摘  要： 介紹了第一代密鑰交換協議，并分析了它的缺點。同時介紹了第二代交換協議IKEv2和JFK，并做了對比。
關鍵詞： IPSec  密鑰交換協議  JFK  安全關聯  拒絕服務

　　TCP/IP互聯網的先天缺陷主要源自IP協議的無連接、完全開放、無任何安全措施等特性上，所以必須對IP協議進行安全處理。在此背景下，1992年年底，IETF針對Internet的安全問題，成立了IP安全小組，著手對IP安全協議(IPSec)和Internet密鑰管理協議(IKMP)進行標準化。1998年IETF對IPSec進行了復審，并將其納入下一代IP即IPv6中。從此IPSec協議作為IP安全標準規范被確定下來。IPSec作為一種協議套件可以“無縫”地為IP引入安全特性，并提供數據源/目的身份鑒別、數據完整性檢查以及機密性保護機制，保證協議和數據的安全。
　　由于IPSec提供的安全服務如源認證和完整性等都需要用到共享密鑰，所以協議還強制了一種機制，即能夠為這些服務手工地添加密鑰。同時，還定義了一種添加密鑰的標準方式，用來動態地鑒別IPSec通信參與方的身份和協商所需的安全服務以及生成共享密鑰。這種密鑰管理協議稱為IKE(Internet密鑰交換協議)。
1  第一代密鑰交換協議
　　現有的IPsec中采用的第一代密鑰交換協議IKE，即RFC2409-IKEv1。ESP、AH協議根據SA規定的參數為IP數據報提供安全服務。IKE就是IPsec規定的用來自動管理SA的協議，包括建立、協商、修改和刪除SA等。
1.1 IKE的交換模式
　　IKE使用了兩個階段的ISAKMP。第一階段建立IKE安全關聯，第二階段利用這個安全關聯，為IPSec協商具體的安全關聯。有兩種階段1交換、一種階段2交換以及一個新組交換(用于對安全關聯的正確維護)。對階段1交換來說，IKE采用的是身份保護交換，以及根據基本ISAKMP文檔制定的野蠻交換。對此，分別叫做“主模式”和“野蠻模式”。對階段2來說，IKE則定義了一種快速交換模式，其作用是為除IKE之外的其他協議協商安全服務(特別是IPSec)。
　　為了最終建立IKE SA，主模式有三個往返(共使用六條消息)，分別是模式協商、一次Diffie-Hellman交換和nonce交換以及對對方身份的鑒別。主模式的特點包括身份保護和對ISAKMP協商能力的完全利用。由于在Diffie-Hellman交換之后，雙方建立了一個共享的密鑰，只是沒有通過驗證，因此必須對共享的密鑰進行認證。IKE規定了四種認證方式：基于數字簽名的認證、基于公開密鑰的認證、基于修正過的公開密鑰的認證以及預共享認證。所以就有四種類型的主模式交換。
　　野蠻模式只需用到主模式一半的步驟。由于對消息的數量進行了限制，野蠻模式同時也限制了它的協商能力，而且不提供身份保護功能。
　　當通過階段1建立好IKE SA之后，可以用快速模式為其他安全協議(如IPSec)生成相應的SA，并將其填入SADB。對一次快速模式交換來說，它是在以前建立好的IKE SA的保護下完成的，這些保護包括對快速模式交換的加密和對交換的鑒別。
1.2 IKEv1的缺點
　　IKEv1的主要缺點是：
　　(1)算法復雜。(2)往返消息數目太多(多達9條消息)，不安全。(3)易受DoS攻擊。這是因為響應者具有有限的內存和計算能力。攻擊者可以通過隨機IP地址發送虛假連接請求，用盡響應者進程中用于連接的內存，以及用于加密的計算能力。這樣響應者就無法為合法的用戶提供服務。
2  下一代IKE協議
　　IKE協議用于交換和管理密鑰，但是IETF安全專家擔心IKEv1過于復雜，以至于難以證明它是安全的。因此推薦新的協議來代替IKEv1，并將其稱為下一代IKE(Son of IKE)。現在專家正在研究的有IKEv2和JFK(Just Fast Keying)。
2.1 IKEv2
　　IKEv2是在IKEv1的基礎之上進行改進的結果。它保留了版本1中的大部分特性，如身份隱藏、PFS、兩個階段協商，同時重新設計了強壯性、高效性、安全性。
2.1.1 IKEv2的特點
　　IKEv2的特點包括：(1)簡單性。基于IKEv1的協議復雜度及安全性而提出。取消了階段1中的野蠻模式。(2)減少了潛伏期。階段1交換只需要2個往返的消息對，如圖1所示。建立IPsec SA不是通過階段2來協商，而是搭載階段1的消息而建立。(3)允許無狀態cookie。這樣可以預防DoS的攻擊，響應者在沒有接收到合法的cookie之前，將不保留cookie的任何狀態，也不做任何耗時的計算。(4)增強了靈活性。增加了選擇符TS和“緊要”比特的概念。

