路由（四）：VPN – 网际星云

VPN（Virtual Private Network）：在公用网络上建立专用网络，进行加密通讯。
VPN协议的分类：
1）PPTP（点对点隧道协议）：属于二层隧道协议；是由包括微软和3Com等公司组成的PPTP论坛开发的一种点对点隧道协，基于拨号使用的PPP协议使用PAP或CHAP之类的加密算法，或者使用Microsoft的点对点加密算法MPPE。其通过跨越基于 TCP/IP 的数据网络创建 VPN 实现了从远程客户端到专用企业服务器之间数据的安全传输。PPTP 支持通过公共网络(例如 Internet)建立按需的、多协议的、虚拟专用网络。PPTP 允许加密 IP 通讯，然后在要跨越公司 IP 网络或公共 IP 网络(如 Internet)发送的 IP 头中对其进行封装。
2）L2TP（第二层隧道协议）：属于二层隧道协议；是IETF基于L2F (Cisco的第二层转发协议)开发的PPTP的后续版本。是一种工业标准 Internet 隧道协议，其可以为跨越面向数据包的媒体发送点到点协议 (PPP) 框架提供封装。PPTP和L2TP都使用PPP协议对数据进行封装，然后添加附加包头用于数据在互联网络上的传输。PPTP只能在两端点间建立单一隧道。 L2TP支持在两端点间使用多隧道，用户可以针对不同的服务质量创建不同的隧道。L2TP可以提供隧道验证，而PPTP则不支持隧道验证。但是当L2TP 或PPTP与IPSEC共同使用时，可以由IPSEC提供隧道验证，不需要在第2层协议上验证隧道使用L2TP。
3）IPSEC：属于三层隧道协议；IPSec 的隧道是封装、路由与解封装的整个过程。隧道将原始数据包隐藏(或封装)在新的数据包内部。该新的数据包可能会有新的寻址与路由信息，从而使其能够通过网络传输。隧道与数据保密性结合使用时，在网络上窃听通讯的人将无法获取原始数据包数据(以及原始的源和目标)。封装的数据包到达目的地后，会删除封装，原始数据包头用于将数据包路由到最终目的地。隧道本身是封装数据经过的逻辑数据路径，对原始的源和目的端，隧道是不可见的，而只能看到网络路径中的点对点连接。连接双方并不关心隧道起点和终点之间的任何路由器、交换机、代理服务器或其他安全网关。将隧道和数据保密性结合使用时，可用于提供VPN。

IPSec VPN的应用场景：
1）Site-to-Site（站点到站点或者网关到网关）：如3个机构分布在互联网的3个不同的地方，各使用一个网关相互建立VPN隧道，企业内网（若干PC）之间的数据通过这些网关建立的IPSec隧道实现安全互联。
2）End-to-End（端到端或者PC到PC）：两个PC之间的通信由两个PC之间的IPSec会话保护，而不是网关。
3）End-to-Site（端到站点或者PC到网关）：两个PC之间的通信由网关和异地PC之间的IPSec进行保护。

IPSec VPN的协议组成：
1）AH协议（Authentication Header，使用较少）：可以同时提供数据完整性确认、数据来源确认、防重放等安全特性；AH常用摘要算法（单向Hash函数）MD5和SHA1实现该特性。
2）ESP协议（Encapsulated Security Payload，使用较广）：可以同时提供数据完整性确认、数据加密、防重放等安全特性；ESP通常使用DES、3DES、AES等加密算法实现数据加密，使用MD5或SHA1来实现数据完整性。
AH无法提供数据加密，所有数据在传输时以明文传输，ESP提供数据加密；AH因为提供数据来源确认（源IP地址一旦改变，AH校验失败），所以无法穿越NAT。

IPSec VPN的封装模式：
1）传输模式（Transport）：
2）隧道模式（Tunnel）：
传输模式在AH、ESP处理前后IP头部保持不变，主要用于端到端（End-to-End）的应用场景。隧道模式则在AH、ESP处理之后再封装了一个外网IP头，主要用于站点到站点（Site-to-Site）的应用场景。
隧道模式虽然可以适用于任何场景，但是隧道模式需要多一层IP头（通常为20字节长度）开销，所以在PC到PC的场景，建议还是使用传输模式。

