第 4 章 虚拟专用网络（VPN）技术

4.1 概述

VPN（Virtual Private Network）即“虚拟专用网络”是企业网在因特网（或其他公共网络）上的扩展。

VPN 在因特网上开辟一条安全的隧道，以保证两个端点（或两个局域网）之间的安全通信。

VPN 构建于廉价的因特网之上，可以实现远程主机与局域网（内网）之间的安全通信，也可以实现任何两个局域网之间的安全连接。

Microsoft Windows 和 Linux 的任何一个版本都可以用作 VPN 客户端，Windows Server 以及 Linux 的服务器版本均可以配置为 VPN 服务器。因此，从经济性和安全性考虑，VPN 是企业实现安全通信的一个很好的选择。

4.1.1 VPN 的功能和原理

VPN 的功能是将因特网虚拟成路由器，将物理位置分散的局域网和主机虚拟成一个统一的虚拟企业网。

VPN 综合利用了隧道技术、加密技术、鉴别技术和密钥管理等技术，在公共网络之上建立一个虚拟的安全通道，实现两个网络或两台主机之间的安全连接。

图 1 所示的是企业使用 VPN 的两种典型模式。

图 1(a) 远程用户访问企业内网

图 1(b) 企业分支机构之间的局域网互联

图 2 VPN 将因特网虚拟成一个路由器

图 2 VPN 将因特网虚拟成一个路由器

4.1.2 VPN 的分类

根据应用场合，VPN 可以大致分为二类：远程访问 VPN 和网关—网关 VPN。

从应用的观点分类

1. 远程访问 VPN

   它是为企业员工从外地访问企业内网而提供的 VPN 解决方案，如图 1(a) 所示。

   当公司的员工出差到外地需要访问企业内网的机密信息时，为了避免信息传输过程中的泄密，他们的主机首先以 VPN 客户端的方式连接到企业的远程访问VPN服务器，此后远程主机到内网主机的通信将加密，从而保证了通信的安全性。

2. 网关—网关 VPN

   也称为“网络—网络 VPN”，如图 1(b) 所示。

   这种方案通过不安全的因特网实现两个或多个局域网的安全互联。在每个局域网的出口处设置 VPN 服务器，当局域网之间需要交换信息时，两个 VPN 服务器之间建立一条安全的隧道，保证其中的通信安全。

