上海交通大学网络教育学院
网络安全
第四章 虚拟专用网络
IPSec与VPN实现
VPN的安全性
VPN实验演示
VPN概述
44
VPN概述
1
VPN关键技术2
VPN的实现3
VPN的分类4
什么是VPN
什么是VPN
公共网络
（Internet）
VPN
连接
VPN典型结构图
什么是VPN
¾ 企业、组织、商家等对专用网的需求。
¾ 高性能、高速度和高安全性是专用网明显的优势。但传统的
通过租用专线或拨号网络的方式越来越不适用。（廉价、安
全）
¾ IP协议本身的局限性，不能保证信息直接传输的保密性。
¾ VPN（虚拟专用网络，Virtual Private Network）是指将物
理上分布在不同地点的网络通过公用网络连接成逻辑上的虚
拟子网，并采用认证、访问控制、保密性、数据完整性等在
公用网络上构建专用网络的技术，使得数据通过安全的“加
密管道”在公用网络中传输。（公用网通常指Internet）
什么是VPN
¾ 虚拟：用户不再需要拥有实际的长途数据线路，而是使
用公共网络资源。但它建立的只是一种临时的逻辑连
接，一旦通信会话结束，这种连接就断开了。
¾ 专用：用户可以定制最符合自身需求的网络。
¾ VPN使得企业通过互联网既安全又经济地传输私有的机密
信息成为可能。
VPN的特点
¾ 安全保障：在非面向连接的公用IP网络上建立一个逻辑
的、点对点的连接，称为建立一个隧道。可以利用加密
技术对经过隧道传输的数据进行加密，以保证数据只被
指定的发送者和接受者了解，从而保证数据的私有性和
安全性。
¾ 费用低
¾ 服务质量保证（QoS）：
－VPN应当为企业数据提供不同等级的服务质量保证。（连
接、覆盖性、稳定性、网络时延、误码率等）
VPN的特点（续）
－网络优化：充分有效地利用有限的广域网资源，为重要数
据提供可靠的带宽。通过流量预测与流量控制策略实现
带宽管理。
¾ 可扩充性和灵活性
¾ 可管理性：安全管理、设备管理、配置管理、访问控制
列表管理和QoS管理等。
VPN系统组成
VPN服务器
VPN客户机
公共网络
（Internet）
VPN
连接
隧道
VPN的构成图
VPN系统组成
¾ VPN服务器：接受来自VPN客户机的连接请求；
¾ VPN客户机：可以是终端计算机，也可以是路由器；
¾ 隧道：数据传输通道，在其中传输的数据必须经过封
装；
¾ VPN连接：在VPN连接中，数据必须经过加密；
¾ 隧道协议：封装数据、管理隧道的通信标准
¾ 传输数据：经过封装、加密后在隧道上传输的数据；
¾ 公共网络：如Internet，也可以是其他共享型网络。
VPN关键技术
RFC（Request For Comments）：“请求注解”，包含了关于
Internet的几乎所有重要的文字资料。RFC享有网络知识圣
经之美誉。
¾ RFC 2194：第一个VPN RFC，1997年9月14日发布。
¾ 自1999年4月17日之后，有10个RFC直接涉及VPN。
¾ 有80多个RFC涉及隧道。
VPN关键技术
¾ 隧道技术：VPN的基本技术，它在公用网建立一条数据通道
（隧道），让数据包通过这条隧道传输。
－隧道由隧道协议形成，常用的有第2、3层隧道协议。
¾ 密码技术：P145
－加解密技术：在VPN应用中将认证信息、通信数据等由明文转换为密文的
相关技术，其可靠性主要取决于加解密的算法及强度。
－身份认证技术：在正式的隧道连接开始之前需要确认用户的身份，以便系
统进一步实施资源访问控制或用户授权。
－密钥管理技术：如何在公用数据网上安全地传递密钥而不被窃取。
¾ QoS技术：保证VPN的性能稳定，在管理上满足企业的要求。
VPN的隧道技术（1/3）
对通过隧道的数据进行处理的两个基本过程：加密和封装。
¾ 加密：
－保证VPN的“私有性”；
－通信双方数据的加密涉及到：加密方法的选择、密钥的交换、密钥的管
理等。
¾ 封装：
－构建隧道的基本手段；
－使得隧道能够实现信息的隐蔽和信息的抽象。
－将一种协议封装在另一种协议中传输，从而实现被封装协议对封装协议
的透明性，保持被封装协议的安全特性。
补充：用户数据经过协议栈的封装过程
VPN的隧道技术（2/3）
¾ 安全协议：就是构建隧道的“隧道协议”。
¾ IP隧道协议：使用IP协议作为封装协议的隧道协议。
－第二层隧道协议：首先把各种网络协议封装到数据链路层的
