基于IPv6 流标签的IPsec 无开销封装模式*

郭 栋，姜鹏博，阳 红

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

随着网络的普及以及电子商务的流行，网络安全已经成为与人们生活息息相关的课题。IPsec 作为IP 网络层的标准安全协议，在当前IP 网络中被广泛的使用。IPsec 标准提出了两种封装模式，在提供安全服务的同时也带来了一些问题。

1 技术概述

1.1 IPv6 与流标签

IPv6 协议头如图1 所示，对比IPv4 协议头，IPv6[2]头部只有一个新增字段：Flow label，中文译为流标签，用于标示一对网络节点之间传输的一个业务流，同一个业务流中的IP 包应具有相同的流标签。

图1 IPv6 协议头

1.2 IPsec

IPsec 是IP Security 的简称，是一个由IETF 设计的确保IP 层通信安全的机制，是一系列为IP 网络提供安全性的协议和服务的集合。IPsec 不是一个单独的协议，包括了12 个RFC 文件和几十个Internet 草案，已经成为标准的IP 网络安全协议。

标准IPsec 中定义了两种协议[3]，AH（验证头）和ESP（封装安全载荷），AH 协议可以为IP 包提供数据完整性、数据源认证和抗重传服务，ESP 协议除了能够提供AH 协议的三种服务外，还可以提供机密性服务。

标准IPsec 中定义了两种封装模式[4]：传输模式和隧道模式，采用ESP 协议时，两种封装模式格式如图2 所示。

其中，ESP 头和ESP 尾均由特定的字段构成，其格式如图3 所示。

图2 两种封装模式

图3 ESP 头和ESP 尾格式

2 传统封装模式存在的问题

2.1 传输开销

由于AH 协议不能提供机密性服务，在应用IPsec 时，通常使用的是ESP 协议。下文均基于ESP 协议进行分析。

两种传统封装模式最大的问题在于封装带来了开销。以以太网为例，在“初始化向量”长度为8字节、“验证数据”为16 字节前提下，分别计算两种封装模式下的传输效率。

传输模式效率计算公式如图4 所示，隧道模式效率计算公式如图5 所示。

在RFC2544[5]测试性能采用的各种帧长情况下，两种封装模式传输效率如表1 所示。

图4 传输模式效率

图5 隧道模式效率

表1 传输模式和隧道模式的传输效率

从表1 可以看出，在帧长较小情况下，两种封装模式开销将极大的影响传输效率。

2.2 丢包策略

由于封装带来了开销，当业务包以线速进入IPsec 对等体时，并不是所有业务包均得到IPsec 服务并正确转发，超过IPsec 对等体处理性能的业务包将会被丢弃，由此带来了丢包策略问题。业务包优先级和丢包策略是一个复杂的课题，在此文中不再详述。

2.3 分片重组

由于封装开销的存在，部分业务包在实施IPsec时需要分片和重组，进一步降低了传输性能，增加了IPsec 实现的复杂性。

3 无开销封装模式

3.1 流标签特点

在IP 网络中，传统上使用IP 包的五元组来区分数据流，也就是源和目的IP 地址、源和目的端口号以及传输协议。但是，分片会导致非首片分片包缺少端口号字段，加密会导致无法获取IP 包的传输协议和端口号字段，还有，由于IPv6 包可能存在扩展头，传输协议和端口号字段要通过一系列的解析才能获取，效率较低。

流标签的使用方法在相关的RFC 中并未做具体设定，但是RFC 对流标签的使用提出了一些要求。如流标签在传输过程中不能被任意节点修改，同一对源和目的地址的节点不能把同一个标签用在不同的数据流上，流标签在使用结束后的120 秒之内不可再被使用等。

3.2 无开销封装实现方式

无开销封装模式，是在传输模式的基础上，逐一分析ESP 头和ESP 尾中各个字段存在的必要性，只保留必需的字段并存储到流标签中，通过流标签实现IPsec。

标准IPsec 中ESP 协议的扩展头和扩展尾的格式如图3 所示，SPI 用于关联安全联盟，序列号用于抗重放，初始化向量是加解密算法的一个输入。另外，分组算法通常需要将明文数据填充成8 或16字节的整数倍，因此ESP 尾中有填充字段和填充长度。下一个头用于记录原始包中的传输协议类型。验证数据用于实现完整性校验功能。

如果不考虑抗重放功能，可省略序列号字段。加解密时可使用IPv6 头部中的固定字段作为初始化向量，可省略初始化向量字段。另外，通过设计特定的算法，加解密无需再提供填充字段。如果不考虑完整性校验功能，可省略验证数据字段。

因此，在构成ESP 头和ESP 尾的各字段中，只有SPI 和下一个头字段必须保留。标准IPsec 中SPI 字段长度为4 个字节，下一个头长度为1 个字节，流标签的22 比特空间不足以存放SPI 和下一个头。下一个头存放的是原始包的协议值，长度必须为1个字节，因此只能压缩SPI 存储空间。

如图6 所示，将22 比特的流标签空间划分成两部分，前14 比特用于存放SPI，后8 比特用于存放下一个头。

图6 流标签的划分格式

无开销模式中的SPI 和下一个头与标准Ipsec中的相同字段用法保持一致。

流标签用于在一对源和目的之间标记一个特定的数据流，与SPI 字段在IPsec 中的作用基本类似，另外具有同样流标签的业务包应得到相同的服务，以及流标签在传输过程中不能被更改等特点，使得流标签非常适合于实现IPsec。

3.3 模式比较

与标准IPsec 中定义的两种封装模式比较，无开销模式具有以下特点：

（1）在实现IPsec 的同时省略了开销，传输性能可达到线速。

（2）传输模式和隧道模式下，当输入的明文数据已达到线速的情况下，开销会造成丢包，将带来丢包策略、业务包优先级等一系列复杂问题。无开销模式无此类问题。

（3）传输模式和隧道模式下，经过IPsec 处理后，包长度会增加，由此带来分片和重组问题，分片和重组会进一步影响传输性能。无开销模式不会改变包长，无需考虑分片。

（4）传输模式和隧道模式下，SPI 字段占用了32 比特空间，同一对源和目的IP 地址之间最多能够建立4 294 967 296 个SA。无开销模式下，由于流标签字段空间有限，SPI 字段最大只能占用14 比特空间，在同一对源和目的IP 地址之间最多能够建立16 384 个SA，对于一般的终端节点够用，如果节点为服务器则要慎重考虑。

（5）传输模式和隧道模式下，ESP 扩展头中存在序列号字段用于提供抗重放服务，无开销模式没有足够的空间存放序列号，因此无法提供抗重放服务。

（6）传输模式和隧道模式可提供数据完整性服务，无开销模式没有足够的空间存放校验数据，因此在IPsec 层面无法提供数据完整性服务，但被保护的高层协议通常包括校验和字段，数据完整性方面可以借助于高层协议如TCP、UDP 及ICMPv6等协议实现。

（7）无开销模式，未对下一个头字段加密，网络攻击者可通过抓包分析获取数据流传输协议。

4 结语

标准IPsec 定义的两种封装模式在提供IP 网络安全服务的同时，也带来了传输开销、分片等问题。本文提出的无开销封装模式，通过利用IPv6 头部中的流标签字段，在IPv6 协议下无开销实现IPsec。由于流标签空间有限，无开销模式无法提供数据完整性和抗重放服务，高层协议的校验和可提供弱完整性服务。无开销模式可提供简单的机密性服务，在带宽有限的网络中具有一定的优势。另外，省略填充字段依赖于特殊的算法实现，需要在设计和实现算法时考虑。