   这种方式适合企业各分支机构、商业合作伙伴之间的网 络互联。

按隧道协议分类

隧道协议（Tunneling Protocol）是一个网络协议的载体。使用隧道的原因是在不兼容的网络上传输数据，或在不安全网络上提供一个安全路径。

隧道协议可能使用数据加密技术来保护所传输的数据。

隧道协议实现在 OSI 模型或 TCP/IP 模型的各层协议栈。根据 VPN 协议在 OSI（7 层）模型的实现层次，VPN 大致可以分为：

• 第 2 层隧道协议
• 第 3 层隧道协议
• 第 4 层隧道协议

• 以及基于第 2、3 层隧道协议（MPLS）之间的 VPN。

• 第 2 层隧道协议

  主要包括点到点隧道协议（PPTP）、第二层转发协议（L2F）、第2层隧道协议（L2TP）。主要用于实现远程访问 VPN。

  主要是 IP 安全（IPSec），用于在网络层实现数据包的安全封装。

• 第 3 层隧道协议

  IPSec 主要用于实现网关—网关 VPN，也可实现主机—主机的安全连接。

• 第 4 层隧道协议（SSL）

  在传输层上实现数据的安全封装，主要用于保护两台主机的两个进程间的安全通信。安全的 Web、安全的电子邮件等均使用了第 4 层隧道协议。

• 基于第 2、3 层隧道协议

  也称为 2.5 层隧道协议，是利用 MPLS 路由器的标签特性实现的 VPN

隧道协议与 OSI 分层协议模型

图 3 隧道协议与 OSI 分层协议模型

4.2 基于第 2 层隧道协议的 VPN

第 2 层隧道协议在数据链路层对数据报进行封装，主要用于远程访问 VPN。

目前常用的有点到点隧道协议（PPTP）、第二层转发协议（L2F）、第 2 层隧道协议（L2TP）。

4.2.1 PPTP VPN

点对点隧道协议（Point to Point Tunneling Protocol，缩写为PPTP）是实现虚拟专用网（VPN）的方式之一。PPTP 使用传输控制协议（TCP）创建控制通道来传送控制命令，以及利用通用路由封装（GRE）通道来封装点对点协议（PPP）数据包以传送数据。

这个协议最早由微软等厂商主导开发，但因为它的早期版本加密方式容易被破解，微软已经不再建议老版本的 Windows 系统使用这个协议。新版本的 Windows 系统已经对安全进行了增强，安全性能有保障，可以使用。

PPTP 协议

PPTP 的协议规范本身并未描述加密或身份验证的部份，它依靠点对点协议（PPP）来实现这些安全性功能。

因为 PPTP 协议内置在微软 Windows 家族的各个产品中，在微软点对点协议（PPP）协议堆栈中，提供了各种标准的身份验证与加密机制来支持 PPTP。

在微软 Windows 中，它可以搭配 PAP、CHAP、MS-CHAP v1/v2 或 EAP-TLS 来进行身份验证。通常也可以搭配微软点对点加密（MPPE）或 IPSec 的加密机制来提高安全性。

在 Windows 或 Mac OS 平台之外，Linux 与 FreeBSD 等平台也提供开放源代码的版本。

PPTP 是由微软、Ascend Communications（现在属于 Alcatel-Lucent 集团）、3Com 等厂商联合形成的产业联盟开发。1999 年 7 月出版的 RFC 2637 是第一个正式的 PPTP 规格书。

PPTP 以通用路由封装（GRE）协议向对方作一般的点对点传输。通过 TCP 1723 端口来发起和管理 GRE 状态。因为 PPTP 需要 2 个网络状态，因此会对穿越防火墙造成困难。很多防火墙不能完整地传递连接，导致无法连接。

在 Windows 或 Mac OS 平台，通常 PPTP 可搭配 MSCHAP-v2 或 EAP-TLS 进行身份验证 ，也可配合微软点对点加密（MPPE）进行连接时的加密。

图 4 PPTP 帧的封装格式

PPTP 的实现

PPTP 因为易于设置和使用而流行。自 Microsoft Windows 95 OSR2 开始的 Windows 系统包含 PPTP 客户端，而自 Windows NT 开始的服务器版本在其“路由和远程访问服务”中实现了 VPN 服务。

以往，Linux 缺乏完整的 PPTP 支持，这是因为 MPPE 是软件专利。但是，自从在 2005 年 10 月 28 日发布的 Linux 2.6.14 开始，Linux 核心提供完整的 PPTP 支持（包含对 MPPE 的支持）。

4.2.2 L2TP VPN

第二层隧道协议（Layer Two Tunneling Protocol，缩写为 L2TP) 是一种由 RFC 2661 定义的数据链路层隧道协议，是一种虚拟隧道协议，通常用于虚拟专用网。

互联网工程任务组于 1999 年 8 月发布 RFC 2661，制定了 L2TP 协议的标准。2005 年，互联网工程任务组发布 RFC 3931，制定了该协议标准的新版本——L2TPv3。

L2TP 协议自身不提供加密与可靠性验证的功能，可以和安全协议搭配使用，从而实现数据的加密传输。经常与 L2TP 协议搭配的加密协议是 IPsec，当这两个协议搭配使用时，通常合称 L2TP/IPsec。

L2TP 支持包括 IP、ATM、帧中继、X.25 在内的多种网络。在 IP 网络中，L2TP 协议使用了 UDP 1701 端口。因此，在某种意义上，尽管 L2TP 协议的确是一个数据链路层协议，但在 IP 网络中，它又的确是一个会话层协议。

