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        端對端IPSec VPN工程實驗設計與仿真

        2022-03-11 12:39:22王衛(wèi)國馬超李超凡
        電腦知識與技術 2022年1期

        王衛(wèi)國 馬超 李超凡

        摘要:為探討IPSec VPN的會話建立過程和應用效果,利用GNS3仿真軟件搭建邏輯網(wǎng)絡拓撲進行仿真實驗。該文通過深入分析IPSec安全框架中各類構(gòu)件的應用方式和作用機制,進行端對端IPSec VPN工程實驗設計與仿真。實驗結(jié)果表明,IPSec VPN能夠提供訪問控制、數(shù)據(jù)加密與安全驗證的通信服務。

        關鍵詞:VPN;IPSec安全框架;數(shù)據(jù)加密;仿真實驗

        中圖分類號:TP393.1? ? ? ? 文獻標識碼:A

        1 引言

        VPN(Virtual Private Network)通過因特網(wǎng)服務提供商(Internet Service Provider,ISP)的公共網(wǎng)絡中建立客戶雙方的私有加密通信專線,即虛擬專用網(wǎng)絡。VPN技術是多樣的, VPN種類從僅僅提供語音業(yè)務發(fā)展到了提供數(shù)據(jù)交互、語音、視頻通話等。目前,基于IP網(wǎng)絡層的IPSec VPN、基于應用層的SSL VPN、基于MPLS標簽交換的MPLS VPN是當前市場上的三類主流VPN技術。

        2 IPsec 框架

        本文著重探討基于IP網(wǎng)絡層的IPSec VPN,簡述IPSec安全框架的各個部件的作用機制,并搭建端到端的IPSec VPN仿真實驗,探討其工程應用效果。

        2.1 對稱加密算法DES

        DES(Data Encryption Standard)算法為密碼體制中的對稱密碼體制[1],DES入口參數(shù)有三個:key、data、mode。key為加密解密使用的密鑰,data為加密解密的數(shù)據(jù),mode為其工作模式,適用于加密數(shù)據(jù)量較大的場合。

        2.2 非對稱加密算法RSA

        公開密鑰密碼體制(Rivest Shamir Adlemen,RSA)使用非對稱密鑰算法,本地與遠端產(chǎn)生兩個密鑰,一個私鑰與一個公鑰。在與遠端通信時,它將與對端交互公鑰并保留私鑰。在向遠端發(fā)送加密消息之前,本地將與遠端的公鑰和RSA算法對消息進行加密。輸出的結(jié)果是不可讀的密文,該消息將通過不安全的網(wǎng)絡傳送。遠端使用私鑰和RSA算法來對密文進行解密,輸出的結(jié)果是原始的消息。

        2.3 散列函數(shù)

        散列函數(shù)指的是根據(jù)輸入任何字節(jié)串,輸出固定長度數(shù)值的算法。散列函數(shù)用于消息或文件的完整性檢驗和數(shù)字簽名[2]。MD5(Message Digest Algorithm 5)是目前最廣泛應用的信息摘要算法,可以為不同數(shù)據(jù)類型計算一個128位的散列值,確保信息傳輸?shù)耐暾浴?/p>

        2.4 封裝安全載荷

        封裝安全載荷(Encapsulate Security Payload,ESP)協(xié)議通過加密IP數(shù)據(jù)包的相關部分,提供數(shù)據(jù)保密、數(shù)據(jù)源認證、無連接數(shù)據(jù)完整性、抗重放服務和有限的數(shù)據(jù)流保密[3]。

        2.5 網(wǎng)絡密鑰交換協(xié)議

        網(wǎng)絡密鑰交換協(xié)議(Internet Key Exchange,IKE)是對安全關聯(lián)(Security Association,SA)的協(xié)商進行保護并提供經(jīng)認證的密鑰信息的協(xié)議[4]。在IPSec通信之間,動態(tài)建立安全管理,對其進行管理和維護。

        2.6 傳輸模式

        IPSec安全框架提供了傳輸模式和隧道模式兩類數(shù)據(jù)流交互方式,傳輸模式(Transport Mode)用于數(shù)據(jù)包的加解密操作固定在同一設備,而隧道模式(Tunnel Mode)用于加解密數(shù)據(jù)包的起始地或目的地不是安全終點的情況。

