2006年06月30日

对称加密,或专用密钥(也称做常规加密)由通信双方共享一个秘密密钥。发送方在进行数学运算时使用密钥将明文加密成密文。接受方使用相同的密钥将密文还原成明文。RSA RC4算法,数据加密标准(DES),国际数据加密算法(IDEA)以及Skipjack加密技术都属于对称加密方式。

非对称加密,或公用密钥,通讯各方使用两个不同的密钥,一个是只有发送方知道的专用密钥,另一个则是对应的公用密钥,任何人都可以获得公用密钥。专用密钥和公用密钥在加密算法上相互关联,一个用于数据加密,另一个用于数据解密。

公用密钥加密技术允许对信息进行数字签名。数字签名使用发送发送一方的专用密钥对所发送信息的某一部分进行加密。接受方收到该信息后,使用发送方的公用密钥解密数字签名,验证发送方身份。

用户方证书可以被存放在拨号客户PC中,或存放在外部智能卡。无论那种方式,如果用户不能提供没有一定形式的用户识别信息(PIN号或用户名和口令),就无法访问证书。

使用对称加密时,发送和接收方都使用共享的加密密钥。必须在进行加密通讯之前,完成密钥的分布。使用非对称加密时,发送方使用一个专用密钥加密信息或数字签名,接收方使用公用密钥解密信息。公用密钥可以自由分布给任何需要接收加密信息或数字签名信息的一方,发送方只要保证专用密钥的安全性即可。

为保证公用密钥的完整性,公用密钥随证书一同发布。证书(或公用密钥证书)是一种经过证书签发机构(CA)数字签名的数据结构。CA使用自己的专用密钥对证书进行数字签名。如果接受方知道CA的公用密钥,就可以证明证书是由CA签发,因此包含可靠的信息和有效的公用密钥。

总之,公用密钥证书为验证发送方的身份提供了一种方便,可靠的方法。IPSec可以选择使用该方式进行端到端的验证。RAS可以使用公用密钥证书验证用户身份。

扩展验证协议(EAP

如前文所述,PPP只能提供有限的验证方式。EAP是由IETF提出的PPP协议的扩展,允许连接使用任意方式对一条PPP连接的有效性进行验证。EAP支持在一条连接的客户和服务器两端动态加入验证插件模块。

交易层安全协议(EAP-TLS

EAP-TLS已经作为提议草案提交给IETF,用于建立基于公用密钥证书的强大的验证方式。使用EAP-TLS,客户向拨入服务器发送一份用户方证书,同时,服务器把服务器证书发送给客户。用户证书向服务器提供了强大的用户识别信息;服务器证书保证用户已经连接到预期的服务器。

IPSEC是第3层的协议标准,支持IP网络上数据的安全传输。本文将在"高级安全"一部分中对IPSEC进行详细的总体介绍,此处仅结合隧道协议讨论IPSEC协议的一个方面。除了对IP数据流的加密机制进行了规定之外,IPSEC还制定了IPoverIP隧道模式的数据包格式,一般被称作IPSEC隧道模式。一个IPSEC隧道由一个隧道客户和隧道服务器组成,两端都配置使用IPSEC隧道技术,采用协商加密机制。

为实现在专用或公共IP网络上的安全传输,IPSEC隧道模式使用的安全方式封装和加密整个IP包。然后对加密的负载再次封装在明文IP包头内通过网络发送到隧道服务器端。隧道服务器对收到的数据报进行处理,在去除明文IP包头,对内容进行解密之后,获的最初的负载IP包。负载IP包在经过正常处理之后被路由到位于目标网络的目的地。

IPSEC隧道模式具有以下功能和局限:

1.只能支持IP数据流

2.工作在IP栈(IPstack)的底层,因此,应用程序和高层协议可以继承IPSEC的行为。

3.由一个安全策略(一整套过滤机制)进行控制。安全策略按照优先级的先后顺序创建可供使用的加密和隧道机制以及验证方式。当需要建立通讯时,双方机器执行相互验证,然后协商使用何种加密方式。此后的所有数据流都将使用双方协商的加密机制进行加密,然后封装在隧道包头内。

