VPN基础Virtual Private Network, 虚拟专用網絡

VPN

(Virtual Private Network, 虚拟专用网络)是一个建立在公用网（通常是因特网）上的专用网络，但因为这个专用网络只是逻辑存在并没有实际物理线路，故称为虚拟专用网。

随着因特网的发展壮大，越来越多的数据需要在因特网上进行传输共享，当企业将自身网络接入因特网时，各地的办事处等外部站点可以很方便地访问企业网络，但同时也把企业内部的私有数据暴露给因特网上的其他用户。于是在这种开放的网络环境上搭建专用线路的需求日益强烈，VPN应运而生。

VPN通过隧道技术在两个站点间建立一条虚拟的专用线路，使用端到端的认证和加密保证数据的安全性。典型拓扑如下图所示：

封装与隧道：

封装是指将一种协议承载在另一种协议中进行传输的技术，如PPTP就是将PPP报文封装在GRE协议中。协议B为被承载协议，GRE为承载协议。

隧道指被承载协议的传输通道。

PPTP

点对点隧道协议，是在PPP协议的基础上开发的一种新的增强型安全协议，可以使远程用户安全方便的访问企业网络。PPTP属于二层隧道协议。

L2TP

二层隧道协议（L2TP(Layer 2 Tunneling Protocol），是由IETF起草，微软、Cisco等公司参予制定的二层隧道协议。

PPTP与L2TP区别：

PPTP与L2TP适用于经常有流动人员远程办公的环境，出差员工利用Internet可以很方便的和公司的VPN网关建立私有的隧道连接。PPTP、L2TP提供认证加密功能，可提高网络的安全性。如下图所示，出差员工通过PPTP VPN连接至总部网络。

IPsec VPN

IPsec（IP安全）是一系列服务和协议的集合，是由IETF制定的三层隧道加密协议，它为Internet上数据的传输提供了高质量的、可互操作的、基于密码学的安全保证。特定的通信方之间在IP层通过加密与数据源认证等方式，可以保证双方数据的完整性与机密性。

数据完整性：IPSec接收方对发送方发送来的包进行认证，以确保数据的完整性。

数据机密性：IPSec发送方在通过网络传输包前对数据包进行加密，可以保证数据的安全性。

数据来源认证：IPSec接收方可以认证IPSec报文的发送方是否合法。

为了实现安全的通信，通信双方的IPsec协议必须协商用于编码数据的具体算法，数据格式的安全提议，并通过IKE交换解密编码数据所需的密钥。

IPsec中有两个重要的安全协议，AH（Authentication Header）和ESP（Encapsulating Security Payload）。

AH

AH是认证头协议，主要提供的功能有数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能，可选择的认证算法有MD5、SHA-1等。AH报文头插在标准IP包头后面，保证数据包的完整性和真实性，防止黑客截获数据包或向网络中插入伪造的数据包。

ESP

ESP是报文安全封装协议，与AH协议不同的是，ESP将需要保护的用户数据进行加密后封装到IP包中，可以保证数据的机密性。

常见的加密算法有DES、3DES、AES等。

可以选择MD5、SHA-1算法保证报文的完整性和真实性。

AH和ESP可以单独使用，也可以配合使用。设备支持的AH和ESP联合使用的方式为：先对报文进行ESP封装，再对报文进行AH封装，封装之后的报文从内到外依次是原始IP报文、ESP头、AH头和外部IP头。

目前TL-ER6120支持AH或者ESP，不支持“AH+ESP”。

验证算法

AH和 ESP都能够对 IP报文的完整性进行验证， 以判别报文在传输过程中是否被篡改。验证算法是通过 Hash函数。Hash函数是一种能够接受任意长的消息输入，并产生固定长度输出的算法，该输出称为消息摘要。IPsec 对等体计算摘要，如果两个摘要是相同的，则表示报文是完整未经篡改的。IPsec 使用两种验证算法：

MD5：MD5通过输入任意长度的消息，产生 128bit的消息摘要。

SHA-1：SHA-1通过输入长度小于 2的 64次方比特的消息，产生 160bit的消息摘要。

加密算法

ESP能够对 IP报文内容进行加密保护，防止报文内容在传输过程中被窥探。加密算法实现主要通过对称密钥系统，它使用相同的密钥对数据进行加密和解密。

IPsec常用的三种加密算法：

DES：使用 56bit的密钥对每个 64bit的明文块进行加密。

3DES：使用三个 56bit的 DES密钥（共 168bit密钥）对明文进行加密。3DES具有更高的安全性，但其加密数据的速度要比 DES慢。

AES（Advanced Encryption Standard）：可以实现 128bit、192bit和 256bit密钥长度的 AES算法。

IKE

在 IPsec VPN中，为了保证信息的私密性，通信双方需要使用彼此都知道的信息来对数据进行加密和解密，所以在通信建立之初双方需要协商安全性密钥，这一过程便由 IKE (Internet Key Exchange, 互联网密钥交换)协议完成。

IKE 其实并非一个单独的协议，而是三个协议的混合体。这三个协议分别是 ISAKMP (Internet Security Association and Key Management Protocol, 互联网安全性关联和密钥管理协议)，该协议为交换密钥和 SA (Security Association, 安全联盟)协商提供了一个框架；Oakley 密钥确定协议，该协议描述了密钥交换的具体机制；SKEME安全密钥交换机制，该协议描述了与 Oakley 不同的另一种密钥交换机制。

整个 IKE 协商过程被分为两个阶段。第一阶段，通信双方将协商交换验证算法、加密算法等安全提议，并建立一个 ISAKMP SA，用于在第二阶段中安全交换更多信息。第二阶段，使用第一阶段中建立的 ISAKMP SA 为 IPsec的安全性协议协商参数，创建 IPsec SA，用于对双方的通信数据进行保护。

IKE为IPSec提供自动协商交换密钥、建立和维护SA的服务，以简化IPSec的使用和管理。IPSec所使用的策略和算法等可以手工协商，IKE并不是必须的。

DH（Diffie-Hellman）交换及密钥分发 ：Diffie-Hellman 算法是以蒂夫-海曼的名字命名的一种公共密钥算法。通信双方在不传送密钥的情况下通过交换一些数据，计算出共享的密钥。加密的前提是交换加密数据的双方必须要有共享的密钥。

PFS（Perfect Forward Secrecy）完善的前向安全性： PFS特性是一种安全特性，由于密钥间没有派生关系，即使一个密钥被破解，并不影响其他密钥的安全性。

IPSec主要用在站点到站点（分支结构到分支机构）的方案中。如下图，总部与分支机构各部署一台VPN网关，做好相应配置后，分支机构与总部的内网间可实现透明互访，又可保证通信的安全性。