Network layer security: IPsec

1. 网络层机密性（Network-layer confidentiality）：在两个网络实体之间，发送实体对数据报负载（payload）进行加密，这里的负载可以是TCP或UDP段、ICMP消息、OSPF消息等各种类型的数据。这样，所有从一个实体发送到另一个实体的数据都会对任何第三方（可能在嗅探网络的）隐藏起来，包括网页、电子邮件、P2P文件传输、TCP SYN数据包等，实现了全面的“覆盖式”保护。
2. 虚拟专用网络（Virtual Private Networks ，VPNs）
   • 动机（motivation）：机构常常为了安全需要私有网络。虽然可以部署独立的物理网络，但成本高昂，需要单独的路由器、链路、DNS基础设施等。VPN则是将机构的办公室间流量通过公共互联网发送，在进入公共互联网之前进行加密，并且在逻辑上与其他流量分离，既保证了安全性又降低了成本。
   • 工作原理（IPsec in VPNs）：以笔记本电脑（laptop）和销售人员（salesperson）通过IPsec与总部（headquarters）和分支机构（branch office）通信为例，IPsec在其中起到了关键的安全保障作用。
3. IPsec服务（IPsec services）
   • 数据完整性（data integrity）：确保数据在传输过程中没有被篡改。
   • 源认证（origin authentication）：验证数据的发送源是否合法。
   • 防止重放攻击（replay attack prevention）：通过一些机制（如序列号）来防止攻击者重放之前捕获的数据包。
   • 机密性（confidentiality）：保证数据内容不被未授权方获取。
   • 协议（protocols）：包括Authentication Header（AH）和Encapsulation Security Payload （ESP）。AH提供源认证和数据完整性，但不提供机密性；ESP则提供源认证、数据完整性和机密性，并且比AH更广泛使用。
4. IPsec模式（IPsec modes）
   • 传输模式（主机模式）（IPsec transport mode ，host mode）：IPsec数据报由端系统发送和接收，主要用于保护上层协议。例如，当两个主机之间进行通信时，直接在主机上对传输的数据进行IPsec处理。
   • 隧道模式（IPsec tunneling mode）：边缘路由器需要支持IPsec。常用于连接不同网络，如分支机构与总部之间的连接，在边缘路由器处对数据包进行封装和加密，通过公共网络传输，到达对端边缘路由器后再解封装还原数据。在实际应用中，有四种可能的组合，其中隧道模式结合ESP是最常见和最重要的。
5. 安全关联（Security Associations ，SAs）
   • 建立与特性：在发送数据之前，从发送实体到接收实体建立“安全关联（SA）”。SAs是单向的，即只为一个方向建立逻辑连接。发送和接收实体都维护关于SA的状态信息，这与TCP端点维护状态信息类似，但要注意IP是无连接的，而IPsec是面向连接的。例如，在一个包含一个总部办公室、一个分支机构办公室和n个出差销售人员的VPN中，计算SAs的数量就需要考虑到这种单向性和不同实体之间的连接情况。
   • SA的存储信息（Example SA）：以从R1到R2的SA为例，R1存储的信息包括32位SA标识符（Security Parameter Index ，SPI）、源SA接口、目的SA接口、使用的加密类型（如3DES with CBC）、加密密钥、使用的完整性检查类型（如HMAC with MD5）、认证密钥等。这些信息在处理IPsec数据报时起到关键作用，如R1在发送IPsec数据报时，会根据存储在安全关联数据库（Security Association Database，SAD）中的SA信息来确定如何处理数据报；当IPsec数据报到达R2时，R2通过检查数据报中的SPI，在SAD中查找对应的SA并据此处理数据报。
6. IPsec数据报（IPsec datagram）：以隧道模式结合ESP为例，IPsec数据报的结构包括新的IP头、原始IP头、ESP头、ESP认证字段（ESP MAC）、数据报负载、ESP尾部（ESP trailer）等部分。原始数据报经过一系列处理生成IPsec数据报，具体步骤为：在原始数据报后添加“ESP trailer”字段，使用SA指定的算法和密钥对结果进行加密，在加密数据前添加“ESP header”形成“enchilada”，再使用SA中的算法和密钥对整个“enchilada”创建认证MAC（ESP MAC）并添加到后面形成负载，最后创建全新的IP头并添加在负载前。在“enchilada”内部，ESP trailer用于块密码的填充，ESP header包含SPI（用于接收实体确定如何处理）和序列号（用于防止重放攻击），ESP认证字段中的MAC是使用共享密钥创建的。
7. IPsec序列号（IPsec sequence numbers）：对于新的SA，发送方将序列号初始化为0。每次在SA上发送数据报时，发送方递增序列号计数器并将值放入序列号字段。其目的是防止攻击者嗅探并重放数据包，因为接收重复的、经过认证的IP数据包可能会干扰服务。接收方通过检查序列号来检测重复数据包，并且不跟踪所有接收的数据包，而是使用一个窗口来实现。这种机制有效地增强了IPsec的安全性，防止重放攻击对网络造成威胁。
8. 安全策略数据库（Security Policy Database ，SPD）：发送实体需要根据安全策略来决定对于给定的数据报是使用IPsec还是普通IP，以及使用哪个SA。策略可能基于源和目的IP地址、协议号等信息。SPD中的信息指示了对于到达的数据报“做什么”，而SAD中的信息则指示“怎么做”，两者协同工作来确保IPsec的正确应用。
9. IKE （Internet Key Exchange）：在之前手动建立IPsec SAs的示例中，如手动配置SPI、源IP、目的IP、协议、加密算法、加密密钥、HMAC算法、HMAC密钥等信息在实际的VPN场景中，当有大量端点时是不切实际的。因此，使用IPsec IKE （Internet Key Exchange）协议（在RFC 5996中指定）来自动进行算法、密钥和SPI号码的交换，简化了IPsec的配置和管理过程，提高了效率和可扩展性。 IPsec通过多种机制和协议，在网络层为数据提供了全面的安全保障，包括机密性、完整性、源认证和防止重放攻击等，适用于多种网络设备和连接场景，是构建安全网络通信的重要技术。