关于IPSEC的详细介绍参看本文稍后的"高级安全"部分。

自愿隧道

当一台工作站或路由器使用隧道客户软件创建到目标隧道服务器的虚拟连接时建立自愿隧道。为实现这一目的,客户端计算机必须安装适当的隧道协议。自愿隧道需要有一条IP连接(通过局域网或拨号线路)。使用拨号方式时,客户端必须在建立隧道之前创建与公共互联网络的拨号连接。一个最典型的例子是Internet拨号用户必须在创建Internet隧道之前拨通本地ISP取得与Internet的连接。

对企业内部网络来说,客户机已经具有同企业网络的连接,由企业网络为封装负载数据提供到目标隧道服务器路由。

大多数人误认为VPN只能使用拨号连接。其实,VPN只要求支持IP的互联网络。一些客户机(如家用PC)可以通过使用拨号方式连接Internet建立IP传输。这只是为创建隧道所做的初步准备,并不属于隧道协议。

强制隧道

目前,一些商家提供能够代替拨号客户创建隧道的拨号接入服务器。这些能够为客户端计算机提供隧道的计算机或网络设备包括支持PPTP协议的前端处理器(FEP),支持L2TP协议的L2TP接入集线器(LAC)或支持IPSec的安全IP网关。本文将主要以FEP为例进行说明。为正常的发挥功能,FEP必须安装适当的隧道协议,同时必须能够当客户计算机建立起连接时创建隧道。

Internet为例,客户机向位于本地ISP的能够提供隧道技术的NAS发出拨号呼叫。例如,企业可以与某个ISP签定协议,由ISP为企业在全国范围内设置一套FEP。这些FEP可以通过Internet互联网络创建一条到隧道服务器的隧道,隧道服务器与企业的专用网络相连。这样,就可以将不同地方合并成企业网络端的一条单一的Internet连接。

因为客户只能使用由FEP创建的隧道,所以称为强制隧道。一旦最初的连接成功,所有客户端的数据流将自动的通过隧道发送。使用强制隧道,客户端计算机建立单一的PPP连接,当客户拨入NAS时,一条隧道将被创建,所有的数据流自动通过该隧道路由。可以配置FEP为所有的拨号客户创建到指定隧道服务器的隧道,也可以配置FEP基于不同的用户名或目的地创建不同的隧道。

自愿隧道技术为每个客户创建独立的隧道。FEP和隧道服务器之间建立的隧道可以被多个拨号客户共享,而不必为每个客户建立一条新的隧道。因此,一条隧道中可能会传递多个客户的数据信息,只有在最后一个隧道用户断开连接之后才终止整条隧道。

PPTPL2TP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。尽管两个协议非常相似,但是仍存在以下几方面的不同:

1.PPTP要求互联网络为IP网络。L2TP只要求隧道媒介提供面向数据包的点对点的连接。L2TP可以在IP(使用UDP),桢中继永久虚拟电路(PVCs),X.25虚拟电路(VCs)或ATM VCs网络上使用。

2.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。使用L2TP,用户可以针对不同的服务质量创建不同的隧道。

3.L2TP可以提供包头压缩。当压缩包头时,系统开销(overhead)占用4个字节,而PPTP协议下要占用6个字节。

4.L2TP可以提供隧道验证,而PPTP则不支持隧道验证。但是当L2TPPPTPIPSEC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。

PPTP是一个第2层的协议,将PPP数据桢封装在IP数据报内通过IP网络,如Internet传送。PPTP还可用于专用局域网络之间的连接。RFC草案"点对点隧道协议"PPTP协议进行了说明和介绍。该草案由PPTP论坛的成员公司,包括微软,Ascend3Com,和ECI等公司在19966月提交至IETF。可在如下站 http://www.ietf.org http://www.ietf.org参看草案的在线拷贝.PPTP使用一个TCP连接对隧道进行维护,使用通用路由封装(GRE)技术把数据封装成PPP数据桢通过隧道传送。可以对封装PPP桢中的负载数据进行加密或压缩。图7所示为如何在数据传递之前组装一个PPTP数据包。

