Ipsec VPN 原理及在医疗行业的应用

陈军

摘要：随着Ipsec VPN技术的出现，其低成本，灵活与安全的特性，使其广泛应用于医疗业务的解决方案中。如国家提出的医保病人异地结算业务，大型三甲医院总院与各分院之间的信息交换与共享，机房的异地容灾备份等。都可以使用Ipsec VPN优异特性。该文详细分析了Ipsec VPN的基本框架结构与涉及的相关协议算法，解释了Ipsec VPN安全传输原理。并简述了它在医疗行业中的优势。

关键词： VPN 技术；安全联盟（SA）；AH； ESP ；医疗网络

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）09-0026-02

1 Ipsec VPN简述

Ipsec VPN（Virtual Private Network）是指一种在公共网络（或者说不安全的网络）上建设安全隧道，传输私有数据的技术。Ipsec的实质是一套关于隧道建设、维护、数据传输的协议体系，它定义了实现安全传输信息的结构，但没有指定实现具体安全的套件。只要这些套件符合ipsec 的结构规范，用户可以根据实际安全需要，选择适合自身需求的加密、认证、数据包封装算法等。若后继有更的好算法出现，也可方便的应用于Ipsec VPN.。

Ipsec VPN根据通信端点类型可分成两类：一是站点到站点VPN（site to site vpn），另一类是远程访问VPN（通信点通常为移动终端，小型无线接入点）。

站点到站点VPN（site to site vpn）： 通常是在两个以上局域网之间构建虚拟的隧道 从而为各VPN站点之内的终端提供安全通信，典型应用模式是总部与分部模式。

远程访问VPN：通常是是为人员出差办公，小型驻异地机构，在需要访问总部数据时，提供的一种VPN解决方案。

2 Ipsec VPN的主要技术

2.1 Ipsec VPN实用化需实现的技术要求

Internet是个公共网络，其上面传输的是明文数据，这显然是不安全的。为了能在不安全的信道上，私密的传输数据，vpn需要解决如下要素：

数据源认证（Data origin authentication）保证数据是从真正的发送者发来的，而不是来自于第三方

数据完整性（Data integrity）保证数据不会被攻击者改动

数据私密性（Data confidentiality）保证数据不会被攻击者读取

防止中间人攻击（Man-in-the-Middle）防止数据被中间人截获，读懂其中的数据

防止数据被重放（Anti-Replay）也可以认为是防止数据被读取和改动。

为了解决上述问题，Ipsec VPN协议包涵了认证协议 ，封装协议 ，密钥交换管理协议，加密算法。它通过对有效载荷的加密，封装，路由转发，到达目地端后，解封装，解密，来建立一条如同专线般的私有数据通道。

2.2加密算法与认证算法

加密算法分为两大类。一类是对称加密算法， 即加密密钥与解密密钥相同，或者由加密密钥很容易推导出解密密钥，特点是加密速度快，但密钥分发与保管较为困难，这类算法有DES、3DES、 AES ；第二类是非对称加密算法，在该算法中，密钥是成对出现的，一个公钥和一个私钥。它们在数学上互相推导是不可行的，即是公钥加密的数据，只有相应的私钥能解。相反私钥加密的数据，也只能由对应公钥解。这类算法有rsa、rc4.这解决了数据的私密性。

认证算法HMAC（Hashed Message Authentication Code）该算法检测数据在传输过程中是否被篡改。其特点是具有单向推导性和雪崩效应。数据在发送之前先计算出相应的 Hash值，然后附加数据之后一起传送到目的端，当接收者收到数据后也要对数据计算 Hash值，如果发现自己计算的 Hash 值与数据附带的值不匹配，便认为数据在传输过程中遭到了篡改，从而拒绝不正确的数据包。该类算法有md5，sha-1。 这解决了数据的完整性。

2.3 Vpn关键技术之安全联盟

SA（Security Association）。 IPsec在两个端点之间提供安全通信，端点被称为IPsec对等体。

SA是IPsec的基础，也是IPsec的本质。SA是通信对等体间对某些要素的约定，例如，使用哪种协议（AH、ESP还是两者结合使用）、协议的封装模式（传输模式和隧道模式）、加密算法（DES、3DES和AES）、特定流中保护数据的共享密钥以及密钥的生存周期等。

SA是单向的，在两个对等体之间的双向通信，最少需要两个SA来分别对两个方向的数据流进行安全保护。同时，如果两个对等体希望同时使用AH和ESP来进行安全通信，则每个对等体都会针对每一种协议来构建一个独立的SA。

Ipsec 的所有会话都是在通道中传输的，包括协商密钥，传递用户数据；这样的通道称为 SA（Security Association），SA并不是隧道，而是一组规则，就好比是需要会话的对等体之间必须遵守的一份合同。SA 中的规则能够保证所有数据的安全传递，因此 SA 中包含了之前提到的保证数据和密钥安全时必不可少的认证、加密等安全策略，这些需要用到的技术，都要在 SA中定义。

