CN101030935A - 一种IPSec穿越NAT－PT的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IPSec穿越NAT－PT网关的具体方法。在IKE协商的主模式阶段，通过新增NATPT－D载荷，用于实现“NAT－PT的发现机制”；而IPSec保护下的通信阶段中，检测到NAT－PT网关后，在计算AH的Authentication Data时，用“伪IP头”取代原来的IP头，解决了AH与NAT－PT的不兼容问题，其过程如摘要附图所示。应用本发明所描述的方法，IPSec在AH传输模式、AH隧道模式、ESP传输模式、ESP隧道模式下都能够穿越NAT－PT网关，从而使IPSec能够应用到异构网络的通信中，大大提高了异构网络通信的安全性。本发明不需要在NAT－PT上增加IPSec的应用层网关(IPSec－ALG)，从而大大减轻了NAT－PT网关的处理负担。
Description
技术领域
本发明涉及IPSec穿越NAT-PT网关的具体方法，尤其涉及AH传输模式、AH隧道模式、ESP传输模式、ESP隧道模式下穿越NAT-PT网关的具体方法。
背景技术
随着网络技术的发展和网络规模的扩大，IPv4(Internet Protocol version 4)已经不能满足网络发展的要求。IPv6(Internet Protocol version 6)作为IPv4的替代版本，能够提供巨大的地址空间，并具有许多IPv4所不具备的新特性，受到了越来越多的重视。由于我国拥有的IPv4地址数量很少，地址枯竭的问题尤为突出，我国正大力推进IPv6的研究和发展。但目前由于IPv4协议已经成功的使用了将近20年，基于IPv4的应用程序和设备已经相当成熟和具有相当的规模，不可能一夜之间完成所有升级变更。而另一方面，IPv6的应用程序和设备还不成熟完备，所以IPv6取代IPv4将会是一段漫长的过程。在很长的一段时期内，IPv4和IPv6网络会长期并存。
目前，主要有三种技术支持处于IPv6网络的节点和处于IPv4网络的节点之间的通信，即双栈技术、隧道技术以及NAT-PT技术。
NAT-PT(即网络地址转换-协议转换)技术的基本原理是，在IPv4网络和IPv6网络之间设置网关(称为NAT-PT网关)，对不同协议版本的数据报文进行地址转换和协议转换，即从IPv4网络发往IPv6网络的数据报文要转换成IPv6格式的报文；从IPv6网络发往IPv4网络的数据报文要转换成IPv4格式的报文。NAT-PT网关负责维护一个IPv4地址池和一张IPv4地址和IPv6地址的映射表。对于IPv6到IPv4的地址转换，NAT-PT网关从地址池中分配一个可用的IPv4地址映射IPv6地址；对于IPv4到IPv6的地址转换，NAT-PT网关则在IPv4地址前面加上一个96位的NAT-PT网关前缀。映射表记录了这些映射关系，以供NAT-PT网关在随后的通信过程中查询。
IPSec是由IETF定义的一套在网络层提供IP安全性的协议，包括网络认证协议Authentication Header(AH)，封装安全载荷协议Encapsulating Security Payload(ESP)，密钥管理协议Internet Key Exchange(IKE)和用于网络认证及加密的一些算法等。IPSec支持传输模式和隧道模式。AH和ESP都可以用于这两种模式。AH的功能主要是身份认证和完整性保护。AH头有一个值得注意的特性是它的完整性检查覆盖了IP头中的某些域，即当分组在路由器之间转发时不随路由器而变化的那些域。例如，Time to live(TTL)域在每一跳上都要改变，所以它不能被包含在完整性检查的范围内。对于这些域，AH在计算AuthenticationData时会通过置0的方式不予保护。而ESP的功能主要是加密，同时也具有认证的功能，但是ESP的认证范围不包括IP头。
IPSec对于IPv6是强制性的安全协议，但对于IPv4来说是一个可选的安全协议，因此，在异构网络中经过NAT-PT通信的数据包必须解决IPSec和NAT-PT的兼容问题。IPsec与NAT-PT之间的兼容问题主要有以下几点：