2.1.2 IKEv2協議
　　階段1交換是4條消息的交換(兩個請求/響應對)。第一對消息，交換協商加密算法、(可選的)指示信任的CA名字、交換的nonce和Diffie-Hellman交換。如果響應者指示沒有一個機密建議是可以接受的，或者發起者選擇的Diffie-Hellman 組不是響應者選擇的組，或者當響應者正在遭受攻擊并且將用只包含一個合法的cookie值來響應IKE-SA請求時，這對消息可以重發。
　　第二對消息，認證先前的消息，交換鑒定符和證書并且建立第一個IPsec SA。這對消息是通過第一對交換的密鑰來加密，因此可隱藏身份以防止偷聽。
　　階段2是一個請求/響應對，如圖2，它可以用來創建或刪除一個IPsec SA，刪除或重新分配IKE-SA，檢查IKE-SA的存活性，或者傳遞諸如錯誤條件的信息等。在創建IKE-SA過程中，使用協商的密鑰來加密并對完整性加以保護。任何一方都可以發起階段2交換，在階段2中添加了提供ID的能力，這樣可以建立進程到進程的IPsec SA。允許端口號不為500，因此協議可以通過NAT工作。

2.2 JFK
　　盡管可以通過對原來的協議打補丁的方式修正存在的問題，但是一些人仍傾向于用其他的協議來替代IKE，以避免IKE中的棘手問題。由于這樣的想法，從而起草了新的密鑰管理協議，稱為JFK(Just Fast Keying)。
2.2.1 JFK的特點
　　JFK的特點包括：(1)簡單性。取消了兩個階段分發密鑰的概念，整個過程只有2個往返，4條消息交換。這樣可能同時提高了效率。另外還取消了協商，因為一個局部的安全關聯協商是在消耗資源，容易遭受DoS攻擊。(2)響應者的身份在消息2中是顯露的。這樣同時避免了發起者受到主動的身份揭露攻擊。(3)會話密鑰(KE)和應用密鑰從g^xy、Ni、Nr派生得出。(4)增強了安全性。提出了兩種協議：JFKi和JFKr。二者在許多方面很相似，但有兩個主要的區別。JFKi為發起者提供主動的身份保護，而不對響應者提供任何身份保護。同時JFKi還包含了一個分期簽名。而JFKr為響應者提供主動的身份保護并為發起者提供被動的身份保護。
2.2.2 JFK協議
　　為了節約篇幅，這里僅介紹JFKr協議，如圖3所示。

　　消息1很簡單，假定發起者知道響應者可以接受的一個組。它包含了一個組信息(Diffie-Hellman值)和一個nonce。這里，nonce有兩個作用。一方面允許在不同會話間使用同一個值，從而確保會話密鑰是不同的，另一方面可以區分不同的并行會話。
　　消息2對響應者的工作量要求很小。惟一的花費是單一的認證，同時響應者不需要產生任何狀態，因為此時不知道發起者是否為一個合法的通信者。這樣可以抵抗DoS攻擊。 消息3包含了發起者的身份、服務請求以及在nonce和響應者身份上的簽名。JFK中參與者使用共享密鑰加密身份，這樣保證雙方身份不被竊聽。首先顯示身份的是發起者，響應者在查證了發起者的身份之后才顯示身份，這樣保護了響應者的身份不受主動的攻擊。
　　消息4包含應用設置的信息(例如響應者的SPI)、雙方nonce和冪上的簽名。與消息3一樣，消息4也使用消息認證代碼保護。
2.3 三種密鑰交換協議的對比
 　　三種密鑰交換協議的對比如表1～表3所示。

　　IKEv2是在IKEv1的基礎上發展而來，因此不可避免地具有了IKEv1的一些固有的特征，如兩個階段交換等。同時上邊列出的數據還顯示IKEv1和IKEv2在身份隱藏和參數協商上具有相似性。惟一的區別在于對消息的控制，IKEv2減少了消息的往返次數。

　　IKEv2的階段2交換，頻繁地重新交換密鑰將消耗掉Diffie-Hellman密鑰的熵，因此應該限制階段2的次數。另一個問題是它的安全性極大依賴于Diffie-Hellman冪的隨機性。所以要保證它的安全性必須有一個很大的隨機發生器或者合適的偽隨機源。
　　而JFK是一個新的協議，JFK消除了協商機制。響應者提供了一種服務，有權利設置自己的服務需求，任何由響應者提到的原始的機密是可以接受的。同樣消除了響應者要保持的狀態，發起者可以接受響應者的請求或者重新啟動協議。
　　JFK拋棄了兩個不同階段的概念。由于快速模式的作用是十分有限的，而且頻繁的重新交換密鑰是沒有必要的，所以正確的方法應該是重新替換密鑰。
　　JFK以上兩點的特性，使其效率有很大程度的提高。另外，通過分析協議安全性的方法分析，證明了JFKi和JFKr的安全性。
3  結束語
　　IKEv2具有IKE中的特征，因此提供商開發時可以先使用IKE過渡到IKEV2的實現。同時JFK核心小，并且改進了正式的安全分析。JFK是如此簡單以至于提供商能夠相當快速地開發出來。JFK具有更強的抵制DoS攻擊的能力。為了保護交換的消息，JFK取消了PFS，一種方法確保一個密碼破解的時候不會危及到其他數據。所以，JFK要優于IKEv2。
　　在我們的實驗中，采用JFK來替代IKE。JFK在安全路由器中已經實現，其功能能夠和IPsec無縫地協作，實現了數據包的安全傳輸，并且運行穩定可靠。
參考文獻
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