Internet密鑰交換（IKE）
兩臺IPSec計算機在交換數(shù)據(jù)之前，必須首先建立某種約定，這種約定，稱為"安全關(guān)聯(lián)"，指雙方需要就如何保護信息、交換信息等公用的安全設(shè)置達(dá)成一致，更重要的是，必須有一種方法，使那兩臺計算機安全地交換一套密鑰，以便在它們的連接中使用。見圖七。
圖七、Internet密鑰交換
Internet 工程任務(wù)組IETF制定的安全關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)法和密鑰交換解決方案--IKE（Internet密鑰交換）負(fù)責(zé)這些任務(wù)，它提供一種方法供兩臺計算機建立安全關(guān)聯(lián) (SA)。SA 對兩臺計算機之間的策略協(xié)議進行編碼，指定它們將使用哪些算法和什么樣的密鑰長度，以及實際的密鑰本身。IKE主要完成兩個作用：
·安全關(guān)聯(lián)的集中化管理，減少連接時間
·密鑰的生成和管理
一、什么是SA？
安全關(guān)聯(lián)SA（Security Association）是單向的，在兩個使用 IPSec的實體（主機或路由器）間建立的邏輯連接，定義了實體間如何使用安全服務(wù)（如加密）進行通信。它由下列元素組成：1）安全參數(shù)索引SPI；2）IP目的地址；3）安全協(xié)議。
SA是一個單向的邏輯連接，也就是說，在一次通信中，IPSec 需要建立兩個SA，一個用于入站通信，另一個用于出站通信。若某臺主機，如文件服務(wù)器或遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器，需要同時與多臺客戶機通信，則該服務(wù)器需要與每臺客戶機分別建立不同的SA。每個SA用唯一的SPI索引標(biāo)識，當(dāng)處理接收數(shù)據(jù)包時，服務(wù)器根據(jù)SPI值來決定該使用哪種SA。
二、第一階段SA（主模式SA，為建立信道而進行的安全關(guān)聯(lián)）
IKE建立SA分兩個階段。第一階段，協(xié)商創(chuàng)建一個通信信道（IKE SA），并對該信道進行認(rèn)證，為雙方進一步的IKE通信提供機密性、數(shù)據(jù)完整性以及數(shù)據(jù)源認(rèn)證服務(wù)；第二階段，使用已建立的IKE SA建立IPsec SA。分兩個階段來完成這些服務(wù)有助于提高密鑰交換的速度。 第一階段協(xié)商（主模式協(xié)商）步驟：
1．策略協(xié)商，在這一步中，就四個強制性參數(shù)值進行協(xié)商：
1）加密算法：選擇DES或3DES
2）hash算法：選擇MD5或SHA
3）認(rèn)證方法：選擇證書認(rèn)證、預(yù)置共享密鑰認(rèn)證或Kerberos v5認(rèn)證
4）Diffie-Hellman組的選擇
2．DH交換
雖然名為"密鑰交換"，但事實上在任何時候，兩臺通信主機之間都不會交換真正的密鑰，它們之間交換的只是一些DH算法生成共享密鑰所需要的基本材料信息。DH交換，可以是公開的，也可以受保護。在彼此交換過密鑰生成"材料"后，兩端主機可以各自生成出完全一樣的共享"主密鑰"，保護緊接其后的認(rèn)證過程。
3．認(rèn)證 DH交換需要得到進一步認(rèn)證，如果認(rèn)證不成功，通信將無法繼續(xù)下去。"主密鑰"結(jié)合在第一步中確定的協(xié)商算法，對通信實體和通信信道進行認(rèn)證。在這一步中，整個待認(rèn)證的實體載荷，包括實體類型、端口號和協(xié)議，均由前一步生成的"主密鑰"提供機密性和完整性保證。
三、第二階段SA（快速模式SA，為數(shù)據(jù)傳輸而建立的安全關(guān)聯(lián)）
這一階段協(xié)商建立IPsec SA，為數(shù)據(jù)交換提供IPSec服務(wù)。第二階段協(xié)商消息受第一階段SA保護，任何沒有第一階段SA保護的消息將被拒收。
第二階段協(xié)商（快速模式協(xié)商）步驟：
1．策略協(xié)商，雙方交換保護需求：
·使用哪種IPSec協(xié)議：AH或ESP
·使用哪種hash算法：MD5或SHA
·是否要求加密，若是，選擇加密算法：3DES或DES 在上述三方面達(dá)成一致后，將建立起兩個SA，分別用于入站和出站通信。
2．會話密鑰"材料"刷新或交換
在這一步中，將生成加密IP數(shù)據(jù)包的"會話密鑰"。生成"會話密鑰"所使用的"材料"可以和生成第一階段SA中"主密鑰"的相同，也可以不同。如果不做特殊要求，只需要刷新"材料"后，生成新密鑰即可。若要求使用不同的"材料"，則在密鑰生成之前，首先進行第二輪的DH交換。