Operational security: firewalls and IDS

1. 防火墙（Firewalls）
   • 隔离与作用（Isolation and Functions）：防火墙用于将组织的内部网络与更大的互联网隔离开，只允许特定的数据包通过，阻止其他数据包。其主要作用包括防止拒绝服务攻击（如SYN洪水攻击，攻击者建立大量虚假TCP连接，耗尽资源，使“真实”连接无法建立）、防止内部数据被非法修改或访问（例如防止攻击者篡改CIA的主页）以及只允许授权用户访问内部网络。
   • 类型（Types）
     • 无状态包过滤器（Stateless Packet Filters）：内部网络通过路由器防火墙连接到互联网，路由器逐个数据包进行过滤，根据源IP地址、目的IP地址、TCP/UDP源和目的端口号、ICMP消息类型、TCP SYN和ACK位等决定是否转发或丢弃数据包。例如，可以通过设置规则来阻止特定协议或端口的数据包，如阻止IP协议字段为17且源或目的端口为23的传入和传出数据报（会导致所有传入、传出UDP流和telnet连接被阻止），或者阻止ACK = 0的入站TCP段（防止外部客户端与内部客户端建立TCP连接，但允许内部客户端连接到外部）。还可以通过访问控制列表（Access Control Lists，ACL）来更精确地定义过滤规则，ACL是一个规则表，按照从上到下的顺序应用于传入数据包，每个规则是（动作，条件）对，类似于OpenFlow转发表。
     • 有状态包过滤器（Stateful Packet Filters）：无状态包过滤器可能会允许一些“不合理”的数据包通过，如有状态包过滤器则会跟踪每个TCP连接的状态，包括连接建立（SYN）和拆除（FIN），从而确定传入和传出数据包是否“合理”，并在防火墙处对不活动的连接进行超时处理，不再允许其数据包通过。ACL会扩充以指示在允许数据包之前需要检查连接状态表。
     • 应用网关（Application Gateways）：应用网关不仅在IP/TCP/UDP字段上过滤数据包，还在应用数据上进行过滤。例如，若要允许特定内部用户进行telnet外部访问，需要所有telnet用户通过网关进行telnet操作，对于授权用户，网关会建立到目标主机的telnet连接，并在两个连接之间中继数据，同时路由器过滤器会阻止所有非源自网关的telnet连接。
   • 局限性（Limitations）：防火墙存在一些局限性，如路由器难以确定数据是否真正来自声称的源（IP欺骗问题）；如果多个应用需要特殊处理，每个应用都需要自己的应用网关；客户端软件必须知道如何联系网关（如在Web浏览器中设置代理的IP地址）；过滤器对UDP通常采用全有或全无的策略；并且在安全与对外通信程度之间需要权衡，即使有防火墙保护，许多高度受保护的站点仍可能遭受攻击。
2. 入侵检测系统（Intrusion Detection Systems ，IDS）
   • 与包过滤的区别（Difference from Packet Filtering）：包过滤仅对TCP/IP头进行操作，且不进行会话之间的关联检查。而IDS进行深度包检测，会查看数据包内容（例如将数据包中的字符串与已知病毒、攻击字符串数据库进行检查），并且会检查多个数据包之间的相关性，能够检测端口扫描、网络映射、拒绝服务（DoS）攻击等多种攻击行为。
   • 部署（Deployment）：通常会在网络中的不同位置部署多个IDS，例如在防火墙、内部网络、Web服务器、FTP服务器、DNS服务器等周围，形成一个多层次的检测体系，以提高检测的准确性和全面性，更好地保护网络安全。 防火墙和IDS在网络安全中起着至关重要的作用，防火墙主要用于阻止未经授权的访问，而IDS则侧重于检测潜在的入侵行为，两者相辅相成，共同构建起网络安全的防护体系。