於發出去的包的處理構造AH：
創建一個外出SA（手工或通過IKE）
產生序列號
填充AH頭的各字段
計算ICV（Integrity Check Value完整性檢驗值），內容包括IP頭中部分域、AH自身、上層協議數據
AH頭中的“下一頭部”置爲原IP報頭中的“協議”字段的值，原IP報頭的“協議”字段置爲51（代表AH）
過程2
對於接收到的包的處理：
分片裝配
查找SA 依據：目標IP地址、AH協議、SPI
檢查序列號
ICV檢查
7.ESP相關
1)ESP頭
2)ESP的傳輸模式
3)ESP的隧道模式
4)ESP的處理過程
過程1
對於發出去的包的處理：
查找SA
加密
封裝必要的數據，放到payload data域中，不同的模式封裝數據的範圍不同
增加必要的padding數據
加密操作
驗證
計算ICV，注意，針對加密後的數據進行計算
過程2
對於接收到的包（Inbound Packet）的處理：
分片裝配
查找SA 依據：目標IP地址、ESP協議、SPI
檢查序列號（可選，針對重放攻擊），使用一個滑動窗口來檢查序列號的重放
ICV檢查
解密 根據SA中指定的算法和密鑰、參數，對於被加密部分的數據進行解密 去掉padding 重構原始的IP包
8.安全聯盟SA
在發送IP安全數據報之前，在源實體和目的實體之間創建一條網絡層的邏輯連接，即安全關聯CA。這樣，傳統的互聯網中無連接的網絡層就變成了具有邏輯連接的一個層。安全關聯是從源點到終點的單向連接，它能夠提供安全服務。若要進行雙向安全通信，則兩個方向都需要建立安全關聯。
SA可以是兩部路由器、路由器與主機之間進行建立。建立安全關聯的路由器或主機，必須維護這條SA的狀態信息。
每個SA通過三個參數來標誌<spi，dst(src)，protocol>
—安全參數索引SPI（Security Parameters Index）
—對方IP地址
—安全協議標識：AH or ESP
當路由器要通過SA發送安全數據報時，就必須讀取SA的這些狀態信息，以便知道如何把IP數據報進行加密和鑑別。
SA與IPSec系統中實現的兩個數據庫有關
—安全策略數據庫（SPD）：指明什麼樣的數據報需要進行IPSec處理
—安全關聯數據庫（SAD）：指明若需要使用IP安全數據報，應怎樣做（使用哪一個SA）
9.IPSec密鑰管理
包括密鑰的確定和分配
兩種方式：
—手工的
—自動的：Internet密鑰交換IKE（非IPSec專用）
作用：在IPSec通信雙方之間，建立起共享安全參數及驗證過的密鑰（建立“安全關聯”），IKE代表IPSec對SA進行協商，並對SADB數據庫進行填充
10.Internet密鑰交換協議—IKE
IKE協議：
負責在通信兩端安全地交換密鑰
RFC2409，是Oakley和SKEME協議的一種混合
基於ISAKMP框架
沿用了Oakley和SKEME的共享和密鑰更新技術
ISAKMP：
Internet Security Association and Key Management Protocol
RFC 2408
定義如何建立安全聯盟 並初始化密鑰
11.兩階段交換
第一階段：建立起ISAKMP SA——IKE SA
雙方（例如ISAKMP Servers）商定如何保護以後的通訊
，通信雙方建立一個已通過身份鑑別和安全保護的通道
此SA將用於保護後面的protocol SA的協商過程
第二階段：建立起針對其他安全協議的SA——IPSec SA
這個階段可以建立多個SA
此SA將被相應的安全協議用於保護數據或者消息的交換
12.IPSec—vpn要求
數據私密性
數據完整性
數據來源鑑別
防重放
13.IPSec—vpn協議和算法
IP安全協議：AH，ESP
數據加密標準：DES，3DES
公共密鑰密碼協議：Diffie—Hellman（D-H）
散列算法：MD5，SHA-1
公鑰加密算法：RSA
Internet密鑰交換：IKE
證書授權中心：CA
14.實驗
兩臺Windows2003服務器實現傳輸模式的VPN
兩臺Windows2003服務器實現隧道模式的VPN
設計：
通信一方必須告訴另一方自己的策略
通信雙方必須保持策略一致，用ping測試IPSec配置是否成功
隧道模式：IPSec必須成對出現，既有隧道進方向，又有隧道出方向
windows上實現IPSec和路由器上實現完全不同：Windows利用圖形界面，路由器利用一條一條的命令
若通信一方配置IPSec，另一方未配置，則ping不通，如下：
雙方都配置好IPSec，且參數一致，則結果有個協商過程，如下：
注意：
通信兩端的源地址和目的地址，可以爲一個特定IP地址，也可以爲一個特定的IP子網等，如下列表中的選項：
