文章总结： IPsec是一套工作在网络层的安全协议族，为IP数据包提供加密、防篡改、身份认证和抗重放保护。其核心组件包括AH（认证头）、ESP（封装安全载荷）和IKE（密钥交换协议），支持传输模式和隧道模式两种封装方式。通过安全关联（SA）管理安全参数，IPsec可实现站点间VPN、远程接入等场景的全网无感知加密，有效解决原始IP协议明文传输、易篡改等安全问题。 综合评分： 86 文章分类： 网络安全,应用安全,解决方案,技术标准,安全工具

密评专栏丨什么是IPsec？

创信华通

2026年6月29日 17:25 四川

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一、IPsec 到底是什么？

IPsec（Internet Protocol Security）是一套工作在网络层（三层）的安全协议族，给 IP 数据包加 “加密 + 防篡改 + 身份认证 + 抗重放” 保护，让原本裸奔的 IP 流量在公网上能像走专线一样安全。

• 位置：OSI模型的第三层（网络层）
• 保护对象：所有 IP 流量（TCP/UDP/ICMP/ 路由协议都能保护）
• 典型用途：IPsec VPN（站点间、远程办公）
• 对比 TLS：TLS 是四层 / 应用层，只保护特定应用；IPsec 是三层，全网无感知加密

二、为什么需要 IPsec？——IP 天生不安全

原始 IP 协议只有寻址和转发，没有任何安全能力：

1. 明文传输：抓包就能看到全部内容
2. 易篡改：中间人改几个比特，接收方无法发现
3. 源地址可伪造：IP 欺骗攻击很常见
4. 无抗重放：旧包重发，系统会重复处理

IPsec 的核心目标：给 IP 补上四大安全能力

• 机密性 Confidentiality：加密，窃听也看不懂
• 完整性 Integrity：防篡改，改了就校验失败
• 真实性 Authentication：确认对方身份，不被冒充
• 抗重放 Anti-replay：旧包不能重复使用

三、IPsec 三大核心组件（AH、ESP、IKE）

1. AH（Authentication Header，认证头，协议号 51）

只做认证 + 完整性 + 抗重放，不加密。

• 保护范围：整个 IP 包（部分可变字段除外）+ 数据
• 特点：强认证，但不支持 NAT 穿越（NAT 改 IP 头会破坏 AH 校验）
• 现状：基本被 ESP 取代，很少单独用

2. ESP（Encapsulating Security Payload，封装安全载荷，协议号 50）

加密 + 认证 + 完整性 + 抗重放全功能，IPsec 主力协议。

• 加密范围：IP 数据（传输模式）或整个原始 IP 包（隧道模式）
• 认证范围：ESP 头 + 加密数据 + 部分外层 IP 头
• 优势：支持 NAT 穿越、加密能力强、灵活
• 格式概览（隧道模式）：

外层IP头 | ESP头 | 内层IP头 | 原始数据 | ESP尾 | 认证数据

3. IKE（Internet Key Exchange，密钥交换协议）

负责自动协商密钥、算法、SA，建立安全通道，分两个阶段：

• IKE SA（第一阶段）：双方先认证身份（预共享密钥 / 证书），协商加密 / 认证算法，生成一个安全的控制通道（Parent SA）
• IPsec SA（第二阶段）：用 IKE SA 保护，协商数据通道的加密算法、密钥、SA 生命周期，生成双向 IPsec SA（Child SA）
• 特点：密钥自动更新、动态协商、减少手工配置IETF

简单记：IKE 管 “握手和密钥”，ESP/AH 管 “数据保护”

四、两个核心模式：传输模式 vs 隧道模式

1. 传输模式（Transport Mode）

在传输模式中，AH头或ESP头被插入到IP头与传输层协议头之间，保护TCP/UDP/ICMP负载。传输模式不改变报文头。

• 传输模式下，AH协议的完整性验证范围为整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括IP头，因此ESP协议无法保证IP头的安全。ESP的加密部分包括传输层协议头、数据和ESP报尾

2. 隧道模式（Tunnel Mode）—— 最常用

在原IP头部之前插入ESP/AH头部，同时生成新的IP头部 。

• 隧道模式下，AH协议的完整性验证范围为包括新增IP头在内的整个IP报文。ESP协议验证报文的完整性检查部分包括ESP头、原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾，但不包括新IP头，因此ESP协议无法保证新IP头的安全。ESP的加密部分包括原IP头、传输层协议头、数据和ESP报尾。

对比表：

| 模式 | 保护范围 | IP 地址 | NAT 穿越 | 典型场景 | | — | — | — | — | — | | 传输模式 | 端到端 | 原 IP 暴露 | 不支持 | 主机间通信 | | 隧道模式 | 站点到站点 | 内层隐藏，外层可见 | 支持 | VPN、远程接入 |

传输模式和隧道模式的区别在于： 从功能来讲，传输模数主要用于主机之间通信、隧道模式主要用于站点间通信；从安全性来讲，隧道模式优于传输模式。它可以完全地对原始IP数据报进行验证和加密。隧道模式下可以隐藏内部IP地址，协议类型和端口。 当安全协议同时采用AH和ESP时，AH和ESP协议必须采用相同的封装模式。

五、安全关联 SA：IPsec 的 “安全规则表”

SA（Security Association）是通信双方协商好的一套安全参数集合，定义了 “如何保护数据”。

• 核心参数：

• 协议：AH 或 ESP

• 加密算法：AES-256、3DES

• 认证算法：HMAC-SHA256

• SPI（安全参数索引）：32 位唯一标识，用于查找 SA

• 源 / 目的 IP、模式、生命周期

• 特点：

• 单向：A→B 一个 SA，B→A 另一个 SA

• 由 IKE 自动生成，或手工静态配置

• 数据收发时，通过 SPI + 目的 IP + 协议 定位 SA

六、IPsec 完整工作流程（隧道模式为例）

1. 感兴趣流触发：路由器 / 防火墙识别需要加密的流量（如内网 10.0.0.0/24 到对端 10.1.0.0/24）
2. IKE 第一阶段（主模式 / 野蛮模式）：

• 双方交换策略、认证身份（PSK / 证书）
• 协商 IKE 加密 / 认证算法，生成共享密钥
• 建立 IKE SA（控制通道），后续协商加密进行

1. IKE 第二阶段（快速模式）：

• 用 IKE SA 保护，协商 IPsec 策略
• 生成 IPsec SA（数据通道），双向各一个
• 协商密钥、算法、SA 生命周期

1. 数据加密传输（ESP 隧道模式）：

• 原始 IP 包（内层）→ 加 ESP 头 → 加密 → 加外层 IP 头 → 发送
• 接收方：剥外层 IP → 解密 → 校验认证数据 → 还原原始 IP 包 → 转发

1. SA 维护与销毁：生命周期到期或流量超时，IKE 自动重协商或删除 SA

   – END –

   供稿：杨老师

   编辑：小   鱼

   审核：王老师

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