4.2.3 基于第 2 层隧道协议的 VPN 实例

用 Windows 2003 实现远程访问 VPN

基于第 2 层隧道协议的 PPTP VPN 用于实现主机到企业内网的远程访问。PPTP VPN 由 PPTP VPN 客户端和 PPTP VPN 服务器组成。Windows 系统的桌面版本如 Windows XP、Windows Vista、Windows 7、Windows 8、Windows 10 以及 Windows 的服务器版本均包含了 PPTP VPN 客户端软件，而 Windows 的服务器版本包含了 PPTP VPN 服务器软件。

在此以 Windows XP 和 Windows Server 2003 为例说明 PPTP VPN 的配置及使用方法。

教程此处省略

4.3 基于第 3 层隧道协议的 IPSec VPN

互联网安全协议（Internet Protocol Security，缩写为 IPsec），是通过对 IP 协议（互联网协议）的分组进行加密和认证来保护 IP 协议的网络传输协议族（一些相互关联的协议的集合）。

第一版 IPsec 协议在 RFC 2401-2409 中定义。第二版 IPsec 协议的标准文档在 2005 年发布，新的文档定义在 RFC 4301-RFC 4309 中。

IPsec 协议工作在 OSI 模型的第三层（网络层或 TCP/IP 模型的 IP 层），使其在单独使用时适于保护基于 TCP 或 UDP 的协议（如安全套接子层（SSL）就不能保护 UDP 层的通信流）。这就意味着，与传输层或更高层的协议相比，IPsec 协议必须处理可靠性和分片的问题，这同时也增加了它的复杂性和处理开销。

相对而言，SSL/TLS 依靠更高层的 TCP（OSI 的第四层）来管理可靠性和分片。

4.3.1 IPSec 的组成和工作模式

IPSec 是一个开放的标准，由一序列的协议组成，其中最重要的协议有三个：

1. 认证头 AH (Authentication Headers)：AH 为 IP 数据报实现无连接的完整性和数据源认证功能，并能抵抗重放攻击。
2. 封装安全有效载荷 ESP (Encapsulating Security Payloads)：ESP 实现保密性、数据源认证、无连接的完整性、抵抗重放攻击的服务（一种形式的部分序列完整性）和有限的网络流的保密性。
3. 安全联盟 SA (Security Associations)：SA给出算法和数据的集合，以向 AH 或 ESP 的操作提供必须的参数。安全联盟和密钥管理协议 ISAKMP（Internet Security Association and Key Management Protocol）提供了认证和密钥交换的框架。该框架支持手工配置的预共享密钥以及通过其他方法获得的密钥，这些方法包括：Internet 密钥交换（IKE 和 IKEv2 协议）、KINK（Kerberized Internet Negotiation of Keys）、IPSECKEY DNS 记录。

IPSec 有两种工作模式：传输模式和隧道模式。

1. 传输模式用于两台主机之间的连接，在 IP 层封装主机—主机的分组；
2. 隧道模式用于两个网关之间的连接，在 IP 层封装网关—网关的分组，可穿过公共网络（如 Internet）实现局域网之间的互联。AH 和 ESP 均支持传输模式和隧道模式，实现认证和（或）加密等安全功能。

4.3.2 认证协议 AH

IP 认证头 AH（IP Authentication Header）定义在 RFC 4302 中，实现 IP 数据报的认证、完整性和抗重放攻击。

AH 数据报直接封装在 IP 数据报中，如果 IP 数据包的协议字段为 51，表明 IP 头之后是一个 AH 头。

AH 和 ESP 同时保护数据时，在顺序上，AH 头在 ESP 头之后。

• 传输模式 AH：新 IP 头拷贝自原 IP 头，将协议字段改为 51，原协议字段拷贝到 AH 头的下一个头字段。

  

