IP 隧道技术：基础篇

兴宁528 · 发表于 2012/3/6 00:16

IP 隧道技术：基础篇 
 隧道技术是一种通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据（或负载）可以是不同协议的数据桢（此字不正确）或包。隧道协议将这些其它协议的数据桢或包重新封装在新的包头中发送。新的包头提供了路由信息，从而使封装的负载数据能够通过互联网络传递。 
　　被封装的数据包在隧道的两个端点之间通过公共互联网络进行路由。被封装的数据包在公共互联网络上传递时所经过的逻辑路径称为隧道。一旦到达网络终点，数据将被解包并转发到最终目的地。注意隧道技术是指包括数据封装，传输和解包在内的全过程。 
 　　隧道所使用的传输网络可以是任何类型的公共互联网络，本文主要以目前普遍使用Internet为例进行说明。此外，在企业网络同样可以创建隧道。隧道技术在经过一段时间的发展和完善之后，目前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（System Network Architecture）的数据流通过企业IP网络传送时，SNA数据桢将被封装在UDP和IP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服务器或IPX路由器时，服务器或路由器用UDP和IP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UDP和IP包头之后，把数据包转发到IPX目的地。 
　　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IP，IPX或NetBEUI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.第2层隧道协议（L2TP） 　　 L2TP协议允许对IP，IPX或NetBEUI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IP，X.25，桢中继或ATM。 
3.安全IP（IPSec)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。 
隧道协议 
　　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。PPTP，L2TP和L2F（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。第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。 
隧道技术的实现 
　对于象PPTP和L2TP这样的第2层隧道协议，创建隧道的过程类似于在双方之间建立会话；隧道的两个端点必须同意创建隧道并协商隧道各种配置变量，如地址分配，加密或压缩等参数。绝大多数情况下，通过隧道传输的数据都使用基于数据报的协议发送。隧道维护协议被用来作为管理隧道的机制。 
　　第3层隧道技术通常假定所有配置问题已经通过手工过程完成。这些协议不对隧道进行维护。与第3层隧道协议不同，第2层隧道协议（PPTP和L2TP）必须包括对隧道的创建，维护和终止。 
　　隧道一旦建立，数据就可以通过隧道发送。隧道客户端和服务器使用隧道数据传输协议准备传输数据。例如，当隧道客户端向服务器端发送数据时，客户端首先给负载数据加上一个隧道数据传送协议包头，然后把封装的数据通过互联网络发送，并由互联网络将数据路由到隧道的服务器端。隧道服务器端收到数据包之后，去除隧道数据传输协议包头，然后将负载数据转发到目标网络。 
隧道协议和基本隧道要求 
　　因为第2层隧道协议（PPTP和L2TP）以完善的PPP协议为基础，因此继承了一整套的特性。 
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<LI>用户验证 第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。 
<LI>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。 
<LI>动态地址分配 第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。 
<LI>数据压缩 第2层隧道协议支持基于PPP的数据压缩方式。例如，微软的PPTP和L2TP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。 
<LI>数据加密 第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。 
<LI>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。IPSec在ISAKMP交换过程中公开协商公用密钥，同样对其进行定期更新。 
<LI>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IP，IPX，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。 </LI></OL>
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。 点对点隧道协议（PPTP） 
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”对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，Ascend，3Com，和ECI等公司在1996年6月提交至IETF。可在如下站点参看草案的在线拷...桓鯬PTP数据包。 
第2层转发（L2F） 
L2F是Cisco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PPTP和L2TP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”）。 
第2层隧道协议（L2TP） 
L2TP结合了PPTP和L2F协议。设计者希望L2TP能够综合PPTP和L2F的优势。 L2TP是一种网络层协议，支持封装的PPP桢在IP，X.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“第2层隧道协议”对L2TP进行了说明和介绍。该文档于1998年1月被提交至IETF。可以在以下网站获得草案拷贝。 
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UDP将L2TP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。 
PPTP与L2TP 
PPTP和L2TP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： 
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<LI>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。
<LI>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。
<LI>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。
<LI>L2TP可以提供隧道验证，而PPTP则不支持隧道验证。但是当L2TP或PPTP与IPSEC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。 </LI></OL>