1、AH与NAT-PT的兼容性
无论是在隧道模式还是传输模式下，AH都是对整个IP数据报提供完整性保护，NAT-PT要改变数据报的源和目的IP地址，版本号等一些数据，另外还要丢弃部分信息，因此，NAT-PT会导致响应者验证AH校验时认为IP数据报已被恶意篡改而丢弃。
2、ESP和NAT-PT的兼容性
ESP提供对IP数据的加密与认证，因此，在隧道模式下，由于ESP保护的是隧道内整个数据报，与外层的IP报头无关，NAT-PT转换的都是外层报头的信息，与受ESP保护的数据无关因此不存在兼容问题。而在传输模式下，被加密的负载不包括IP地址，但是NAT-PT对IP地址的转换意味着TCP/IP分组中传输层校验和的变化，这个校验和已经放在被加密放在负载中，所以NAT-PT虽然能改变IP地址，但是却不能修正校验和，由于校验出错，IP分组在目的端最终还是会被端系统丢弃，致使ESP在传输模式下无法工作。
3、IKE和NAT-PT的兼容性
a.IKE中IP地址作身份标识符和NAT-PT的不相容
在IKE中，主模式(阶段1)、快速模式(阶段2)用IP地址作为通信双方的身份标识符，双方用身份载荷(ID Payload)交换IP地址的HASH值验证对方的身份。NAT-PT对IP源、目的地址的修改将造成身份载荷与IP地址不相符。现在以主模式下的6条消息交换过程为例，显示转换网关如何阻断IKE的第一阶段的协商过程。如附图1所示。
b.固定的IKE端口和NAT-PT端口翻译的不相容
IKE协议使用固定UDP端口500进行通信，当NAT-PT设备后的多个主机向同一响应者发起SA协商时，为了实现多路分发返回的IKE包，NAT-PT修改外出的IKE包的UDP源端口。因此，响应者应该能处理端口号并非500的IKE协商请求；但往往NAT-PT对UDP端口的映射很快就会被删除，再协商(re-key)的过程就将出现一些不可预见的问题，很容易导致NAT-PT设备无法将协商包送到正确的目的地。
表1总结了NAT-PT与IPSec的不相容情况。
| IPSec应用 | 可否通过 | 错误原因 |
| AH传输/隧道模式 | 否 | 认证失败 |
| ESP传输模式 | 否 | 传输层校验和出错 |
| ESP隧道模式 | 可以 | |
| IKE协商 | 否 | IKE中IP地址作身份标识符和NAT-PT的不相容性 |
| IKE密钥更新 | 否 | 1.IKE使用固定目的端口5002.解复用失败(NAT-PT对UDP端口的映射很快会被删除) |
表1 NAT-PT与IPSec的不相容情况
在RFC3947和RFC3948中，描述了NAT-Traversal。这是一种在IPv4或IPv6网络内部，IPSec穿越NAT的具体方法。但由于NAT-PT是用于异构网络间的通信，除了进行IP地址的转换以外，同时还进行协议的转换，所以NAT-Traversal并不适用于NAT-PT。
例如RFC3947中所描述的“NAT检测机制”，是通过在IKE协商的主模式阶段新增NAT-D载荷实现的。NAT-D载荷的作用是让通信两端的IPSec系统能够检测到中间存在的NAT。NAT-D载荷中包含一个HASH值。该值的定义为：
HASH＝HASH(CKY-I|CKY-R|IP|Port)但由于NAT-PT除了进行IP地址的转换以外，同时还进行协议的转换，所以在异构网络的通信中，不能通过NAT-D载荷值来检测NAT-PT的存在。例如会有以下情况：IPv4网络和IPv6网络通过NAT-PT连接，而在IPv4网络内部存在一个私网，它和IPv4网络公网通过NAT连接，那么当IPv4网络公网中的节点发现NAT-D载荷值被改变时，就不能由此判断跟它通信的对端是在IPv4网络私网中还是在IPv6网络中。
发明内容
