IPsec：网络层的安全盾牌

两家公司需要安全通信。

他们分布在不同城市，网络之间没有专线。

传统的方案是租用 VPN，但数据在公网上传输，安全性堪忧。

IPsec 提供了一种在 IP 层加密通信的方案，让任何 IP 通信都可以变得安全。

IPsec 是什么

IPsec（Internet Protocol Security）是工作在网络层的 VPN 协议套件：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    IPsec 协议栈                             │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  应用层（HTTP、SMTP、FTP...）                               │
│      │                                                      │
│      ▼                                                      │
│  ───────────────────────────────────────────────────────── │
│  传输层（TCP、UDP）                                         │
│      │                                                      │
│      ▼                                                      │
│  ───────────────────────────────────────────────────────── │
│  IPsec 层                                                   │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐ │
│  │ AH（Authentication Header）     - 认证，不加密         │ │
│  │ ESP（Encapsulating Security Payload） - 加密+认证      │ │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘ │
│      │                                                      │
│      ▼                                                      │
│  IP 层                                                      │
│      │                                                      │
│      ▼                                                      │
│  数据链路层                                                 │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

IPsec 的两大协议

1. AH（Authentication Header）

提供数据完整性和源认证：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    AH 头部                                   │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  ┌────────────┬────────────┬────────────┬────────────────┐ │
│  │ Next Header│  Payload   │   SPI      │   Sequence     │ │
│  │ (4 字节)   │  Length    │ (4 字节)   │   Number      │ │
│  │            │ (4 字节)   │            │   (4 字节)     │ │
│  ├────────────┴────────────┴────────────┴────────────────┤ │
│  │              Authentication Data（可变）              │ │
│  │              (ICV - Integrity Check Value)             │ │
│  └───────────────────────────────────────────────────────┘ │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

- 验证整个 IP 包（除可变字段）
- 不加密数据
- 不提供机密性

2. ESP（Encapsulating Security Payload）

提供加密和认证：

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    ESP 头部（传输模式）                       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  原始 IP 头                                                 │
│  ┌──────────┬──────────────────┬────────────────┐          │
│  │   ESP    │   ESP Payload    │   ESP          │          │
│  │   Header │   (加密)         │   Trailer      │          │
│  │ SPI + Seq│   + ESP Auth     │   + Auth Data  │          │
│  └──────────┴──────────────────┴────────────────┘          │
│                                                             │
│  ┌──────────┬──────────────────┬────────────────┐          │
│  │ 新 IP 头  │   ESP Header    │   加密数据     │          │
│  │ (可选)    │   SPI + Seq     │   ESP Trailer  │          │
│  └──────────┴──────────────────┴────────────────┘          │
│                      │                                      │
│                      ▼                                      │
│               ESP Authentication                           │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

- 加密 Payload
- 可选认证
- 支持传输模式和隧道模式

IPsec 的两种模式

1. 传输模式（Transport Mode）

保留原始 IP 头，只加密 Payload：

传输模式：
┌────────┬──────────────────────────────┐
│ 原 IP  │  TCP/UDP  │   数据（加密）   │
└────────┴─────────────┬────────────────┘
                      │
                      ▼
┌────────┬─────────────┬────────────────┬────────────────┐
│ 原 IP  │ ESP 头      │ TCP/UDP+数据   │ ESP 尾+认证   │
└────────┴─────────────┴────────────────┴────────────────┘
        │                                        │
        └─────────────── 传输模式 ───────────────┘

适用：端到端加密（如两台服务器之间）

2. 隧道模式（Tunnel Mode）

整个原始 IP 包被加密，作为新 IP 包的 Payload：

隧道模式：
┌────────┬──────────────────────────────┐
│ 原 IP  │   TCP   │      数据           │
└────────┴─────────┴──────────────────────┘
                │
                ▼
┌────────┬─────────────┬────────────────┬────────────────┐
│ 新 IP  │ ESP 头      │ 原 IP + TCP    │ ESP 尾+认证   │
│ 头     │             │ + 数据（加密）  │               │
└────────┴─────────────┴────────────────┴────────────────┘
        │
        └─────────────── 隧道模式 ───────────────┘