2层转发(L2F

L2FCisco公司提出隧道技术,作为一种传输协议L2F支持拨号接入服务器将拨号数据流封装在PPP桢内通过广域网链路传送到L2F服务器(路由器)。L2F服务器把数据包解包之重新注入(inject)网络。与PPTPL2TP不同,L2F没有确定的客户方。应当注意L2F只在强制隧道中有效。(自愿和强制隧道的介绍参看"隧道类型")。

2层隧道协议(L2TP

L2TP结合了PPTPL2F协议。设计者希望L2TP能够综合PPTPL2F的优势。

L2TP是一种网络层协议,支持封装的PPP桢在IPX.25,桢中继或ATM等的网络上进行传送。当使用IP作为L2TP的数据报传输协议时,可以使用L2TP作为Internet网络上的隧道协议。L2TP还可以直接在各种WAN媒介上使用而不需要使用IP传输层。草案RFC"2层隧道协议"L2TP进行了说明和介绍。该文档于19981月被提交至IETF。可以在以下网 http://www.ietf.org http://www.ietf.org获得草案拷贝。

IP网上的L2TP使用UDP和一系列的L2TP消息对隧道进行维护。L2TP同样使用UDPL2TP协议封装的PPP桢通过隧道发送。可以对封装PPP桢中的负载数据进行加密或压缩。图8所示为如何在传输之前组装一个L2TP数据包。

因为第2层隧道协议在很大程度上依靠PPP协议的各种特性,因此有必要对PPP协议进行深入的探讨。PPP协议主要是设计用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据。PPP协议将IPIPXNETBEUI包封装在PP桢内通过点对点的链路发送。PPP协议主要应用于连接拨号用户和NAS PPP拨号会话过程可以分成4个不同的阶段。分别如下:

阶段1:创建PPP链路

PPP使用链路控制协议(LCP)创建,维护或终止一次物理连接。在LCP阶段的初期,将对基本的通讯方式进行选择。应当注意在链路创建阶段,只是对验证协议进行选择,用户验证将在第2阶段实现。同样,在LCP阶段还将确定链路对等双方是否要对使用数据压缩或加密进行协商。实际对数据压缩/加密算法和其它细节的选择将在第4阶段实现。

阶段2:用户验证

在第2阶段,客户会PC将用户的身份明发给远端的接入服务器。该阶段使用一种安全验证方式避免第三方窃取数据或冒充远程客户接管与客户端的连接。大多数的PPP方案只提供了有限的验证方式,包括口令验证协议(PAP),挑战握手验证协议(CHAP)和微软挑战握手验证协议(MSCHAP)。

1.口令验证协议(PAP

PAP是一种简单的明文验证方式。NAS要求用户提供用户名和口令,PAP以明文方式返回用户信息。很明显,这种验证方式的安全性较差,第三方可以很容易的获取被传送的用户名和口令,并利用这些信息与NAS建立连接获取NAS提供的所有资源。所以,一旦用户密码被第三方窃取,PAP无法提供避免受到第三方攻击的保障措施。

2.挑战-握手验证协议(CHAP

CHAP是一种加密的验证方式,能够避免建立连接时传送用户的真实密码。NAS向远程用户发送一个挑战口令(challenge),其中包括会话ID和一个任意生成的挑战字串(arbitrary challengestring)。远程客户必须使用MD5单向哈希算法(one-wayhashingalgorithm)返回用户名和加密的挑战口令,会话ID以及用户口令,其中用户名以非哈希方式发送。