  图 5(a) AH 的传输模式

• 隧道模式 AH：重建 IP 头，新 IP 头的 IP 地址改成网关的 IP 地址，协议字段为 51，AH 头中的下一个头为 4 或 41（对于 IPv6），原始数据包拷贝到 AH 头之后。

  

  图 5(b) AH 的隧道模式

AH 头的格式

图 6 AH 头的格式

1. 下一个头（Next Header）：8-bits，标识 AH 头后的载荷（协议）类型。在传输模式下可为 6（TCP）或 17（UDP）；在隧道模式下将是 4（IPv4）或 41（IPv6）。
2. 载荷长度（Payload Length）：8-bits，表示AH头本身的长度，以32-bits为单位。
3. 保留（Reserved）：16-bits，保留字段，未使用时必须设为0。
4. 安全参数索引 SPI（Security Parameters Index）：32-bits，接收方用于标识对应的安全关联（SA）。
5. 序列号（Sequence Number）：32-bits，是一个单向递增的计数器，提供抗重播功能（anti-replay）。
6. 完整性验证数据 ICV（Integrity Check Value）：这是一个可变长度（必须是 32 比特的整数倍）的域，长度由具体的验证算法决定。完整性验证数据 ICV 验证 IP 数据包的完整性，因此 ICV 的计算包含了整个 IP 数据包。

4.3.3 封装安全载荷 ESP

IP 封装安全载荷 ESP（IP Encapsulating Security Payload）定义在 RFC 4303 中，实现 IP 数据报的认证、完整性、抗重放攻击和加密。

ESP 可以实现 AH 的所有功能，然而由于 AH 比 ESP 出现得更早，AH 至今未被废弃。

与 AH 协议一样，ESP 的数据报也直接封装在 IP 数据报中，如果 IP 数据包的协议字段为 50，表明 IP 头之后是一个 ESP 数据报。

ESP 数据报由四部分组成，分别是：头部、加密数据（包括 ESP 尾）和 ESP 验证数据。

• 传输模式 ESP：新 IP 头拷贝自原 IP 头，将协议字段改为 50，原协议字段拷贝到 ESP 尾的下一个头。

  

  图 7(a) 传输模式的 ESP

• 隧道模式 ESP：重建 IP 头，新 IP 头的 IP 地址改成网关的 IP 地址，协议字段为 50，ESP 尾中的下一个头为 4 或 41（对于 IPv6），原始数据包和 ESP 尾加密后拷贝到 ESP 头之后

  

  图 7(b) 隧道模式的 ESP

ESP 的数据报格式

图 8 ESP 的数据报格式

• 安全参数索引 SPI（32-bits）：在IKE交换过程中由目标主机选定，与 IP 头之前的目标地址以及协议结合在一起，用来标识用于处理数据包的特定的那个安全关联。SPI 经过验证，但并未加密。
• 序列号（32-bits）：它是一个唯一的单向递增的计数器，与 AH 类似，提供抵抗重播攻击的能力。
• 填充项（0~255 bytes）：由具体的加密算法决定。
• 填充长度（8-bits）：接收端可以据此恢复载荷数据的真实长度。
• 下一个头（8-bits）：标识受 ESP 保护的载荷的（协议）类型。在传输模式下拷贝自原 IP 数据报头中的协议值；在隧道模式下可为 4（IPv4）或 41（IPv6）。
• 验证数据（完整性校验值 ICV）：一个经过密钥处理的散列值，验证范围包括 ESP 头部、被保护的数据以及 ESP 尾部。其长度与具体的验证算法有关，但必须是 32 bits 的整数倍。

4.3.4 安全关联与安全策略

在 AH 和 ESP 头中有一个 32 bits 的安全参数索引 SPI，用于标识通信的两端采用的 IPSec 安全关联 SA（Security Associations）。

SA 保存于通信双方的安全关联数据库中，SA 根据安全策略手工或自动创建，安全策略保存在安全策略数据库中。安全关联 SA 与安全策略定义在 RFC 4301 中。

