網際網路安全協定（英語：Internet Protocol Security，縮寫：IPsec）是一個協定套件，透過對IP協定的封包進行加密和認證來保護IP協定的網路傳輸協定族（一些相互關聯的協定的集合）。
標準現狀
IPsec的源始編碼是在IPv4的環境中於1994年開發，第一版IPsec協定在RFC 2401-2409中定義。在2005年第二版標準文件發布，新的文件定義在RFC 4301和RFC 4309中[7][8]。在IPv4中IPsec的使用是一個可選項，在IPv6 RFC 6434中為必選的內容 [9]，這樣做的目的，是為了隨著 IPv6的進一步流行，IPsec可以得到更為廣泛的使用。
歷史概要
從1920-70年代初開始，美國進階研究專案局贊助了一系列實驗性的ARPANET加密裝置，起初用於本地ARPANET封包加密，隨後又用於TCP/IP封包加密。
從1986年到1991年，美國國家安全局在其安全資料網路系統（SDN）計劃下贊助了網際網路安全協定的開發，包括摩托羅拉在內的各種供應商聚集在一起，於1988年生產了一種網路加密裝置，這項工作於1988年由NIST公開發表，其中第3層的安全協定（SP3）演變為ISO標準的網路層安全協定（NLSP）。[10]
從1992年到1995年，有三個研究小組對IP層加密分別進行了獨立研究：
- 1. 1992年，美國海軍研究實驗室（NRL）開始了Simple Internet Protocol Plus（SIPP）專案來進行IP加密協定的研究。
- 2. 1993年，哥倫比亞大學SunOS和AT&T貝爾實驗室，開始由 JohnIoanndis等人研發實驗性軟體IP加密協定 (swIPe)。
- 3. 1993年，在白宮資訊高速公路專案的支援下，Trusted Information Systems（TIS）科學家徐崇偉（Wei Xu）[11] 研究和開發了第一代軟體 IPSEC 協定，它的編碼是在BSD 4.1核心中完成的，支援x86和SUNOS CPU架構，同時開發了硬體安全3DES的加密技術，並為資料加密標準開發了裝置驅動程式。到1994年12月，TIS發布了由DARPA贊助的開放原始碼的「手銬防火牆」產品，其VPN速度超過T1，首次用 IPSec VPN 實現了美國東西海岸安全連結，也是歷史上第一個 IPSec 商用產品。[12]
- 4. 在美國國防部進階研究計劃局（DARPA）資助的研究工作下，1996年，NRL為IPsec開發了IETF標準跟蹤規範（rfc1825到rfc1827），它的編碼是在BSD 4.4核心中，同時支援x86和SPARC CPU架構[13] 。
網際網路工程任務組（IETF）於1992年成立了IP安全工作群組，以規範對 IPsec 的公開協定，1995年工作群組成員有 TIS、Cisco、FTP、Checkpoint 等五個企業組成，首次合作協商改進了 NRL 起草的 IPsec 協定標準，以及規範了 Cisco 和 TIS 提供的 IPsec 開放原始碼，此後，發布了RFC-1825和RFC-1827，NRL在1996年 USENIX 會議論文集中進行了描述了，由麻省理工學院線上提供，並成為大多數初始商業實現的基礎。[14]
設計意圖
IPsec被設計用來提供（1）入口對入口通訊安全，在此機制下，封包通訊的安全性由單個節點提供給多台機器（甚至可以是整個區域網路）；（2）端到端封包通訊安全，由作為端點的電腦完成安全操作。上述的任意一種模式都可以用來構建虛擬私人網路（VPN），而這也是IPsec最主要的用途之一。應該注意的是，上述兩種操作模式在安全的實現方面有著很大差別。
網際網路範圍內端到端通訊安全的發展比預料的要緩慢[來源請求]，其中部分原因，是因為其不夠普遍或者說不被普遍信任。公鑰基礎設施能夠得以形成（DNSSEC最初就是為此產生的），一部分是因為許多使用者不能充分地認清他們的需求及可用的選項，導致其作為內含物強加到賣主的產品中（這也必將得到廣泛採用）；另一部分可能歸因於網路回應的退化（或說預期退化），就像兜售資訊的充斥而帶來的頻寬損失一樣。
IPsec與其它網際網路安全協定的對比
IPsec協定工作在OSI模型的第三層，使其在單獨使用時適於保護基於TCP或UDP的協定（如安全套接子層（SSL）就不能保護UDP層的通訊流）。這就意味著，與傳輸層或更高層的協定相比，IPsec協定必須處理可靠性和分片的問題，這同時也增加了它的複雜性和處理開銷。相對而言，SSL/TLS依靠更高層的TCP（OSI的第四層）來管理可靠性和分片。
技術細節
 | 此條目需要更新。 (2020年5月22日) |
認證頭（Authentication Header，AH）被用來保證被傳輸封包的完整性和可靠性。此外，它還保護不受重放攻擊。認證頭試圖保護IP資料報的所有欄位，那些在傳輸IP封包的過程中要發生變化的欄位就只能被排除在外。當認證頭使用非對稱數位簽章演算法（如RSA）時，可以提供不可否認性（RFC 1826）[15]。
認證頭封包圖示：
| 位偏移 | 位元組 | 0 | 1 | 2 | 3 |
|---|---|---|---|---|---|
| 位 | 0 1 2 3 4 5 6 7 | 0 1 2 3 4 5 6 7 | 0 1 2 3 4 5 6 7 | 0 1 2 3 4 5 6 7 | |
| 0 | 下一個頭 | 載荷長度 | 保留 | ||
| 32 | 安全參數索引（SPI） | ||||
| 64 | 序列號 | ||||
| 96+ | 認證資料（可變長度） | ||||
欄位含義：
- 下一個頭：標識被傳送資料所屬的協定。
- 載荷長度：認證頭包的大小。
- 保留：為將來的應用保留（目前都置為0）。
- 安全參數索引：與IP位址一同用來標識安全參數。
- 序列號：單調遞增的數值，用來防止重放攻擊。
- 認證資料：包含了認證當前包所必須的資料。
封裝安全載荷（Encapsulating Security Payload，ESP）協定對封包提供了源可靠性、完整性和保密性的支援。與AH頭不同的是，IP封包頭部不被包括在內。
ESP封包圖示：
| 位偏移 | 位元組 | 0 | 1 | 2 | 3 | ||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 位 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
| 0 | 安全參數序列（SPI） | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 32 | 序列號 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 64+ | 載荷*（可變長度） | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 填充（0-255位元組） | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 填充長度 | 下一個頭 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 認證資料（可變長度） | |||||||||||||||||||||||||||||||||
欄位含義：
- 安全參數索引：與IP位址一同用來標識安全參數
- 序列號：單調遞增的數值，用來防止重放攻擊。
- 載荷資料：如果沒使用ESP的加密功能，則載荷資料域的內容是「下一個頭」所指示的資料；如果使用了ESP的加密功能，則使用加密載荷資料和ESP尾部資料所得的密文作為payload data.
- 填充：某些塊加密演算法用此將資料填充至塊的長度。
- 填充長度：以位為單位的填充資料的長度。
- 下一個頭：標識載荷中封裝的資料所屬的協定。
- 認證資料：又叫做完整性校驗值（ICV）。包含了認證當前包所必須的資料。
實現
FreeS/WAN專案已經開發了一個開源的GNU/Linux作業系統下的IPsec實現。Free S/WAN專案的開發在2004年時被中止。Openswan、strongSwan和libreswan是Free S/WAN延續。
參見
參考文獻
外部連結
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