CHAPPAP进行了改进,不再直接通过链路发送明文口令,而是使用挑战口令以哈希算法对口令进行加密。因为务器端存有客户的明文口令,所以服务器可以重复客户端进行的操作,并将结果与用户返回的口令进行对照。CHAP为每一次验证任意生成一个挑战字串来防止受到再现攻击(replay attack).在整个连接过程中,CHAP将不定时的向客户端重复发送挑战口令,从而避免第3方冒充远程客户(remoteclient impersonation)进行攻击。

3.微软挑战-握手验证协议(MS-CHAP

CHAP相类似,MS-CHAP也是一种加密验证机制。同CHAP一样,使用MS-CHAP时,NAS会向远程客户发送一个含有会话ID和任意生成的挑战字串的挑战口令。远程客户必须返回用户名以及经过MD4哈希算法加密的挑战字串,会话ID和用户口令的MD4哈希值。采用这种方式服务器端将只存储经过哈希算法加密的用户口令而不是明文口令,这样就能够提供进一步的安全保障。此外,MS-CHAP同样支持附加的错误编码,包括口令过期编码以及允许用户自己修改口令的加密的客户-服务器(client-server)附加信息。使用MS-CHAP,客户端和NAS双方各自生成一个用于随后数据加密的起始密钥。MS-CHAP使用基于MPPE的数据加密,这一点非常重要,可以解释为什么启用基于MPPE的数据加密时必须进行MS-CHAP验证。

在第2阶段PPP链路配置阶段,NAS收集验证数据然后对照自己的数据库或中央验证数据库服务器(位于NT主域控制器或远程验证用户拨入服务器)验证数据的有效性。

阶段3PPP回叫控制(callbackcontrol)

微软设计的PPP包括一个可选的回叫控制阶段。该阶段在完成验证之后使用回叫控制协议(CBCP)如果配置使用回叫,那么在验证之后远程客户和NAS之间的连接将会被断开。然后由NAS使用特定的电话号码回叫远程客户。这样可以进一步保证拨号网络的安全性。NAS只支持对位于特定电话号码处的远程客户进行回叫。

阶段4:调用网络层协议

在以上各阶段完成之后,PPP将调用在链路创建阶段(阶段1)选定的各种网络控制协议(NCP).例如,在该阶段IP控制协议(IPCP)可以向拨入用户分配动态地址。在微软的PPP方案中,考虑到数据压缩和数据加密实现过程相同,所以共同使用压缩控制协议协商数据压缩(使用MPPC)和数据加密(使用MPPE)。

数据传输阶段

一旦完成上述4阶段的协商,PPP就开始在连接对等双方之间转发数据。每个被传送的数据报都被封装在PPP包头内,该包头将会在到达接收方之后被去除。如果在阶段1选择使用数据压缩并且在阶段4完成了协商,数据将会在被传送之间进行压缩。类似的,如果如果已经选择使用数据加密并完成了协商,数据(或被压缩数据)将会在传送之前进行加密。

为创建隧道,隧道的客户机和服务器双方必须使用相同的隧道协议。

隧道技术可以分别以第2层或第3层隧道协议为基础。上述分层按照开放系统互联(OSI)的参考模型划分。第2层隧道协议对应OSI模型中的数据链路层,使用桢作为数据交换单位。PPTPL2TPL2F(第2层转发)都属于第2层隧道协议,都是将数据封装在点对点协议(PPP)桢中通过互联网络发送。3层隧道协议对应OSI模型中的网络层,使用包作为数据交换单位。IP overIP以及IPSec隧道模式都属于第3层隧道协议,都是将IP包封装在附加的IP包头中通过IP网络传送。

隧道协议和基本隧道要求 (确定采用第2层还是第3层;2次的数据传输,如何判断。)

因为第2层隧道协议(PPTPL2TP)以完善的PPP协议为基础,因此继承了一整套的特性。

1.用户验证

2层隧道协议继承了PPP协议的用户验证方式。许多第3层隧道技术都假定在创建隧道之前,隧道的两个端点相互之间已经了解或已经经过验证。一个例外情况是IPSec协议的ISAKMP协商提供了隧道端点之间进行的相互验证。