适用：网关到网关、网关到主机（如 VPN）

IKE：密钥交换

IPsec 使用 IKE（Internet Key Exchange）进行密钥协商：

IKEv2 握手过程

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                 IKEv2 握手（4 条消息）                       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                             │
│  发起方                             响应方                  │
│                                                             │
│  │──── IKE_SA_INIT ──────────────────────────────────────▶││
│  │    Ni, SAi1, KEi        ←──────────────────────────────│││
│  │                           Nr, SAr1, KEr, 证书请求      ││
│  │◀─── IKE_SA_INIT ───────────────────────────────────────││
│  │    （协商加密算法，交换 DH 公钥）                        ││
│  │                           （双方计算 SKEYSEED）        ││
│  │                                                             │
│  │──── AUTH ──────────────────────────────────────────────▶││
│  │    认证数据, IDi         ←──────────────────────────────│││
│  │                           认证数据, IDr                  │││
│  │◀─── AUTH ───────────────────────────────────────────────││
│  │    （验证双方身份）                                      ││
│  │                                                             │
│  │──── CREATE_CHILD_SA ────────────────────────────────▶│││
│  │    SA, Ni, KEi            ←──────────────────────────────│││
│  │                           SA, Nr, KEr                   │││
│  │◀─── CREATE_CHILD_SA ──────────────────────────────────│││
│  │    （创建 CHILD_SA：IPsec SA）                          ││
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

IKEv2 的可靠性改进

IKEv1	IKEv2
6-9 条消息	4 条消息
复杂的状态机	简化的状态机
一个 DH 交换	两个并行 DH 交换
NAT-T 复杂	NAT-T 透明支持
移动性支持差	MOBIKE 支持移动

Linux IPsec 配置

使用 strongSwan

bash

# 安装
sudo apt install strongswan strongswan-pki

# 配置 /etc/ipsec.conf
config setup
    charondebug="all"
    uniqueids=never

conn %default
    ikelifetime=1h
    keylife=20m
    rekeymargin=3m
    keyingtries=3
    keyexchange=ikev2
    authby=secret

conn myvpn
    left=203.0.113.10          # 本端公网 IP
    leftsubnet=10.0.0.0/24     # 本端内网
    right=198.51.100.20        # 远端公网 IP
    rightsubnet=192.168.0.0/24  # 远端内网
    auto=start
    type=tunnel
    ike=aes256-sha256-modp2048
    esp=aes256-sha256-modp2048

预共享密钥配置

bash

# /etc/ipsec.secrets
# 本端 IP         远端 IP    : PSK "your-preshared-key-here"

203.0.113.10 198.51.100.20 : PSK "X9k3mL#p8@vQ2nF$"

证书认证配置

bash

# 生成 CA
mkdir -p /etc/ipsec.d/{cacerts,certs,private}

# 生成 CA 证书
openssl genrsa -out /etc/ipsec.d/private/ca.key 4096
openssl req -x509 -new -nodes -key /etc/ipsec.d/private/ca.key \
    -sha256 -days 3650 -out /etc/ipsec.d/cacerts/ca.crt \
    -subj "/CN=VPN CA"

# 生成服务器证书
openssl genrsa -out /etc/ipsec.d/private/server.key 2048
openssl req -new -key /etc/ipsec.d/private/server.key \
    -out server.csr -subj "/CN=203.0.113.10"
openssl x509 -req -in server.csr -CA /etc/ipsec.d/cacerts/ca.crt \
    -CAkey /etc/ipsec.d/private/ca.key -CAcreateserial \
    -out /etc/ipsec.d/certs/server.crt -days 365 -sha256

