网络安全中的三大核心协议

一、概述

本课程主要讲解网络安全中的三大核心协议：

• SSL/TLS 协议（传输层安全）
• IPsec 协议（网络层安全）
• SSH 协议（远程管理安全）

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二、IPsec 协议详解

2.1 IPsec 基本概念

位置：网络层协议

核心组成：

• IKE 协议（Internet Key Exchange，互联网密钥交换）- 负责握手和密钥协商
• AH 协议（Authentication Header，认证头）- 协议号 51
• ESP 协议（Encapsulating Security Payload，封装安全载荷）- 协议号 50

与 SSL 协议的对比：

• SSL 位于传输层与应用层之间
• IPsec 位于网络层
• IKE 相当于 SSL 的握手协议
• AH/ESP 相当于 SSL 的记录层协议

2.2 SA（安全联盟）

定义：类似于 SSL 的密码算法套件，定义了通信双方使用的安全参数

生成方式：

1. 手工配置（适用于小型网络、站对站场景）
2. 自动生成（IKE 自动建立、维护、删除）

特性：

• 单向性：一个 SA 只能实现一个功能（如机密性或完整性）
• 如需多个功能，需要建立多个 SA

2.3 IKE 协议（ISAKMP）

两个阶段：

第一阶段：主模式（Main Mode）

• 目的：建立 ISAKMP SA（也叫 IKE SA）
• 消息数量：6 条消息（4+2 结构）
  • 前 4 条：明文状态（协商 SA、交换证书、交换参数）
  • 后 2 条：密文状态（确认信息）

主模式工作流程：

1. 消息 1-2：协商 SA（类似 Client Hello / Server Hello）
2. 消息 3-4：交换证书和密钥参数
   • 使用带签名的数字信封保护 ID 和 Nonce
   • ID：身份信息（密文）
   • Nonce：随机数（密文）
   • SK：临时对称密钥（用对方加密证书的公钥加密）
   • 签名值：保证完整性和真实性
3. 消息 5-6：确认协商结果

生成的密钥：

• 2 个工作密钥（一个用于加密，一个用于完整性校验）
• 1 个会话密钥参数（用于生成第二阶段的会话密钥）

重要提示：主模式生成的工作密钥不是用来保护业务数据的，而是用来保护第二阶段（快速模式）的协商过程！

第二阶段：快速模式（Quick Mode）

• 目的：建立 IPsec SA
• 消息数量：3 条消息
• 状态：全部为密文（使用主模式生成的工作密钥保护）

快速模式协商内容：

• 使用 AH 还是 ESP 协议
• 使用传输模式还是隧道模式
• 加密算法和完整性算法
• 生成会话密钥（真正用于保护业务数据）

2.4 SA 中的关键参数

在 Wireshark 中查看 SA 时，需要关注：

1. 加密算法：SM4-CBC（国密）或 AES（国际）
   • SM1: 值 128
   • SM4: 值 127 或 129
2. 完整性算法：HMAC-SM3 或 HMAC-SHA
   • HMAC-SM3: 值 20
   • HMAC-SHA: 值 2
3. 认证方式：
   • 公钥数字信封（合规）
   • 预共享密钥（不合规，未使用密码技术）
4. 公钥算法：SM2（国密）或 RSA（国际）
   • SM2: 值 2