因为VPN之间传输的数据需要加密才能保证安全，并且加密时所用到的密钥要更加安全，所以对待密钥，我们也需要付出巨大的努力。在密钥的安全上，由 IKE负责，而数据的安全，则由Ipsec 负责，虽然是这么说，但需要注意，IKE也是 Ipsec不可分割的一部分，IKE不是独立存在的。 SA并不是只有一个，由于密钥安全和数据安全我们是分开对待的，所以SA有两个，分别是定义了如何保护密钥和如何保护数据，这两个 SA就是：

ISAKMP Security Association（IKE SA）

Ipsec Security Association（Ipsec SA）

每个SA都有lifetime，过期 后SA便无效，在建立之初SA时就会协商出来，双方会比对，最终取值较小的一方。SA在将要过期前，会自动重建另一条 SA，SA到期后无法传输数据。

IKE SA ：

IKE SA要保护的对象是与密钥有关的，IKE并不直接关心用户数据，并且 IKE SA

是为安全协商Ipsec SA服务的。

Ipsec SA：

用户的数据流量真正是在 Ipsec SA上传递的，而不是在 IKE SA；Ipsec SA直接为

用户数据流服务，Ipsec SA中的所有安全策略都是为了用户数据流的安全。 每个 Ipsec 对等体都有一对 Ipsec SA，一个是去往远程目的地的，而另一个是从远程回来的，也就是一进一出，都存放在本地 SA Database 中。

3 IPSEC 协议原理分析

IPsec协议不是一个具体的协议，而是一整套的协议规范，它给出了应用于IP层上网络数据安全的一整套体系结构，包括网络认证协议AH（Authentication Header，认证头）、ESP（Encapsulating Security Payload，封装安全载荷）、IKE（Internet Key Exchange，因特网密钥交换）和用于网络认证及加密的一些算法等。其中，AH协议和ESP协议用于提供安全服务，IKE协议用于密钥交换。

AH协议提供数据源认证、数据完整性校验和防报文重放功能，它能保护通信免受篡改，但是因为AH不提供数据加密，所有数据在传输时以明文进行传输，所以它常被用在传输非机密数据的场合。AH的工作原理是通过在每一个数据报上增加一个身份认证包头，此包头包含一个带密钥的Hash散列，此Hash散列在整个数据包中计算，对数据的任何更改都将导致该散列无效，从而实现了数据的完整性保护，AH经常通过摘要算法（单向Hash函数）MD5和SHA1来生成Hash散列

ESP （封装安全载荷）协议区别于AH （认证头）协议的主要一点是它提供了对数据的加密功能，因此它与AH相比更安全。ESP的工作原理是在每一个数据包的标准IP包头后面添加一个ESP报文头，并在数据包后面追加一个ESP尾。与AH协议不同的是，ESP将需要保护的用户数据进行加密后再封装到IP包中，以保证数据的机密性。

在实际进行IP通信时，可以根据实际安全需求同时使用这两种协议或选择使用其中的一种。ESP和AH都可以提供认证服务，不过，AH提供的认证服务要强于ESP，ESP比AH更加安全。

IKE是个混合协议，其中包含部分Oakley协议以及内置在ISAKMP （Internet Security

asociation and Key Management Protocol）协议中的部分 SKEME协议，所以 IKE也可写为 ISAKMP/Oakley，它被Ipsec协议使用来实现安全协议的自动安全参数协商，包括加密与鉴别算法、加密与鉴别密明、通信的保护模式（传输或險道模式）、密钥的生存期等。IKE将这些安全参数构成的安全参数背景称为安全关联SA （security association），并负责这些参数的更新。

4 Ipsec VPN在医疗行业的优势

4.1经济、技术可行性高

一次投入，可永久使用。与专线相比，使用时间越长，效益与成本比越高。有些情况下，如两地相距太远，拉专线会变的成本昂贵或技术上根本不可行，而Vpn没有这样的限制，只要通信方设备支持Ipsec VPN，都可以建立Ipsec VPN隧道实现安全通信。尤其是在医疗行业里，医疗软件系统多采用c/s模式，数据量小，且业务数据不具有集中性，持续性，更适合部署Ipsec VPN。

4.2设备布置方便灵活

在我们的设备有足够的硬件资源，例如内存，cpu等，出口带宽足够的情况下，无需任何的其它投入就可以实施专网连接服务。而不管你连接的医疗机构有多少个，它们离我有多远。即使相距万里也毫不影响。Vpn可以低廉的成本连接任意多的分支，扩张性好。包括分支部门或是移动办公，都可以随时随地访问我们核心部门，而不用担心安全问题。例如远程医疗，远程医疗电视电话会议，连同数据业务一起为信息化医疗提供方便，廉价的解决方案。

4.3安全

根据Ipsec VPN技术规范，通信方加密数据的密钥不会在网络中传输，密钥是是通过DH算法计算出来的，因此它是安全可靠的。同时用户可以根据实际安全需要选择适合自己的安全强度的算法如DES、3DES等。认证算法，保证了通信双方身分的可信，数据经过加密封装，保证了数据的安全。它们一起保证通信的有效性，安全性。

参考文献：

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