验证 IPsec 连接

bash

# 启动 IPsec
sudo ipsec start
sudo ipsec status

# 查看 SA（Security Association）
sudo ipsec statusall
sudo ip xfrm state

# 查看策略
sudo ip xfrm policy

# 查看详细日志
sudo ipsec up myvpn   # 建立连接
sudo ipsec down myvpn # 断开连接

Java IPsec 应用

java

/**
 * IPsec 监控服务
 */
@Service
public class IPsecMonitor {
    
    /**
     * 检查 IPsec 连接状态
     */
    public IPsecStatus checkStatus() {
        try {
            Process process = Runtime.getRuntime().exec("ipsec statusall");
            BufferedReader reader = new BufferedReader(
                new InputStreamReader(process.getInputStream())
            );
            
            StringBuilder output = new StringBuilder();
            String line;
            while ((line = reader.readLine()) != null) {
                output.append(line).append("\n");
            }
            
            return parseStatus(output.toString());
            
        } catch (IOException e) {
            return new IPsecStatus(false, null, "检查失败: " + e.getMessage());
        }
    }
    
    /**
     * 获取 IPsec 统计信息
     */
    public IPsecStats getStats() {
        try {
            Process process = Runtime.getRuntime().exec("ip -s xfrm state");
            // 解析输出获取统计数据
            return parseStats(process);
        } catch (IOException e) {
            return null;
        }
    }
    
    public record IPsecStatus(
        boolean connected,
        String tunnelName,
        String message
    ) {}
    
    public record IPsecStats(
        long bytesIn,
        long bytesOut,
        long packetsIn,
        long packetsOut
    ) {}
}

面试追问方向

IPsec 和 TLS 的区别？ —— IPsec 在网络层（加密 IP 包），TLS 在应用层（加密应用数据）
AH 和 ESP 的区别？ —— AH 只认证不加密，ESP 加密并可选认证
传输模式和隧道模式的区别？ —— 传输模式保留原始 IP 头，隧道模式整个 IP 包加密
IKEv1 和 IKEv2 的区别？ —— IKEv2 更高效，消息更少，支持 MOBIKE
IPsec 可以和 NAT 一起用吗？ —— 可以，但需要 NAT-T（NAT Traversal）

"IPsec 是网络层安全的标准。理解它的工作模式和安全机制，是设计企业 VPN 的基础。"

密码学基础

身份认证与授权

应用层安全

网络层安全

系统层安全

安全运维

IPsec：网络层的安全盾牌

IPsec 是什么

IPsec 的两大协议

1. AH（Authentication Header）

2. ESP（Encapsulating Security Payload）

IPsec 的两种模式

1. 传输模式（Transport Mode）

2. 隧道模式（Tunnel Mode）

IKE：密钥交换

IKEv2 握手过程

IKEv2 的可靠性改进

Linux IPsec 配置

使用 strongSwan

预共享密钥配置

证书认证配置

验证 IPsec 连接

Java IPsec 应用

面试追问方向

IPsec：网络层的安全盾牌 ​

IPsec 是什么 ​

IPsec 的两大协议 ​

1. AH（Authentication Header） ​

2. ESP（Encapsulating Security Payload） ​

IPsec 的两种模式 ​

1. 传输模式（Transport Mode） ​

2. 隧道模式（Tunnel Mode） ​

IKE：密钥交换 ​

IKEv2 握手过程 ​

IKEv2 的可靠性改进 ​

Linux IPsec 配置 ​

使用 strongSwan ​

预共享密钥配置 ​

证书认证配置 ​

验证 IPsec 连接 ​

Java IPsec 应用 ​

面试追问方向 ​

IPsec：网络层的安全盾牌

IPsec 是什么

IPsec 的两大协议

1. AH（Authentication Header）

2. ESP（Encapsulating Security Payload）

IPsec 的两种模式

1. 传输模式（Transport Mode）

2. 隧道模式（Tunnel Mode）

IKE：密钥交换

IKEv2 握手过程

IKEv2 的可靠性改进

Linux IPsec 配置

使用 strongSwan

预共享密钥配置

证书认证配置

验证 IPsec 连接

Java IPsec 应用

面试追问方向