2.5 AH vs ESP

特性	AH 协议	ESP 协议
机密性	❌ 不支持	✅ 支持
完整性	✅ 支持	✅ 支持
身份认证	✅ 支持	✅ 支持
抗重放	✅ 支持	✅ 支持

使用建议：

• 需要机密性：使用 ESP
• 不需要机密性：可使用 AH
• 需要完整保护：AH + ESP 嵌套使用（此时不启用 ESP 的身份认证功能）

2.6 传输模式 vs 隧道模式

传输模式：

• 不改变原 IP 头
• 只保护 IP 载荷
• 适用于端到端通信

隧道模式：

• 新增一个 IP 头
• 保护原 IP 头和载荷
• 适用于站到站通信（VPN 场景）

2.7 IPsec 三层密钥体系

设备密钥（非对称）
    ↓
工作密钥（对称）- 保护快速模式
    ↓
会话密钥（对称）- 保护业务数据

与 SSL 的区别：

• SSL：设备密钥 → 预主密钥 → 主密钥 → 工作密钥（保护业务数据）
• IPsec：设备密钥 → 工作密钥（保护协商） → 会话密钥（保护业务数据）

2.8 IPsec 应用场景

1. 站到站（最常见）：总公司 ↔ 分公司
2. 端到站：远程办公 ↔ 公司网络
3. 端到端：终端 ↔ 终端

典型应用：

• 跨单位系统互联（如社保系统 ↔ 银行系统）
• 分支机构互联
• VPN 隧道

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三、SSL/TLS 协议要点

3.1 协议位置

• 位于传输层和应用层之间
• HTTPS 的核心就是 SSL/TLS

3.2 核心组成

• 握手协议：身份认证、密钥协商、算法协商
• 记录层协议：数据封装、加密、完整性保护

3.3 握手过程（四个阶段）

1. 阶段 1：Client Hello / Server Hello（协商版本和算法）
2. 阶段 2：服务端发送证书和参数
3. 阶段 3：客户端发送证书和参数（可选）
4. 阶段 4：双方确认（密文状态）

3.4 身份认证

• 单向认证：只验证服务端证书（常见）
• 双向认证：同时验证服务端和客户端证书（需要证书请求）

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四、SSH 协议

4.1 基本概念

• 用途：远程管理网络设备和服务器
• 优势：相比 Telnet，SSH 提供加密传输

4.2 版本要求

• SSH 1.0：不安全（使用 CRC 校验，非密码技术）❌
• SSH 2.0：相对安全 ✅
• GM SSH（国密 SSH）：符合国密标准，但目前无成熟产品

4.3 协商过程（四个阶段）

1. 版本协商（1.0 还是 2.0）
2. 算法协商（加密算法、完整性算法）
3. 密钥协商
4. 认证确认

4.4 Wireshark 分析要点

查看 SSH 数据包时关注：

• 版本：v1 还是 v2
• 加密算法：如 AES-128-CBC
• 完整性算法：如 HMAC-MD5

4.5 合规性

• SSH 2.0 可以得分，但得不了满分（因为不是国密）
• 远程管理通道的常见方式

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五、协议对比总结

特性	SSL/TLS	IPsec	SSH
协议层	传输层-应用层	网络层	应用层
应用场景	HTTPS、端到站	VPN、站到站	远程管理
握手协议	握手协议	IKE (ISAKMP)	版本+算法协商
数据封装	记录层协议	AH/ESP	加密通道
身份认证	单向/双向	双向（对等）	双向
密钥体系	3 层	3 层	2 层

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六、重要考点提示

6.1 数值记忆

• SM4 加密算法：127、129
• SM1 加密算法：128
• HMAC-SM3：20
• HMAC-SHA：2
• SM2 公钥算法：2

6.2 协议号

• AH 协议：51
• ESP 协议：50

6.3 关键概念

1. 抗重放：核心是随机性、唯一性、无规律
2. 预共享密钥：不合规（未使用密码技术）
3. 主模式 vs 快速模式：
   • 主模式生成 IKE SA（保护快速模式）
   • 快速模式生成 IPsec SA（保护业务数据）
4. 传输模式 vs 隧道模式：
   • 传输模式：不新增 IP 头
   • 隧道模式：新增 IP 头

6.4 Wireshark 分析技巧

1. 过滤 IPsec：使用 isakmp 过滤器
2. 主模式：6 条消息（4 明文 + 2 密文）
3. 快速模式：3 条消息（全密文）
4. 查看 SA 参数：加密算法、完整性算法、认证方式、公钥算法

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七、学习建议

1. 理解协议分层：明确每个协议在 OSI 模型中的位置
2. 掌握密钥体系：理解设备密钥、工作密钥、会话密钥的关系
3. 实践抓包分析：使用 Wireshark 分析真实数据包
4. 对比学习：SSL、IPsec、SSH 的异同点
5. 关注国密标准：GM/T 0022（IPsec）、GM/T 0129（SSH）

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八、测评要点

网络和通信安全

• 身份认证：单向（三级及以下）、双向（四级及以上）
• 机密性：使用国密算法（SM1/SM4）
• 完整性：使用 HMAC-SM3
• 边界访问控制：VPN 需有认证证书

合规性判断

• ✅ 合规：SSL（国密套件）、IPsec（公钥数字信封）、SSH 2.0（部分分）
• ❌ 不合规：Telnet、SSH 1.0、IPsec（预共享密钥）

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本文章涵盖 IPsec、SSL/TLS、SSH 三大协议的核心知识点。