如上图所示，如果发起方内网PC发往响应方内网PC的流量满足网关的兴趣流匹配条件，发起方使用传输模式进行封装：
1） IPSec会话建立在发起方、响应方两个网关之间。
2）由于使用传输模式，所以IP头部并不会有任何变化，IP源地址是192.168.1.2，目的地址是10.1.1.2。
3）这个数据包发到互联网后，其命运注定是杯具的，为什么这么讲，就因为其目的地址是10.1.1.2吗？这并不是根源，根源在于互联网并不会维护企业网络的路由，所以丢弃的可能性很大。
4）即使数据包没有在互联网中丢弃，并且幸运地抵达了响应方网关，那么我们指望响应方网关进行解密工作吗？凭什么，的确没什么好的凭据，数据包的目的地址是内网PC的10.1.1.2，所以直接转发了事。
5）最杯具的是响应方内网PC收到数据包了，因为没有参与IPSec会话的协商会议，没有对应的SA，这个数据包无法解密，而被丢弃。
我们利用这个反证法，巧妙地解释了在站点到站点（Site-to-Site）情况下不能使用传输模式的原因。并且提出了使用传输模式的充要条件：兴趣流必须完全在发起方、响应方IP地址范围内的流量。比如在图中，发起方IP地址为6.24.1.2，响应方IP地址为2.17.1.2，那么兴趣流可以是源6.24.1.2/32、目的是2.17.1.2/32，协议可以是任意的，倘若数据包的源、目的IP地址稍有不同，对不起，请使用隧道模式。

IPSec相关名词解析：
1）兴趣流：IPSec是需要消耗资源的保护措施，并非所有流量都需要IPSec进行处理，而需要IPSec进行保护的流量就称为兴趣流，最后协商出来的兴趣流是由发起方和响应方所指定兴趣流的交集，如发起方指定兴趣流为192.168.1.0/24➡10.0.0.0/8，而响应方的兴趣流为10.0.0.0/8➡192.168.0.0/16，那么其交集是192.168.1.0/24➡10.0.0.0/8，这就是最后会被IPSec所保护的兴趣流。
2）发起方（Initiator）：IPSec会话协商的触发方，IPSec会话通常是由指定兴趣流触发协商，触发的过程通常是将数据包中的源、目的地址、协议以及源、目的端口号与提前指定的IPSec兴趣流匹配模板如ACL进行匹配，如果匹配成功则属于指定兴趣流。指定兴趣流只是用于触发协商，至于是否会被IPSec保护要看是否匹配协商兴趣流，但是在通常实施方案过程中，通常会设计成发起方指定兴趣流属于协商兴趣流。
3）响应方（Responder）：IPSec会话协商的接收方，响应方是被动协商，响应方可以指定兴趣流，也可以不指定（完全由发起方指定）。
4）协商内容：双方身份的确认和密钥种子刷新周期、AH/ESP的组合方式及各自使用的算法，还包括兴趣流、封装模式等。
5）SA：发起方、响应方协商的结果就是曝光率很高的SA，SA通常是包括密钥及密钥生存期、算法、封装模式、发起方、响应方地址、兴趣流等内容。

SSL VPN：使用者利用浏览器内建的Secure Socket Layer封包处理功能，用浏览器通过SSL VPN网关连接到公司内部SSL VPN服务器，然后透过网络封包转向的方式,让使用者可以在远程计算机执行应用程序，读取公司内部服务器数据。它采用标准的安全套接层SSL对传输中的数据包进行加密，从而在应用层保护了数据的安全性。
典型的SSL VPN应用如OpenVPN，是一个比较好的开源软件。PPTP主要为那些经常外出移动或家庭办公的用户考虑；而OpenVPN主要是针对企业异地两地总分公司之间的VPN不间断按需连接，例如ERP在企业中的应用。
SSL独立于应用，因此任何一个应用程序都可以享受它的安全性而不必理会执行细节。SSL置身于网络结构体系的传输层和应用层之间。此外，SSL本身就被几乎所有的Web浏览器支持。这意味着客户端不需要为了支持SSL连接安装额外的软件。这两个特征就是SSL能应用于VPN的关键点。