PPP帧中，再把整个PPP帧装入隧道协议中。这种双层封装方
法形成的数据包依靠第二层协议进行传输。
如：PPTP（点到点隧道协议，Point-to-Point Tunneling
Protocol）、L2F（第二层转发协议，Layer Two
Forwarding）和L2TP（第二层隧道协议，Layer Two
Tunneling Protocol）等；
VPN的隧道技术（3/3）
－第三层隧道协议：把各种网络协议直接装入隧道协议中，封
装的是网络层协议数据包。
如：GRE（通用路由封装协议，Generic Routing
Encapsulation）和IPSec（IP层安全协议，Internet
Protocol Security）
－IPSec的应用最为广泛，是事实上的网络层安全标准。
¾ 不同协议层次的隧道协议各有优缺点，可考虑将其结合以构
建虚拟专用网的完整解决方案。
VPN的QoS机制
¾ 应该在VPN建立隧道的网段实行QoS，才能建立一条性能符合
用户要求的隧道。
¾ 不同应用对网络通信的不同要求体现在：
－带宽：网络提供给用户的传输率；
－反应时间：用户所能容忍的数据包传输延时；
－抖动：延时的变化；
－丢包率：数据包丢失的比率。
¾ QoS机制具有：通信处理机制以及供应和配置机制
VPN的QoS机制
¾ 网络管理员通常基于一定的策略机制（策略数据、策略决定
点、策略加强点以及策略协议）进行QoS配置。
¾ SNMP（简单网络管理协议，Simple Network Management
Protocol）：常用的策略协议。
¾ QoS机制相互作用可使网络资源得到最大化利用，同时向用
户提供性能良好的网络服务。
VPN的分类
¾ 根据VPN的组网方式、连接方式、访问方式、隧道协议、工
作的层次（OSI模型或TCP/IP模型）等的不同，可以有多种
分类方式。P148
¾ 结合当前主要应用，VPN主要有两种类型：P146
①远程访问/移动用户的VPN连接/Access VPN
－实现用户安全的远程访问（企业内部人员的移动、远程办公
需要，或商家提供B2C的安全访问服务）
－工作过程
－核心技术：第二层隧道技术（优缺点）
VPN的分类（续）
②网关-网关的VPN连接
－组建安全的内联网或企业外联网
－核心技术：主要使用IPSec协议（第三层隧道技术）来建立
加密传输数据的隧道
－Intranet VPN：用于构建内联网（企业内部各分支机构互
联）
－Extranet VPN：用于企业的合作者之间互联
思考题：对“Intranet与Extranet的区别在于后者往往结合
PKI使用”的理解。
IPv4的缺陷
¾ 缺乏对通信双方身份真实性的鉴别能力
¾ 缺乏对传输数据的完整性和机密性保护的机制
¾ 由于IP地址可软件配置以及基于源IP地址的鉴别机
制，IP层存在：
业务流被监听和捕获、IP地址欺骗、信息泄漏和数据
项窜改等攻击。
IPSec与VPN实现
1
IPSec安全协议2
IPSec密钥管理3
IPSec架构
IPSec架构
¾ IPSec是提供网络层通信安全的一套协议簇
¾ IPSec只是一个开放的结构，通过在主IP报头后面接续扩展
报头，为目前流行的数据加密或认证算法的实现提供统一
的数据结构
¾ 需求：身份认证、数据完整性和保密性
¾ IPSec在IPv6中是强制的，在IPv4中是可选的
IPSec的历史
¾ 1994年IETF专门成立IP安全协议工作组，来制定和推动一套
称为IPSec的IP安全协议标准。
¾ 1995年8月公布了一系列关于IPSec的建议标准。
¾ 1996年，IETF公布下一代IP的标准IPv6，把鉴别和加密作为
必要的特征，IPSec成为其必要的组成部分。
¾ 1999年底，IETF安全工作组完成了IPSec的扩展，在IPSec协
议中加上ISAKMP（因特网安全关联和密钥管理协议），IKE
（密钥交换协议）、Oakley（密钥确定协议）。
ISAKMP/IKE/Oakley支持自动建立加密、鉴别信道，以及密
钥的自动安全分发和更新。
¾ 幸运的是，IPv4也可以实现这些安全特性。
IPSec的应用方式
¾ 端到端（end－end）：主机到主机的安全通信
¾ 端到路由（end－router）：主机到路由设备之间的安全
通信
