Ipsec VPN 原理及在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用

陳軍

摘要：隨著Ipsec VPN技術(shù)的出現(xiàn)，其低成本，靈活與安全的特性，使其廣泛應(yīng)用于醫(yī)療業(yè)務(wù)的解決方案中。如國家提出的醫(yī)保病人異地結(jié)算業(yè)務(wù)，大型三甲醫(yī)院總院與各分院之間的信息交換與共享，機(jī)房的異地容災(zāi)備份等。都可以使用Ipsec VPN優(yōu)異特性。該文詳細(xì)分析了Ipsec VPN的基本框架結(jié)構(gòu)與涉及的相關(guān)協(xié)議算法，解釋了Ipsec VPN安全傳輸原理。并簡述了它在醫(yī)療行業(yè)中的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： VPN 技術(shù)；安全聯(lián)盟（SA）；AH； ESP ；醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0026-02

1 Ipsec VPN簡述

Ipsec VPN（Virtual Private Network）是指一種在公共網(wǎng)絡(luò)（或者說不安全的網(wǎng)絡(luò)）上建設(shè)安全隧道，傳輸私有數(shù)據(jù)的技術(shù)。Ipsec的實質(zhì)是一套關(guān)于隧道建設(shè)、維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議體系，它定義了實現(xiàn)安全傳輸信息的結(jié)構(gòu)，但沒有指定實現(xiàn)具體安全的套件。只要這些套件符合ipsec 的結(jié)構(gòu)規(guī)范，用戶可以根據(jù)實際安全需要，選擇適合自身需求的加密、認(rèn)證、數(shù)據(jù)包封裝算法等。若后繼有更的好算法出現(xiàn)，也可方便的應(yīng)用于Ipsec VPN.。

Ipsec VPN根據(jù)通信端點類型可分成兩類：一是站點到站點VPN（site to site vpn），另一類是遠(yuǎn)程訪問VPN（通信點通常為移動終端，小型無線接入點）。

站點到站點VPN（site to site vpn）： 通常是在兩個以上局域網(wǎng)之間構(gòu)建虛擬的隧道 從而為各VPN站點之內(nèi)的終端提供安全通信，典型應(yīng)用模式是總部與分部模式。

遠(yuǎn)程訪問VPN：通常是是為人員出差辦公，小型駐異地機(jī)構(gòu)，在需要訪問總部數(shù)據(jù)時，提供的一種VPN解決方案。

2 Ipsec VPN的主要技術(shù)

2.1 Ipsec VPN實用化需實現(xiàn)的技術(shù)要求

Internet是個公共網(wǎng)絡(luò)，其上面?zhèn)鬏數(shù)氖敲魑臄?shù)據(jù)，這顯然是不安全的。為了能在不安全的信道上，私密的傳輸數(shù)據(jù)，vpn需要解決如下要素：

數(shù)據(jù)源認(rèn)證（Data origin authentication）保證數(shù)據(jù)是從真正的發(fā)送者發(fā)來的，而不是來自于第三方

數(shù)據(jù)完整性（Data integrity）保證數(shù)據(jù)不會被攻擊者改動

數(shù)據(jù)私密性（Data confidentiality）保證數(shù)據(jù)不會被攻擊者讀取

防止中間人攻擊（Man-in-the-Middle）防止數(shù)據(jù)被中間人截獲，讀懂其中的數(shù)據(jù)

防止數(shù)據(jù)被重放（Anti-Replay）也可以認(rèn)為是防止數(shù)據(jù)被讀取和改動。

為了解決上述問題，Ipsec VPN協(xié)議包涵了認(rèn)證協(xié)議 ，封裝協(xié)議 ，密鑰交換管理協(xié)議，加密算法。它通過對有效載荷的加密，封裝，路由轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)目地端后，解封裝，解密，來建立一條如同專線般的私有數(shù)據(jù)通道。

2.2加密算法與認(rèn)證算法

加密算法分為兩大類。一類是對稱加密算法， 即加密密鑰與解密密鑰相同，或者由加密密鑰很容易推導(dǎo)出解密密鑰，特點是加密速度快，但密鑰分發(fā)與保管較為困難，這類算法有DES、3DES、 AES ；第二類是非對稱加密算法，在該算法中，密鑰是成對出現(xiàn)的，一個公鑰和一個私鑰。它們在數(shù)學(xué)上互相推導(dǎo)是不可行的，即是公鑰加密的數(shù)據(jù)，只有相應(yīng)的私鑰能解。相反私鑰加密的數(shù)據(jù)，也只能由對應(yīng)公鑰解。這類算法有rsa、rc4.這解決了數(shù)據(jù)的私密性。