IPSec隧道模式 
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： 
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<LI>只能支持IP数据流
<LI>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。
<LI>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。 </LI></OL>
隧道类型 
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<LI>自愿隧道（Voluntarytunnel) 用户或客户端计算机可以通过发送VPN请求配置和创建一条自愿隧道。此时，用户端计算机作为隧道客户方成为隧道的一个端点。 
<LI>强制隧道（Compulsorytunnel） 由支持VPN的拨号接入服务器配置和创建一条强制隧道。此时，用户端的计算机不作为隧道端点，而是由位于客户计算机和隧道服务器之间的远程接入服务器作为隧道客户端，成为隧道的一个端点。 </LI></OL>
目前，自愿隧道是最普遍使用的隧道类型。以下，将对上述两种隧道类型进行详细介绍。 
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。 
以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。 
高级安全功能 
虽然Internet为创建VPN提供了极大的方便，但是需要建立强大的安全功能以确保企业内部网络不受到外来攻击，确保通过公共网络传送的企业数据的安全。 
对称加密与非对称加密（专用密钥与公用密钥） 
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。 
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。 
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。 
IPSEC 
IPSEC是一种由IETF设计的端到端的确保基于IP通讯的数据安全性的机制。IPSEC支持对数据加密，同时确保数据的完整性。按照IETF的规定，不采用数据加密时，IPSEC使用验证包头（AH）提供验证来源验证（source authentication)，确保数据的完整性；IPSEC使用封装安全负载（ESP）与加密一道提供来源验证，确保数据完整性。IPSEC协议下，只有发送方和接受方知道秘密密钥。如果验证数据有效，接受方就可以知道数据来自发送方，并且在传输过程中没有受到破坏。 
可以把IPSEC想象成是位于TCP/IP协议栈的下层协议。该层由每台机器上的安全策略和发送、接受方协商的安全关联（security association)进行控制。安全策略由一套过滤机制和关联的安全行为组成。如果一个数据包的IP地址，协议，和端口号满足一个过滤机制，那么这个数据包将要遵守关联的安全行为。 
协商安全关联（NegotiatedSecurityAssociation） 
上述第一个满足过滤机制的数据包将会引发发送和接收方对安全关联进行协商。ISAKMP/OAKLEY是这种协商采用的标准协议。在一个ISAKMP/OAKLEY交换过程中，两台机器对验证和数据安全方式达成一致，进行相互验证，然后生成一个用于随后的数据加密的个共享密钥。 
验证包头 
通过一个位于IP包头和传输包头之间的验证包头可以提供IP负载数据的完整性和数据验证。验证包头包括验证数据和一个序列号，共同用来验证发送方身份，确保数据在传输过程中没有被改动，防止受到第三方的攻击。IPSEC验证包头不提供数据加密；信息将以明文方式发送。 
封装安全包头 
为了保证数据的保密性并防止数据被第3方窃取，封装安全负载（ESP）提供了一种对IP负载进行加密的机制。另外，ESP还可以提供数据验证和数据完整性服务；因此在IPSEC包中可以用ESP包头替代AH包头。 
用户管理 
在选择VPN技术时，一定要考虑到管理上的要求。一些大型网络都需要把每个用户的目录信息存放在一台中央数据存储设备中（目录服务）便于管理人员和应用程序对信息进行添加，修改和查询。每一台接入或隧道服务器都应当能够维护自己的内部数据库，存储每一名用户的信息，包括用户名，口令，以及拨号接入的属性等。但是，这种由多台服务器维护多个用户帐号的作法难以实现及时的更新，给管理带来很大的困难。因此，大多数的管理人员采用在目录服务器，主域控制器或RADIUS服务器上建立一个主帐号数据库的方法，进行有效管理。 
RAS支持 
微软的远程接入服务器（RAS）使用域控制器或RADIUS服务器存储每名用户的信息。因为管理员可以在单独的数据库中管理用户信息中的拨号许可信息，所以使用一台域控制器能够简化系统管理。 
微软的RAS最初被用作拨号用户的接入服务器。现在，RAS可以作为PPTP和L2TP协议的隧道服务器（NT5将支持L2TP）。这些第2层的VPN方案继承了已有的拨号网络全部的管理基础。 
扩展性 
通过使用循环DNS在同属一个安全地带（securityperimeter）的VPN隧道服务器之间进行请求分配，可以实现容余和负荷平衡。一个安全地带只具有一个对外域名，但拥有多个IP地址，负荷可以在所有的IP地址之间进行任意的分配。所有的服务器可以使用一个共享数据库，如NT域控制器验证访问请求。 
RADIUS 
远程验证用户拨入服务（RADIUS）协议是管理远程用户验证和授权的常用方法。RADIUS是一种基于UDP协议的超轻便（lightweight）协议。RADIUS服务器可以被放置在Internet网络的任何地方为客户NAS提供验证（包括PPP PAP，CHAP，MSCHAP和EAP）。另外，RADIUS服务器可以提供代理服务将验证请求转发到远端的RADIUS服务器。例如，ISP之间相互合作，通过使用RADIUS代理服务实现漫游用户在世界各地使用本地ISP提供的拨号服务连接Internet和VPN。如果ISP发现用户名不是本地注册用户，就会使用RADIUS代理将接入请求转发给用户的注册网络。这样企业在掌握授权权利的前提下，有效的使用ISP的网络基础设施，使企业的网络费用开支实现最小化。 
记费，审计和报警 
为有效的管理VPN系统，网络管理人员应当能够随时跟踪和掌握以下情况：系统的使用者，连接数目，异常活动，出错情况，以及其它可能预示出现设备故障或网络受到攻击的现象。日志记录和实时信息对记费，审计和报警或其它错误提示具有很大帮助。例如，网络管理人员为了编制帐单数据需要知道何人在使用系统以及使用了多长时间。异常活动可能预示着存在对系统的不正确使用或系统资源出现不足。对设备进行实时的监测可以在系统出现问题时及时向管理员发出警告。一台隧道服务器应当能够提供以上所有信息以及对数据进行正确处理所需要的事件日志，报告和数据存储设备。 
NT4.0在RAS中提供了对记费，审计和报警的支持。RADIUS协议对呼叫-记费请求（call-accountingrequest)进行了规定。当RAS向RADIUS发送呼叫-记费请求后由后者建立记费记录分别记录呼叫开始，结束以及预定中断的情况。 
结论 
如本文所述，Windows系统自带的VPN服务允许用户或企业通过公共或专用网络与远端服务器，分支机构，或其他公司建立安全和可靠的连接。虽然上述通讯过程发生公共互联网络上，但是用户端如同使用专用网络进行通讯一样建立起安全的连接。使用Windows系统的VPN技术可以解决在当今远程通讯量日益增大，企业全球运作分布广泛的情况下，员工需要访问中央资源，企业相互之间必须能够进行及时和有效的通讯的问题。