IPSec不是一個單獨的協議，而是一套網絡安全協議族，包括網絡認證協議AH（Authentication Header，認證頭）、ESP（Encapsulating Security Payload，封裝載荷）和密鑰管理協議IKE（Internet Key Exchange， 因特網密鑰交換）以及用戶網絡認證及加密的一些算法等。

IPSec工作模式分為：傳輸模式（transport）和隧道模式（tunnel）兩種。簡單來說傳輸模式是原始二層數據包不再附加二三四層頭、隧道模式是原始二層數據包經過協議隧道封裝是添加上二三四層頭，IPSec的隧道模式就是在原始的ip數據包外面再封裝了一層ip頭，所以IPSec也經常被大家稱作三層隧道協議。下面就帶大家詳細的了解一些這些具體的協議，以及IPSec協議實際應用中占據重要地位的穿越NAT實現。

Part 01、安全協議——AH協議 

AH協議是一種基于IP的傳輸協議，協議號為51。具體工作方式是在每一個數據包的標準IP報文頭部后面添加一個AH報文頭：

AH協議發送方會對數據包和認證密鑰進行hash計算，接收方收到報文之后，按照一樣的算法進行hash計算并與原計算結果進行比較，如果不一致，可以推斷出數據包在傳輸過程中遭到了修改或者破壞。通過這樣的方式，能提供數據來源認證和數據完整性校驗。值得一提的是AH協議的完整性校驗范圍是整個IP報文。

AH報文頭中有幾個重要的字段值得關注：安全參數索引（SPI）用于唯一標識IPSec安全聯盟，序列號唯一標識每一個數據包，能用于防重放攻擊。

Part 02、安全協議——ESP協議  

和AH協議一樣，ESP協議也是一種基于IP的傳輸層協議，協議號為50。具體的工作方式是在每一個數據包的IP報文頭后面添加一個ESP報文頭，值得注意的是，在數據包尾部還追加一個ESP尾部（ESP Tail和ESP Auth Data），同時還有一點與AH協議不同的是，ESP協議僅對IP數據包的有效載荷進行加密，對IP報文頭是沒有進行加密保護的。

和AH協議類似，ESP報文頭中也有安全參數索引（SPI）和序列號兩個字段，并且，AH協議和ESP協議的認證算法是相通的。

AH協議和ESP協議具體的比較如下：

總結：AH協議不能提供數據包加密功能，ESP協議驗證范圍不包括IP頭部，故在安全性要求較高的場景中可以考慮聯合使用AH協議和ESP協議。

Part 03、  IKE協議 

簡單來說，IKE協議是動態協商IPSec隧道的協議，能完成身份驗證、密鑰交換、生成IPSec SA，協商過程中，數據包具體采用AH協議還是ESP協議封裝以及身份認證就定下來了。

IKE協議目前有兩個版本：IKEv1和IKEv2，IKEv2在v1的基礎上，不僅簡化了SA的協商過程，提高了協商效率，而且修復了多處公認的密碼學方面的安全漏洞，提高了安全性能，所以實際IKEv2應用更加廣泛。

以IKEv2為例，通過初始交換可以協商建立第一對IPSec SA，這其中包含兩次交互四條消息，包含加密和驗證算法等參數協商，生成共享密鑰，完成身份認證、消息認證。如果需要創建多對IPSec SA，可以通過創建子SA交換過程協商出來，同時在協商過程中存在一些控制信息的傳遞，例如錯誤消息或者通告消息，這些信息是通過通知交換完成的。

Part 04、 NAT穿越 

IPSec協議能得到廣泛應用，除了能提供安全加密的傳輸之外，另一個重要原因是能夠實現NAT穿越，這在現網傳輸中是極其重要的，因為公網IP資源有限，絕大部分設備都是通過NAT轉換之后共享公網IP資源傳輸交換報文的，所以穿越NAT在現網應用中是極其重要的。

如前文描述的AH協議和ESP協議的特點，我們發現AH協議不能穿越NAT，原因是NAT會修改報文的IP頭，但是AH完整性校驗是基于整個IP報文的，所以導致AH協議下IPSec不能穿越NAT。而ESP報文的完整性校驗不包括IP頭，IP地址轉換也不會破壞ESP的hash值，所以在只做IP轉換的NAT場景下，ESP協議封裝是支持NAT穿越的。但是很多時候，公網IP是共用的，所以NAT轉換不僅需要轉換IP，同時需要轉換端口，但是ESP協議對IP有效載荷進行加密了，導致無法對端口號進行修改，這也是很多IP in IP的隧道無法穿越NAT的根本原因，解決辦法是再加一個UDP報文頭——NAT-T（NAT Traversal），源目的端口號均是4500。

NAT-T的方式隧道能解決IPSec穿越NAT的問題，但是穿越NAT之后同樣存在以下兩個問題：一是穿越NAT后的身份認證及IP地址復用的問題。在目前的IP網絡中，IP即為身份標識，但是NAT之后IP會發生變化，當前國內主要采用字符串取代IP地址作為身份標識的方式，這樣就不受NAT影響了。二是ESP協議是基于IP的協議，當NAT網關背后存在多個ESP應用端，且地址復用一個，那么無法只根據IP協議號進行反向映射，ESP協議必須要做出改變。這一點在NAT-T流程中會有具體的體現，下面我們詳細闡述NAT-T流程。

首先判斷雙方是否支持NAT-T。當開啟NAT穿越時，IKE協商過程中會發送標識NAT-T能力的vendor ID載荷，用于檢查通信雙方是否支持NAT-T，只有當雙方都在各自的消息中包含了該載荷，后續才會進行相關的NAT-T協商。其次是判斷鏈路上是否存在NAT設備。在IKE協商中，會發送NAT-D（NAT Discovery）載荷，這個載荷用于探測NAT設備，雙方都會向對方發送源目的IP和端口的hash值，存放在該載荷中，如果在傳輸過程中發生改變，hash值會相應的改變，判斷hash值就可以判斷鏈路中是否存在NAT轉換。最后是ESP處理，在前兩步的前提下，當發現NAT網關之后，后續的IKE報文端口號轉換成4500。

上述技術雖然能實現NAT穿越，但是也存在一定的局限性：使用NAT-T功能會導致在IKE協商過程中增加大約200字節的開銷，數據傳輸過程中也會增加大約20字節的開銷；同時不能采用AH協議，一定程度上也會降低安全性；NAT設備無法保證始終固定的IP和固定的端口為內部主機提供訪問映射，所以IPSec必須能夠自動檢測變化，以保證通訊始終暢通。

Part 05、  后記 

IPSec自從1990年被開發出來以來，目前為止已經應用超過30年，技術的發展經過一代代的積累也日漸成熟，基礎的交換流程也比較完備，未來的發展方向大概率是在認證和加密算法上面。美國NIST在2020年也發布過特別出版物《IPSec VPNs指南》，文中指出IETF正著力于研究各類IKE與IPSec擴展議題，同時也介紹了在組播與組認證、ESP中的隱式IV、后量子密鑰交換等方面的努力。未來我們將及時關注最新的IPSec技術，在實際生產和工作中進行應用，為中國移動新型網絡架構添磚加瓦。