VPN简介与举例

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最近看了篇关于VPN原理的文章，发现它的连接建立过程与HTTPS有点相似，并且都是对通信进行了数据加密。

在这里记录下VPN的连接建立过程，想要比较与HTTPS的区别的可以看我的另外一篇博客：https://sunra.top/posts/‘51308784’/。

VPN是用来做什么的

有的公司有多个数据中心，需要将多个数据中心连接起来，或者需要办公室和数据中心连接起来。这该怎么办呢？

  • 第一种方式是走公网，但是公网太不安全，你的隐私可能会被别人偷窥。

  • 第二种方式是租用专线的方式把它们连起来，这是土豪的做法，需要花很多钱。

  • 第三种方式是用 VPN 来连接，这种方法比较折中，安全又不贵。

VPN，全名 Virtual Private Network，虚拟专用网，就是利用开放的公众网络，建立专用数据传输通道，将远程的分支机构、移动办公人员等连接起来。

VPN是如何工作的

VPN 通过隧道技术在公众网络上仿真一条点到点的专线，是通过利用一种协议来传输另外一种协议的技术，这里面涉及三种协议：乘客协议、隧道协议和承载协议。

我们以 IPsec 协议为例来说明。

在最前面的时候说了，直接使用公网太不安全，所以接下来我们来看一种十分安全的 VPN，IPsec VPN。这是基于 IP 协议的安全隧道协议，为了保证在公网上面信息的安全，因而采取了一定的机制保证安全性。

  • 机制一：私密性，防止信息泄露给未经授权的个人，通过加密把数据从明文变成无法读懂的密文，从而确保数据的私密性。在讲 HTTPS 的时候，说过加密可以分为对称加密和非对称加密。对称加密速度快一些。而 VPN 一旦建立，需要传输大量数据，因而我们采取对称加密。但是同样，对称加密还是存在加密密钥如何传输的问题，这里需要用到因特网密钥交换（IKE，Internet Key Exchange）协议。

  • 机制二：完整性，数据没有被非法篡改，通过对数据进行 hash 运算，产生类似于指纹的数据摘要，以保证数据的完整性。

  • 机制三：真实性，数据确实是由特定的对端发出，通过身份认证可以保证数据的真实性。

那如何保证对方就是真正的那个人呢？

第一种方法就是预共享密钥，也就是双方事先商量好一个暗号，比如“天王盖地虎，宝塔镇河妖”，对上了，就说明是对的。

另外一种方法就是用数字签名来验证。咋签名呢？当然是使用私钥进行签名，私钥只有我自己有，所以如果对方能用我的数字证书里面的公钥解开，就说明我是我。

基于以上三个特性，组成了 IPsec VPN 的协议簇。这个协议簇内容比较丰富

在这个协议簇里面，有两种协议，这两种协议的区别在于封装网络包的格式不一样。

  • 一种协议称为 AH（Authentication Header），只能进行数据摘要 ，不能实现数据加密。

  • 还有一种 ESP（Encapsulating Security Payload），能够进行数据加密和数据摘要。

在这个协议簇里面，还有两类算法，分别是加密算法和摘要算法。

这个协议簇还包含两大组件，一个用于 VPN 的双方要进行对称密钥的交换的 IKE 组件，另一个是 VPN 的双方要对连接进行维护的 SA（Security Association）组件。

IPsec VPN 的建立过程

下面来看 IPsec VPN 的建立过程，这个过程分两个阶段。

第一个阶段，建立 IKE 自己的 SA。这个 SA 用来维护一个通过身份认证和安全保护的通道，为第二个阶段提供服务。在这个阶段，通过 DH（Diffie-Hellman）算法计算出一个对称密钥 K。

DH 算法是一个比较巧妙的算法。客户端和服务端约定两个公开的质数 p 和 q，然后客户端随机产生一个数 a 作为自己的私钥，服务端随机产生一个 b 作为自己的私钥，客户端可以根据 p、q 和 a 计算出公钥 A，服务端根据 p、q 和 b 计算出公钥 B，然后双方交换公钥 A 和 B。

到此客户端和服务端可以根据已有的信息，各自独立算出相同的结果 K，就是对称密钥。但是这个过程，对称密钥从来没有在通道上传输过，只传输了生成密钥的材料，通过这些材料，截获的人是无法算出的。

有了这个对称密钥 K，接下来是第二个阶段，建立 IPsec SA。在这个 SA 里面，双方会生成一个随机的对称密钥 M，由 K 加密传给对方，然后使用 M 进行双方接下来通信的数据。对称密钥 M 是有过期时间的，会过一段时间，重新生成一次，从而防止被破解。

IPsec SA 里面有以下内容：

  • SPI（Security Parameter Index），用于标识不同的连接；

  • 双方商量好的加密算法、哈希算法和封装模式；

  • 生存周期，超过这个周期，就需要重新生成一个 IPsec SA，重新生成对称密钥。

当 IPsec 建立好，接下来就可以开始打包封装传输了。

在 IP 头里面，会指定上一层的协议为 TCP。ESP 要对 IP 包进行封装，因而 IP 头里面的上一层协议为 ESP。在 ESP 的正文里面，ESP 的头部有双方商讨好的 SPI，以及这次传输的序列号。接下来全部是加密的内容。可以通过对称密钥进行解密，解密后在正文的最后，指明了里面的协议是什么。如果是 IP，则需要先解析 IP 头，然后解析 TCP 头，这是从隧道出来后解封装的过程。有了 IPsec VPN 之后，客户端发送的明文的 IP 包，都会被加上 ESP 头和 IP 头，在公网上传输，由于加密，可以保证不被窃取，到了对端后，去掉 ESP 的头，进行解密。

与HTTPS的相同点与不同点

二者的相同点都分为两个过程：

HTTPS的公私钥是事先已经在CA申请好的，公钥会随着证书一起发送给对方，私钥留在自己这里，然后第二个阶段利用生成的三个随即字符生成对称秘钥，用对称秘钥来加密HTTP信息；

而IPSec VPN是第一阶段先自己生成一个临时私钥，然后双方交换临时公钥和各自生成的一个随即字符串，通过DH算法各自计算出一个对称秘钥K，只不过二者计算出来的这个对称密钥匙K相同的，第二个阶段在用K生成另一个有时效的对称秘钥M来加密信息。