鉴于上述IPSec与NAT-PT之间的兼容性问题，本发明的目的是提供一种IPSec穿越NAT-PT的具体方法。这种方法是IPSec穿越NAT-PT的一套完整的方案，解决了AH、ESP、IKE协议与NAT-PT的各种不兼容性问题。应用该方法，IPSec在AH传输模式、AH隧道模式、ESP传输模式、ESP隧道模式下都能够穿越NAT-PT，从而使IPSec能够应用到异构网络的通信中。本发明不需要在NAT-PT上增加应用层网关(IPSec-ALG)，大大减轻了NAT-PT网关的处理负担。
1、通过新增NATPT-D载荷，定义了一个NAT-PT的发现机制。
本发明定义NATPT-Detect的IKE载荷(NATPT-D载荷)，用于在IKE协商主模式阶段的NAT-PT的发现机制。NATPT-D载荷包含了远端主机地址、远端主机端口、本地主机地址、本地主机端口、两端主机cookies的HASH值和IP头“版本(Version)”的HASH值，如图2所示。
下面结合图3说明通信双方如何检测它们中间是否存在NAT-PT，当IKE协商主模式阶段的第三条消息到达Responder时，Responder重新计算NATPT-D，若发现NATPT-D的“HASH of(remote-end IP address and port|local-end IP address and port)”和“HASH of theVersion”两个域都已改变，那么可以断定通信双方中间存在NAT-PT；否则不存在NAT-PT。同理，IKE协商主模式阶段的第四条消息中的NATPT-D载荷可以使Initiator检测到NAT-PT的存在。
2、为了解决AH与NAT-PT的不兼容问题。本发明定义了新的Authentication Data计算方法。
在IPSec的Authentication Data计算方法中，对于IP头里的某些域(如Time to live域)，在IP分组的转发过程中每经过一个路由器都会被改变，对于这些特殊域，是不被包含在AH完整性检查的范围之内的。IPSec的AH在计算Authentication Data时会对这些域预先置“0”，从而不对其进行完整性检查。考虑到NAT-PT网关同样也是一个网络层设备，所以本发明所定义的新Authentication Data计算方法的主要思想是在发现NAT-PT后，忽略IP头里那些经过NAT-PT网关后不存在对应关系的域，而只计算那些存在对应关系的域。具体方法是在两端的IPSec系统取出NAT-PT协议地址转换时存在对应关系的域，做相应的变换后组成“伪IP头”，然后在计算Authentication Data时用这个“伪IP头”替代原来的IP头。
由于IPv4向IPv6转换时，NAT-PT可能会对IPv4分组重新进行分段，并且在IPv6头后面增加一个分段扩展头，此时IP分组的“净荷长度”就会发生变化，所以，本发明的Authentication Data计算方法分两种情况，一是普通分组，二是分段分组。两种情况的“伪IP头”有所不同。
对于“普通分组”，“伪IP头”的格式如附图9所示。在IPv4主机端，从接收到分组的IP头里取出“版本”、“首部长度”、“总长度”和“协议”四个域的值，按公式①、②、③计算并组成“伪IP头”，而对于IPv6主机，取出“版本”、“净荷长度”、“下一个头”的值后就可以直接组成“伪IP头”了。
版本(伪IP头)＝版本(原IP头)+2 ①
净荷长度(伪IP头)＝总长度(原IP头)-首部长度(原IP头)-选项的长度(原IP头)②
下一个头(伪IP头)＝协议(原IP头) ③
下一个头(伪IP头)＝44(原IP头) ④
下一个头(伪IP头)＝分段扩展头的“下一个头”(原IP头) ⑤
对于“分段分组”，“伪IP头”的格式如附图10所示。在IPv4主机端，只是从接收到分组的IP头里取出“版本”和“协议”两个域的值，按公式①、④计算并组成“伪IP头”，其中“44”标识IPv6的分段扩展头(因为IPv4网络的分段分组，在IPv6网络也必定是分段分组)；在IPv6主机端，伪IP头的“版本”直接取IP头里的“版本”；而“下一个头”要按公式⑤计算，这是因为IPv4并没有“分段扩展头”。
附图说明
图1为IKE SA的建立过程被阻断的示意图；
图2为NATPT-D格式示意图；
图3为增加了NAT-PT发现机制的IKE协商的主模式阶段示意图；