¾ 路由到路由（router－router）：路由设备之间的安全
通信，常用于在两个网络之间建立虚拟专用网
IPSec的好处
¾ 对应用和最终用户透明
¾ 在防火墙或路由器中实现时，
－可以防止IP旁路。
－可以对所有跨越周界的流量实施强安全性。而公司内
部或工作组不必承担与安全相关处理的负担。
¾ 需要时IPSec可以提供个人安全性
¾ 弥补IPv4在协议设计时缺乏安全性考虑的不足
IPSec的内容
¾ 协议部分，分为：
－AH（认证头，Authentication Header）： 提供完整性保护
和抗重放攻击；
－ESP（封装安全载荷，Encapsulating Security
Payload） ：提供机密性、完整性保护和抗重放攻击；
¾ 密钥管理（Key Management）
－SA（Security Association）
－ISAKMP定义了密钥管理框架
－IKE是目前正式确定用于IPSec的密钥交换协议
IPSec安全体系结构（P162）
IPIP安全结构安全结构
ESPESP协议协议
加密算法加密算法 认证算法认证算法
密钥管理协议密钥管理协议 AHAH协议协议
解释域（解释域（DOIDOI））
与IPSec相关的标准
IPSec安全协议——ESP
¾ ESP机制通过将整个IP分组或上层协议部分（即传输层协议
数据）封装到一个ESP载荷之中，然后对此载荷进行相应的
安全处理，如加密处理、认证处理等，实现对通信的机密性
或/和完整性保护。
¾ 加密算法和认证算法由SA指定。
¾ 根据ESP封装的载荷内容不同，将ESP分为两种模式：
－传输（transport）模式：将上层协议部分封装到ESP载荷之
中；（P163 图5－13）
－隧道（tunnel）模式：将整个IP分组封装到ESP载荷之中。
（P164 图5－14）
ESP传输模式
ESP传输模式封装示意图
原IP
报头
ESP
报头
IP有效载荷
ESP
报尾
ESP
认证报尾
传输层
协议报头 数据
加密部分
完整性检查部分
ESP传输模式
¾ 优点：
－内网的其他用户也不能理解通信主机之间的通信内容。
－分担了IPSec处理负荷。
¾ 缺点：
－不具备对端用户的透明性，用户为获得ESP提供的安全服务，
必须付出内存、处理时间等代价。
－不能使用私有IP地址。
－暴露了子网的内部拓扑。
ESP隧道模式
ESP隧道模式封装示意图
新IP
报头
ESP
报头
IP有效载荷
ESP
报尾
ESP
认证报尾
传输层
协议报头 数据
加密部分
完整性检查部分
原IP
报头
ESP隧道模式
¾ 优点：
－保护子网中的所有用户都可以透明地享受由安全网关提供的
安全保护。
－子网内部可以使用私有IP地址。
－子网内部的拓扑结构受到保护。
¾ 缺点：
－增大了安全网关的处理负荷，容易形成通信瓶颈。
－对内部的诸多安全问题将不可控。
IPSec安全协议——AH
¾ 为IP包提供数据完整性、数据源身份认证和抗重放攻击服
务；
¾ 利用MAC码实现认证，双方必须共享一个密钥
¾ 认证算法由SA指定
－认证的范围：整个包
¾ 两种认证模式：
－传输模式：不改变IP地址，插入一个AH；
－隧道模式：生成一个新的IP头，把AH和原来的整个IP包放到
新IP包的净荷数据中。
AH两种模式封装示意图
新IP
报头 AH
传输层
协议报头 数据
认证（除新IP报头中的易变字段）
原IP
报头
原IP
报头 AH
传输层
协议报头 数据
认证（除易变字段）
传输模式
隧道模式
AH和ESP联合使用（1）
¾ 传输邻接
使用两个捆绑的传输SA，内部是ESP SA（没有认证选项），
外部是AH SA。
原IP
报头 AH
ESP
报尾
传输层
协议报头 数据
加密部分
完整性检查部分
ESP
报头
AH和ESP联合使用（2）
¾ 传输隧道束
－加密之前进行认证更可取；
－内部的AH传输SA＋外部的ESP隧道SA
新IP
报头
原IP
报头
ESP
报尾
传输层
协议报头 数据
加密部分
认证（除易变字段）
ESP
报头 AH
IPSec密钥管理
¾ 完成安全参数的协商和管理。
¾ 通过安全联盟（SA，Security Association）描述IPSec数
据封装的安全参数。
¾ SA创建方式：
－手工的
－自动的：互联网密钥交换协议（ IKE ， Internet Key
Exchange）