3．SA和密鑰連同SPI，遞交給IPSec驅(qū)動程序。
第二階段協(xié)商過程與第一階段協(xié)商過程類似，不同之處在于：在第二階段中，如果響應(yīng)超時，則自動嘗試重新進行第一階段SA協(xié)商。
第一階段SA建立起安全通信信道后保存在高速緩存中，在此基礎(chǔ)上可以建立多個第二階段SA協(xié)商，從而提高整個建立SA過程的速度。只要第一階段SA不超時，就不必重復(fù)第一階段的協(xié)商和認(rèn)證。允許建立的第二階段SA的個數(shù)由IPSec策略屬性決定。
四、SA生命期
第一階段SA有一個缺省有效時間，如果SA超時，或"主密鑰"和"會話密鑰"中任何一個生命期時間到，都要向?qū)Ψ桨l(fā)送第一階段SA刪除消息，通知對方第一階段SA已經(jīng)過期。之后需要重新進行SA協(xié)商。第二階段SA的有效時間由IPSec驅(qū)動程序決定。
密鑰保護
一、密鑰生命期
生命期設(shè)置決定何時生成新密鑰。在一定的時間間隔內(nèi)重新生成新密鑰的過程稱為"動態(tài)密鑰更新"或"密鑰重新生成"。密鑰生命期設(shè)置決定了在特定的時間間隔之后，將強制生成新密鑰。例如，假設(shè)一次通信需要1萬秒，而我們設(shè)定密鑰生命期為1千秒，則在整個數(shù)據(jù)傳輸期間將生成10個密鑰。在一次通信中使用多個密鑰保證了即使攻擊者截取了單個通信密鑰，也不會危及全部通信安全。密鑰生命期有一個缺省值，但"主密鑰"和"會話密鑰"生命期都可以通過配置修改。無論是哪種密鑰生命期時間到，都要重新進行SA協(xié)商。單個密鑰所能處理的最大數(shù)據(jù)量不允許超過100兆。
二、會話密鑰更新限制
反復(fù)地從同一個的"主密鑰"生成材料去生成新的"會話密鑰"很可能會造成密鑰泄密。"會話密鑰更新限制"功能可以有效地減少泄密的可能性。 例如，兩臺主機建立安全關(guān)聯(lián)后，A先向B發(fā)送某條消息，間隔數(shù)分鐘后再向B發(fā)送另一條消息。由于新的SA剛建立不久，因此兩條消息所用的加密密鑰很可能是用同一"材料"生成的。如果想限制某密鑰"材料"重用次數(shù)，可以設(shè)定"會話密鑰更新限制"。譬如，設(shè)定"會話密鑰更新限制"為5，意味著同一"材料"最多只能生成5個"會話密鑰"。
若啟用"主密鑰精確轉(zhuǎn)發(fā)保密（PFS）"，則"會話密鑰更新限制"將被忽略，因為PFS 每次都強制使用新"材料"重新生成密鑰。將"會話密鑰更新限制"設(shè)定為1和啟用PFS效果是一樣的。如果既設(shè)定了"主密鑰"生命期，又設(shè)定了"會話密鑰更新限制"，那么無論哪個限制條件先滿足，都引發(fā)新一輪SA協(xié)商。在缺省情況下，IPSec不設(shè)定"會話密鑰更新限制"。
三、Diffie-Hellman（DH）組
DH組決定DH交換中密鑰生成"材料"的長度。密鑰的牢固性部分決定于DH組的強度。IKE共定義了5個DH組，組1（低）定義的密鑰"材料"長度為768位；組2（中）長度為1024位。密鑰"材料"長度越長，所生成的密鑰安全度也就越高，越難被破譯。
DH組的選擇很重要，因為DH組只在第一階段的SA協(xié)商中確定，第二階段的協(xié)商不再重新選擇DH組，兩個階段使用的是同一個DH組，因此該DH組的選擇將影響所有"會話密鑰"的生成。
在協(xié)商過程中，對等的實體間應(yīng)選擇同一個DH組，即密鑰"材料"長度應(yīng)該相等。若DH組不匹配，將視為協(xié)商失敗。
四、精確轉(zhuǎn)發(fā)保密PFS（Perfect Forward Secrecy）
與密鑰生命期不同，PFS決定新密鑰的生成方式，而不是新密鑰的生成時間。PFS保證無論在哪一階段，一個密鑰只能使用一次，而且，生成密鑰的"材料"也只能使用一次。某個"材料"在生成了一個密鑰后，即被棄，絕不用來再生成任何其他密鑰。這樣可以確保一旦單個密鑰泄密，最多只可能影響用該密鑰加密的數(shù)據(jù)，而不會危及整個通信。
PFS分"主密鑰"PFS和"會話密鑰"PFS，啟用"主密鑰"PFS，IKE必須對通信實體進行重新認(rèn)證，即一個IKE SA只能創(chuàng)建一個IPsec SA，對每一次第二階段SA的協(xié)商，"主密鑰"PFS都要求新的第一階段協(xié)商，這將會帶來額外的系統(tǒng)開銷。因此使用它要格外小心。
然而，啟用"會話密鑰"PFS，可以不必重新認(rèn)證，因此對系統(tǒng)資源要求較小。"會話密鑰"PFS只要求為新密鑰生成進行新的DH交換，即需要發(fā)送四個額外消息，但無須重新認(rèn)證。 PFS不屬于協(xié)商屬性，不要求通信雙方同時開啟PFS。"主密鑰"PFS和"會話密鑰"PFS均可以各自獨立設(shè)置
