IKE 与 ISAKMP 核心笔记
一、IKE：IPsec 的密钥交换核心
IKE（Internet Key Exchange，互联网密钥交换） 是 IPsec 协议簇中专门负责密钥协商与安全关联建立的关键过程。它并非独立协议，而是基于 ISAKMP 框架实现，并融合了 Oakley 协议（密钥交换逻辑）和 SKEME 协议（密钥管理机制）的核心技术，为 IPsec 提供自动化的密钥生成与安全参数协商能力。
二、ISAKMP：安全关联的框架基础
1. 什么是 ISAKMP？
ISAKMP（Internet Security Association and Key Management Protocol，互联网安全关联和密钥管理协议） 是一个框架性协议，定义了网络实体间建立安全关联（SA）、协商加密 / 认证算法等安全参数的通用规则。它不直接实现密钥交换，而是为密钥交换过程提供标准化的消息格式、协商流程和安全机制。
在 IPsec 中，SA 的建立主要通过 IKE 实现，因此IKE 是 ISAKMP 的典型应用，二者紧密配合：ISAKMP 提供框架，IKE 填充具体的密钥交换逻辑。
2. ISAKMP 的核心概念：安全关联（SA）
安全关联（SA） 是 ISAKMP 的核心，指通信双方为安全通信达成的一系列约定，是 IPsec 加密 / 认证的基础。
SA 的组成要素：
- 安全参数索引（SPI）：唯一标识 SA 的 32 位数值，与目的 IP、安全协议共同定位一个 SA；
- 目的 IP 地址：SA 的目标端点地址；
- 安全协议：指定使用的 IPsec 协议（AH 或 ESP）。
SA 的核心内容：
- 加密算法（如 AES-256）；
- 认证算法（如 HMAC-SHA256）；
- 密钥材料（通过密钥交换生成的共享密钥）；
- SA 生命周期（时间或流量阈值，到期后需重新协商）。
ISAKMP 的核心作用就是协商并确认 SA 的所有参数，确保通信双方对安全策略达成一致。
3. ISAKMP 消息结构
IPsec 实体间的 IKE 协商通过 ISAKMP 消息（报文）完成，消息由头部和多个负载（Payload） 组成。
（1）消息头部
头部用于标识会话、控制消息传输，包含以下关键字段：
- 发起方 Cookie 与响应方 Cookie：随机生成的 64 位值，唯一标识一个 ISAKMP 会话，防止重复攻击；
- Next Payload：指示消息中第一个负载的类型（如 SA 负载、密钥交换负载等）；
- Major/Minor Version：ISAKMP 协议版本（如 v1）；
- Exchange Type：消息交换类型（如主模式、积极模式）；
- Flags：标志位（如是否加密、是否为响应消息）；
- Message ID：消息唯一标识，用于匹配请求与响应；
- Length：整个消息的总长度（字节）。
（2）负载（Payload）：消息的核心内容
负载承载具体的协商信息，其中与 SA 协商最相关的包括：
| 负载类型 | 作用描述 |
|---|---|
| SA 负载 | 携带安全关联的协商提议（如支持的加密 / 认证算法列表），是 SA 协商的核心。 |
| 提议负载（Proposal） | 包含一组安全提议组合（如 “提议 1：AES-256 + HMAC-SHA256”）。 |
| 转换负载（Transform） | 细化提议中的具体参数（如加密算法类型、密钥长度、认证算法等）。 |
三、ISAKMP 的协商模式：主模式与积极模式
ISAKMP 定义了多种 SA 协商流程（称为 “交换类型”），其中最常用的是主模式（Main Mode） 和积极模式（Aggressive Mode），二者在安全性与效率上存在显著差异。
1. 主模式（Main Mode）
主模式是安全性更高但流程更复杂的协商模式，适用于对安全性要求较高的场景（如企业内网通信）。它通过 6 条消息完成 SA 协商，具体流程如下：
| 消息序号 | 发送方 | 内容说明 |
|---|---|---|
| 1 | 发起方 | 发送包含发起方 Cookie 和安全提议（SA 负载）的消息，请求建立 SA。 |
| 2 | 响应方 | 回复响应方 Cookie 和接受的安全提议（从发起方提议中选择一组匹配的参数）。 |
| 3 | 发起方 | 发送 DH 密钥交换的公共参数（密钥交换负载），启动共享密钥生成过程。 |
| 4 | 响应方 | 回复自身的 DH 公共参数，双方基于 DH 算法计算共享密钥（密钥不直接传输）。 |
| 5 | 发起方 | 发送身份信息（身份负载）和认证证明（认证负载），验证自身身份合法性。 |
| 6 | 响应方 | 回复身份信息和认证证明，完成双向身份验证，SA 协商结束。 |
2. 积极模式（Aggressive Mode）
积极模式是简化的快速协商模式，适用于对效率要求高于安全性的场景（如低带宽网络、移动设备接入）。它通过 3 条消息完成协商，流程更简洁但安全性略低（部分信息未加密传输）：
| 消息序号 | 发送方 | 内容说明 |
|---|---|---|
| 1 | 发起方 | 发送 Cookie、安全提议、DH 公共参数和身份信息（身份信息未加密）。 |
| 2 | 响应方 | 回复 Cookie、接受的安全提议、自身 DH 公共参数、身份信息和认证证明。 |
| 3 | 发起方 | 发送认证证明，完成双向身份验证，SA 协商结束。 |
四、DH 算法：密钥交换的底层支撑
DH（Diffie-Hellman）密钥交换算法是 ISAKMP/IKE 实现密钥安全交换的核心技术，基于非对称加密机制，允许通信双方在不安全的网络通道中生成共享密钥而不直接传输密钥本身。
其核心原理是：双方各自生成私有密钥和对应的公共参数，通过交换公共参数，利用数学运算（离散对数问题）计算出相同的共享密钥。由于私有密钥不传输，即使公共参数被窃听，攻击者也无法推导出共享密钥，从而保障了密钥的安全性。
总结
ISAKMP 为 IPsec 提供了安全关联协商的框架，而 IKE 则基于该框架实现了具体的密钥交换逻辑。通过主模式或积极模式的协商流程，结合 DH 算法的密钥生成机制，IKE 与 ISAKMP 共同为 IPsec 打造了安全、高效的密钥管理体系，是网络通信加密的核心支撑技术。