¾ 作用：在IPSec通信双方之间通过协商建立起共享安全参数
及验证过的密钥，IKE代表IPSec对SA进行协商，并对SADB
进行填充。
安全关联SA（1）
¾ SA是IP认证和保密机制中最关键的概念。
¾ 一个关联就是发送与接收者之间的一个单向关系，是与给定
的一个网络连接或一组网络连接相关联的安全信息参数集
合。
¾ 如果需要一个对等关系，即双向安全交换，则需要两个SA。
¾ 每个SA通过三个参数来标识<SPI,dst,Protocol>
－安全参数索引SPI（Security Parameters Index）
－目的IP地址
－安全协议标识： ESP或AH
安全关联SA（2）
¾ SA所提供的安全服务由所选择的安全协议、协议模式、SA终
端通信实体类型以及在安全协议内所选择的安全服务来决
定。
¾ SA与IPSec系统中实现的两个数据库有关
－安全策略数据库（SPD）：定义了进出主机或安全网关的IP数
据流的处理策略（丢弃数据包；绕过IPSec；应用IPSec）；
－安全关联数据库（SAD）：定义了与每一个SA相关的参数。
Internet密钥交换IKE
¾ IKE协议
－RFC 2409，是Oakley和SKEME协议的一种混合
－基于ISAKMP框架
－Oakley和SKEME定义了通信双方建立共享密钥必须采取的步骤
－是一种常规用途的安全协议，其规范在DOI中定义
¾ ISAKMP ： Internet Security Association and Key
Management Protocol
－RFC 2408
－是一个针对认证和密钥交换的框架
IKE的交换的基本参数（P167）
¾ IKE协商的最终结果：一个通过验证的密钥，以及建立双方共享的安全服
务参数集合（产生IPSec的SA）。
¾ 根据生成密钥和保护对象的不同，IKE协议的执行分为两个独立的阶段：
¾ 第一阶段：生成ISAKMP SA（双方商定如何保护以后的通讯，通信双方建
立一个已通过身份认证和安全保护的通道；此SA将用于保护后面的
Protocol SA的协商过程）
－两种模式：主模式和激进模式
－基本的身份认证方法：预共享密钥；数字签名；公钥加密及改进
¾ 第二阶段：建立针对其他安全协议的SA，如IKE SA（这个阶段可以建立
多个SA；此SA将被相应的安全协议用于保护数据或者消息的交换）
－快速模式
VPN的安全性
1
网络中的VPN2
VPN技术的发展3
IPSec的安全性
IPSEC的安全性
¾ 虽然到目前为止，全球安全专家普遍认为IPSec是最安全的IP
协议，但也并非全是赞美之词，最主要的批评是它的复杂
性。
¾ 对IPSec的形形色色的攻击：P172
网络中的VPN——VPN与路由器
¾ 路由器与VPN的组合对于企业网络并不常见。
－路由器本身通常依靠外部日志资源来记录信息，再加上加解
密VPN信息带来的负担，很容易使一些路由器超负荷。
－防火墙需要加入额外的规则来允许VPN与网络通信，可能引
起安全问题。
网络中的VPN——VPN与防火墙
¾ VPN与防火墙的组合意义：
－防火墙已经记录了大多数的网络连接，再加上一些额外的VPN连接记录不
会增加特别大的负担；
－作为网络入口点的防火墙与VPN端接意味着用户能够访问网络而不必开放
防火墙规则集中额外的漏洞。
¾ 主要缺点：VPN加密/解密处理需占用大量的系统资源，对于
已经有负荷的防火墙，再管理上百个同时运行的VPN隧道时可
能会崩溃。
¾ VPN服务器位于防火墙之前（P175 图5－21）
¾ VPN服务器位于防火墙之后（P176，图5－22）
－目的；优缺点；防火墙的作用
网络中的VPN——专用VPN
¾ 专用VPN设备的主要优点：由专用设备来处理加解密，即使
由于过多的连接而导致它过载，也不会影响到网络的其他
部分。
¾ 主要缺点：它是额外的网络设备，需要对它进行管理、监
控，以便软件升级和防止潜在的安全漏洞。
VPN技术的发展
¾ VPN在降低成本的同时满足了用户对网络带宽、接入和服务
不断增加的需求，VPN必将成为未来网络发展的一个重要方
向。
－Qos技术在VPN技术中的体现
－无线VPN技术的发展
－IPSec的进一步渗透
－SSL应用范围的拓宽
－MPLS VPN发展强劲
－VPN管理有待加强
上海交通大学网络教育学院
谢 谢！