2.令牌卡(Tokencard)支持

通过使用扩展验证协议(EAP),第2层隧道协议能够支持多种验证方法,包括一次性口令(one-timepassword),加密计算器(cryptographic calculator)和智能卡等。第3层隧道协议也支持使用类似的方法,例如,IPSec协议通过ISAKMP/Oakley协商确定公共密钥证书验证。

3.动态地址分配

2层隧道协议支持在网络控制协议(NCP)协商机制的基础上动态分配客户地址。第3层隧道协议通常假定隧道建立之前已经进行了地址分配。目前IPSec隧道模式下的地址分配方案仍在开发之中。

4.数据压缩

2层隧道协议支持基于PPP的数据压缩方式。例如,微软的PPTPL2TP方案使用微软点对点加密协议(MPPE)。IETP正在开发应用于第3层隧道协议的类似数据压缩机制。

5.数据加密

2层隧道协议支持基于PPP的数据加密机制。微软的PPTP方案支持在RSA/RC4算法的基础上选择使用MPPE。第3层隧道协议可以使用类似方法,例如,IPSec通过ISAKMP/Oakley协商确定几种可选的数据加密方法。微软的L2TP协议使用IPSec加密保障隧道客户端和服务器之间数据流的安全。

6.密钥管理

作为第2层协议的MPPE依靠验证用户时生成的密钥,定期对其更新。IPSecISAKMP交换过程中公开协商公用密钥,同样对其进行定期更新。

7.多协议支持

  第2层隧道协议支持多种负载数据协议,从而使隧道客户能够访问使用IPIPX,或NetBEUI等多种协议企业网络。相反,第3层隧道协议,如IPSec隧道模式只能支持使用IP协议的目标网络。

近几年不断出现了一些新的隧道技术,本文将主要介绍这些新技术。具体包括:

1.点对点隧道协议(PPTP

PPTP协议允许对IPIPXNetBEUI数据流进行加密,然后封装在IP包头中通过企业IP网络或公共互联网络发送。

2.2层隧道协议(L2TP

L2TP协议允许对IPIPXNetBEUI数据流进行加密,然后通过支持点对点数据报传递的任意网络发送,如IPX.25,桢中继或ATM

3.安全IPIPSec)隧道模式

IPSec隧道模式允许对IP负载数据进行加密,然后封装在IP包头中通过企业IP网络或公共IP互联网络如Internet发送。

隧道技术较为成熟的技术包括

1.IP网络上的SNA隧道技术

当系统网络结构(SystemNetworkArchitecture)的数据流通过企业IP网络传送时,SNA数据桢将被封装在UDPIP协议包头中。

2.IP网络上的NovellNetWareIPX隧道技术

当一个IPX数据包被发送到NetWare服务器IPX路由器时,服务器或路由器用UDPIP包头封装IPX数据包后通过IP网络发送。另一端的IP-TO-IPX路由器在去除UDPIP包头之后,把数据包转发到IPX目的地。

1.用户验证

VPN方案必须能够验证用户身份并严格控制只有授权用户才能访问VPN。另外,方案还必须能够提供审计和记费功能,显示何人在何时访问了何种信息。

2.地址管理

VPN方案必须能够为用户分配专用网络上的地址并确保地址的安全性。

3.数据加密

对通过公共互联网络传递的数据必须经过加密,确保网络其他未授权的用户无法读取该信息。

4.密钥管理

VPN方案必须能够生成并更新客户端和服务器的加密密钥。

5.多协议支持

VPN方案必须支持公共互联网络上普遍使用的基本协议,包括IPIPX等。以点对点隧道协议(PPTP)或第2层隧道协议(L2TP)为基础的VPN方案既能够满足以上所有的基本要求,又能够充分利用遍及世界各地的Internet互联网络的优势。其它方案,包括安全IP协议(IPSec),虽然不能满足上述全部要求,但是仍然适用于在特定的环境。本文以下部分将主要集中讨论有关VPN的概念,协议,和部件(component)。