图4为NATPT-OA载荷格式示意图；
图5为增加了NATPT-OA载荷的IKE协商的快速模式阶段示意图；
图6为图6Non-AH/ESP域的使用示意图；
图7为IPv4包头格式示意图；
图8为IPv6包头格式示意图；
图9为Authentication Data的计算范围(普通IP分组)示意图；
图10为Authentication Data的计算范围(分片IP分组)示意图；
图11为发现“NAT-PT”后Authentication Data的计算方法原理图。
具体实施方式
下面给出本发明的一个实例。
一、IKE协商阶段
为了解决上述IPSec和NAT-PT的兼容性问题，本发明首先对IKE协商过程作了一些改进，具体过程如下：
步骤1，新增厂商ID载荷(Vendor id payload，VID)，它包含了一个厂商定义的常数值，这个常数值用于标识通信对端的协议实现。
步骤2，新增NATPT-D载荷，如图2所示，用于确定通信双方中间是否存在NAT-PT网关。即在IKE协商的主模式阶段中增加了一个NAT-PT发现机制。
具体过程如图3所示，其中VID载荷用于标识对改进后的IKE协议的支持。NATPT-D载荷包含了远端主机地址、远端主机端口、本地主机地址、本地主机端口、两端主机cookies的HASH值和IP头“版本(Version)”的HASH值。当第三条消息到达Responder时，Responder重新计算NATPT-D，若发现NATPT-D的“HASH of(remote-end IP address|remote-endport|local-end IP address|local-end port|CKY_I|CKY_R)”和“HASH of the Version”两个域都已改变，那么可以断定通信双方中间存在NAT-PT；否则不存在NAT-PT。同理，第四条消息中的NATPT-D载荷可以使Initiator检测到NAT-PT的存在。
步骤3，由于NAT-PT可能会修改外出IKE包的UDP源端口，所以响应者应该能处理端口号并非UDP500的IKE协商请求，而且返回消息的目的端口必须等于请求消息的源端口。
步骤4，发现NAT-PT后，IPv6主机需要每隔一段时间(必须比SA的生存期要短，例如9秒)发出一个keepalives消息，及时恢复NAT-PT的映射信息，以保证密钥更新消息能够顺利进行。这里选择IPv6主机是因为IPv6主机一般在NAT-PT网关后面，即存在于“私网”中。
步骤5，发现NAT-PT后，在IKE协商主模式阶段，IPSec端系统会认为IP地址和端口号的被修改是合理的变化，从而不对IDii、IDir载荷进行认证。
步骤6，为了解决上述的传输模式下ESP与IPSec的不兼容问题，即传输层的校验和问题，新增了NATPT-OA载荷，把发送方原始的IP地址放进该载荷，如图4所示。这样接收方就有足够的信息，能够在数据包到达目的并被解密后验证其上层协议的校验和。NATPT-OA载荷在IKE协商快速模式阶段的前两条消息中交换，如图5所示。
二、IPSec保护下的通信阶段
为了实现IPSec保护下的数据包能够穿越NAT-PT，这里采用了UDP封装的方法，即在两个端系统之间建立起一个UDP隧道，使得NAT-PT能够像处理普通数据包一样处理IPSec数据包。
步骤1，区分IPSec保护下的数据包和IKE数据包。
传输模式或隧道模式的AH/ESP包被封装成目的端口号为500的UDP包。端口500已经为IKE协议连接开放，就无需在防火墙设备上再开放新的端口。为了区分IKE包和AH/ESP包，IKE包中包含一个4字节的Non-AH/ESP域，其值为0。包格式如图6所示
步骤2，AH中Authentication Data的计算
由于AH是对整个IP数据报提供完整性保护，而NAT-PT要改变数据报的源和目的IP地址，版本号等一些数据，另外还要丢弃部分信息。所以对于来自异构网络的IP分组，AH中Authentication Data的计算方法作需要作必要的改进。主要思想是取出NAT-PT协议地址转换时存在对应关系的域，做相应的变换后组成“伪IP头”，然后在计算Authentication Data时用这个“伪IP头”替代原来的IP头。为了便于说明，这里附上IPv4和IPv6的包头格式，如图7、图8所示。