(1) 安全关联与安全关联数据库

安全关联（SA）是两个通信实体协商建立起来的一种安全协定，例如，IPSec 协议（AH 或 ESP）、IPSec 的操作模式（传输模式和隧道模式）、加密算法、验证算法、密钥、密钥的存活时间等。安全关联SA是单工的（即单向的），输出和输入都需要独立的 SA。

SA 是通过 IKE 密钥管理协议在通信双方之间来协商的，协商完成后，通信双方都会在它们的安全关联数据库（SAD）中存储该 SA 参数。

一个安全关联由下面三个参数唯一确定：

1. 安全参数索引号（SPI）：一个与 SA 相关的位串，由 AH 和 ESP 携带，使得接收方能选择合适的 SA 处理数据包。
2. IP 目的地址：目前只允许使用单一地址，表示 SA 的目的地址。
3. 安全协议标识：标识该 SA 是 AH 安全关联或 ESP 安全关联。

安全关联（SA）的参数

1. 序列号计数器：一个 32 位的值，用于生成 AH 或 ESP 头中的序号字段，在数据包的“外出”处理时使用。
2. 序列号溢出：用于输出包处理，并在序列号溢出的时候加以设置，安全策略决定了一个 SA 是否仍可用来处理其余的包。
3. 抗重放窗口：用于确定一个入栈的 AH 或 ESP 包是否是重放。
4. AH 信息：AH 认证算法、密钥、密钥生存期和其他AH的相关参数。
5. ESP 信息：ESP 认证和加密算法、密钥、初始值、密钥生存期和其他 ESP 的相关参数。
6. SA 的生存期：一个 SA 最长能存在的时间。到时间后，一个 SA 必须用一个新的 SA 替换或终止。
7. IPSec 协议模式：隧道、传输、通配符（隧道模式、传输模式均可）。
8. 路径 MTU：在隧道模式下使用 IPSec 时，必须维持正确的 PMTU 信息，以便对这个数据包进行相应的分段。

(2) 安全策略和安全策略数据库 SPD

安全策略决定了为一个数据包提供的安全服务，它保存在安全策略数据库 SPD 中。SPD 中的每一个安全策略条目由一组 IP 和上层协议字段值组成，即下面提到的选择符。

安全策略数据库（SPD）记录了对 IP 数据流（根据源 IP、目的 IP、上层协议以及流入还是流出）采取的安全策略。每一安全策略条目可能对应零条或多条 SA 条目，通过使用一个或多个选择符来确定某一个 SA 条目。

IPSec 允许的选择符

1. 目的 IP 地址：可以是主机地址、地址范围或者通配符。
2. 源 IP 地址：可以是主机地址、地址范围或者通配符。
3. 源/目的端口。
4. 用户 ID：操作系统中的用户标识。
5. 数据敏感级别。
6. 传输层协议。
7. IPSec 协议（AH，ESP，AH/ESP）。
8. 服务类型（TOS）。

4.4 Windows 环境下的 VPN

目前流行的 Windows 系统各版本均支持远程访问 VPN 客户端，Windows Server 支持远程访问服务及 IPSec 服务。

本节详细介绍网关—网关VPN在Windows环境下的配置使用方法。

4.4.2 用 Windows 2003 实现网关—网关 VPN

目的

用 IPsec 隧道方式配置网关—网关 VPN，连接被 Internet 隔开的两个局域网（VMnet1 和 VMnet3），使之进行安全通信，实现信息的保密和完整。

设计

用 VMware 或 VirtualBox 模拟两个局域网和一个广域网（用路由器模拟）。每个局域网含若干台客户机和一台 Windows Server 2003 组成。具体设计和规划如下图：

虚拟网卡 VMnet1 和 VMnet2 分别模拟两个局域网，VMnet5、VMnet6 和 Router 模拟因特网，ServerA 和 ServerB 模拟互联网上的远程服务器（边界路由器），建立 IPSec 隧道以连接两个局域网，并保证通信安全。

此处省略大量图片