        2.7 安全關聯(lián)

        安全關聯(lián)(SA)是指一組用來保護信息的策略和密鑰,在兩個使用IPSec的實體間建立的邏輯連接,協(xié)商了實體間如何使用安全服務進行通信[5]。

        安全關聯(lián)SA由下面3個參數(shù)唯一確定:

        1)安全參數(shù)索引號(SPI):一個32數(shù)字位串,由AH和ESP攜帶,使得接收方能選擇特定的SA處理數(shù)據(jù)包。

        2)IP目的地址:單一的IP地址,表示該類SA的目的地址。

        3)安全協(xié)議標識:標識該SA的種類。

        3 端對端IPSec VPN仿真實驗

        3.1 實驗過程

        圖1為本實驗網(wǎng)絡拓撲,由VPN Site1、ISP運營商和VPN Site2組成,外連公網(wǎng)地址分別設置為101.10.10.0/24,201.10.10.2/24,內(nèi)連私網(wǎng)地址設置為192.168.0.0/16地址段。

        為了更直觀地展示IPSec安全框架在VPN建立過程中的應用,表1顯示的是端對端IPSec會話建立的具體實現(xiàn)步驟。

        3.2 實驗結(jié)果分析

        按照密鑰交換協(xié)議,查看ISAKMP SA、IPsec SA及IPsec VPN會話建立情況。首先查看ISAKMP會話,如圖2所示,ISAKMP已經(jīng)建立從VPN Site1到VPN Site2的會話,且會話狀態(tài)處于ACTIVATE狀態(tài)。

        IPSec SA的建立結(jié)果如圖3所示,端對端已經(jīng)按照表1的配置方式建立了加密的IP數(shù)據(jù)包信息通道,以crypto map tag的密鑰進行會話加密,并且生成了用于雙方持續(xù)通信的安全參數(shù)索引號(SPI),會話狀態(tài)處于ACTIVE。

        端對端IPSec VPN信息通道的傳輸效果如圖4所示,通信雙方已經(jīng)生成DES+MD5的加解密方式,并且在兩端的出口設備上,加解密的IP數(shù)據(jù)包個數(shù)保持一致,IPSec VPN信息通道正常運行且非常穩(wěn)定。

        4 結(jié)論

        本文介紹了IPsec框架的四個核心組件:加密和驗證、安全封裝、密鑰交換協(xié)議和傳輸模式,通過仿真案例展示了IPSec VPN的會話過程,驗證了各類構(gòu)件的實驗效果。目前,IPSec VPN因其訪問控制、數(shù)據(jù)加密、可靠性保障等優(yōu)勢仍是端對端進行加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕绞健?/p>

        參考文獻:

        [1] 薛江波,胡曦明,馬苗,等.IPSec VPN的NAT穿越技術與仿真實驗[J].網(wǎng)絡空間安全,2018,9(2):51-55.

        [2] 李超凡,劉偉,吳響,等.高性能IPSec VPN工程設計與仿真[J].實驗技術與管理,2021,38(2):73-77.

        [3] 文淑華,閆超陽,羅緒成,等.基于云桌面的IPSec VPN實驗設計[J].實驗技術與管理,2019,36(7):58-61.

        [4] 李超凡,劉瓊,李民璽,等.醫(yī)院虛擬專用網(wǎng)絡研究與仿真設計[J].中國數(shù)字醫(yī)學,2020,15(10):91-93.

        [5] 王霞俊.基于H3C HCL的IPSec VPN實驗設計與仿真[J].實驗室研究與探索,2018,37(3):118-121.

        【通聯(lián)編輯:代影】

        收稿日期:2021-06-02

        作者簡介:王衛(wèi)國(1992—),男,江蘇連云港人,信息安全工程師,Cisco Routing & Switching、Security認證專家,主要研究方向為計算機網(wǎng)絡應用技術、信息系統(tǒng)集成與開發(fā);李超凡(1995—),男,江蘇徐州人,通信作者,網(wǎng)絡工程師,碩士,Cisco Routing & Switching認證專家,主要研究方向為計算機網(wǎng)絡應用技術、醫(yī)學信息處理。

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