由于IPv4向IPv6转换时，NAT-PT可能会对IPv4分组重新进行分段，并且在IPv6头后面增加一个分段扩展头，此时IP分组的“净荷长度”就会发生变化所以下面分两种情况分析，一是普通分组，二是分段分组。
步骤2-1，首先判断IP分组是否分段的分组。如果是，进入步骤2-3，否则进入步骤2-2。
步骤2-2，对于IPv4主机，在应用AH时，首先从接收到分组的IP头里取出“版本”、“首部长度”、“总长度”和“协议”四个域的值，按公式①、②、③计算并组成“伪IP头”，而对于IPv6主机，取出“版本”、“净荷长度”、“下一个头”的值后就可以直接组成伪IP头了，如图9所示。
版本(伪IP头)＝版本(原IP头)+2 ①
净荷长度(伪IP头)＝总长度(原IP头)-首部长度(原IP头)-选项的长度(原IP头)②
下一个头(伪IP头)＝协议(原IP头) ③
下一个头(伪IP头)＝44(原IP头) ④
下一个头(伪IP头)＝分段扩展头的“下一个头”(原IP头) ⑤
步骤2-3，如果是分段的IP分组，那么IPv4主机在应用AH时，就只是取出“版本”和“协议”两个域的值，按公式①、④计算并组成“伪IP头”，其中“44”标识IPv6的分段扩展头(因为IPv4网络的分段分组，在IPv6网络也是分段分组)；对于IPv6主机，伪IP头的“版本”直接取IP头里的“版本”；而“下一个头”要按公式⑤计算，这是因为IPv4并没有“分段扩展头”。得到“版本”和“下一个头”的值后就可以组成伪IP头了，如图10所示。
步骤2-4，在计算Authentication Data时，用伪IP头代替原来的IP头，如图9所示。
Claims (6)
1、一种IPSec穿越NAT-PT的方法。该方法主要包括两点：IKE协商阶段的NAT-PT发现机制和通信阶段中新的AH认证机制，其特征在于，包括如下步骤：
A、在IKE协商的主模式阶段，新增NATPT-D载荷，用于确定通信双方中间是否存在NAT-PT网关。
B、在计算AH的Authentication Data时，用“伪IP头”取代原来的IP头。
2、根据权利要求1所述的IPSec穿越NAT-PT的方法，其特征在于，所述步骤A新增的NATPT-D载荷，包含了远端主机IP地址、远端主机端口、本地主机IP地址、本地主机端口、两端主机cookies的HASH值和IP头“版本(Version)”的HASH值。
3、根据权利要求1所述的IPSec穿越NAT-PT的方法，其特征在于，所述步骤B中“伪IP头”的格式对于“普通分组”和“分段分组”是不同的。
4、根据权利要求3所述的“普通分组”和“分段分组”的“伪IP头”的格式，其特征在于，“普通分组”的“伪IP头”包括“版本”、“净荷长度”和“下一个头”三个域。而“分段分组”的“伪IP头”只包括“版本”和“下一个头”两个域。
5、根据权利要求4所述的“普通分组”的“伪IP头”中的“版本”、“净荷长度”和“下一个头”三个域，对于IPv6主机是直接复制原IP头的对应域。而对于IPv4主机则需要按下列公式①、②、③进行计算。
版本(伪IP头)＝版本(原IP头)+2 ①
净荷长度(伪IP头)＝总长度(原IP头)-首部长度(原IP头)-选项的长度(原IP头)②
下一个头(伪IP头)＝协议(原IP头) ③。
6、根据权利要求4所述的“分段分组”的“伪IP头”中的“版本”和“下一个头”两个域，对于IPv6主机，“版本”是直接取原IP头里的“版本”，而“下一个头”要按下列公式⑤计算；对于IPv4主机，是按下列公式①、④计算“版本”和“下一个头”两个域的。
版本(伪IP头)＝版本(原IP头)+2 ①
下一个头(伪IP头)＝44(原IP头) ④
下一个头(伪IP头)＝分段扩展头的“下一个头”(原IP头) ⑤
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