認(rèn)證算法HMAC（Hashed Message Authentication Code）該算法檢測數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否被篡改。其特點是具有單向推導(dǎo)性和雪崩效應(yīng)。數(shù)據(jù)在發(fā)送之前先計算出相應(yīng)的 Hash值，然后附加數(shù)據(jù)之后一起傳送到目的端，當(dāng)接收者收到數(shù)據(jù)后也要對數(shù)據(jù)計算 Hash值，如果發(fā)現(xiàn)自己計算的 Hash 值與數(shù)據(jù)附帶的值不匹配，便認(rèn)為數(shù)據(jù)在傳輸過程中遭到了篡改，從而拒絕不正確的數(shù)據(jù)包。該類算法有md5，sha-1。 這解決了數(shù)據(jù)的完整性。

2.3 Vpn關(guān)鍵技術(shù)之安全聯(lián)盟

SA（Security Association）。 IPsec在兩個端點之間提供安全通信，端點被稱為IPsec對等體。

SA是IPsec的基礎(chǔ)，也是IPsec的本質(zhì)。SA是通信對等體間對某些要素的約定，例如，使用哪種協(xié)議（AH、ESP還是兩者結(jié)合使用）、協(xié)議的封裝模式（傳輸模式和隧道模式）、加密算法（DES、3DES和AES）、特定流中保護(hù)數(shù)據(jù)的共享密鑰以及密鑰的生存周期等。

SA是單向的，在兩個對等體之間的雙向通信，最少需要兩個SA來分別對兩個方向的數(shù)據(jù)流進(jìn)行安全保護(hù)。同時，如果兩個對等體希望同時使用AH和ESP來進(jìn)行安全通信，則每個對等體都會針對每一種協(xié)議來構(gòu)建一個獨立的SA。

Ipsec 的所有會話都是在通道中傳輸?shù)?，包括協(xié)商密鑰，傳遞用戶數(shù)據(jù)；這樣的通道稱為 SA（Security Association），SA并不是隧道，而是一組規(guī)則，就好比是需要會話的對等體之間必須遵守的一份合同。SA 中的規(guī)則能夠保證所有數(shù)據(jù)的安全傳遞，因此 SA 中包含了之前提到的保證數(shù)據(jù)和密鑰安全時必不可少的認(rèn)證、加密等安全策略，這些需要用到的技術(shù)，都要在 SA中定義。

因為VPN之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要加密才能保證安全，并且加密時所用到的密鑰要更加安全，所以對待密鑰，我們也需要付出巨大的努力。在密鑰的安全上，由 IKE負(fù)責(zé)，而數(shù)據(jù)的安全，則由Ipsec 負(fù)責(zé)，雖然是這么說，但需要注意，IKE也是 Ipsec不可分割的一部分，IKE不是獨立存在的。 SA并不是只有一個，由于密鑰安全和數(shù)據(jù)安全我們是分開對待的，所以SA有兩個，分別是定義了如何保護(hù)密鑰和如何保護(hù)數(shù)據(jù)，這兩個 SA就是：

ISAKMP Security Association（IKE SA）

Ipsec Security Association（Ipsec SA）

每個SA都有l(wèi)ifetime，過期 后SA便無效，在建立之初SA時就會協(xié)商出來，雙方會比對，最終取值較小的一方。SA在將要過期前，會自動重建另一條 SA，SA到期后無法傳輸數(shù)據(jù)。

IKE SA ：

IKE SA要保護(hù)的對象是與密鑰有關(guān)的，IKE并不直接關(guān)心用戶數(shù)據(jù)，并且 IKE SA

是為安全協(xié)商Ipsec SA服務(wù)的。

Ipsec SA：

用戶的數(shù)據(jù)流量真正是在 Ipsec SA上傳遞的，而不是在 IKE SA；Ipsec SA直接為

用戶數(shù)據(jù)流服務(wù)，Ipsec SA中的所有安全策略都是為了用戶數(shù)據(jù)流的安全。 每個 Ipsec 對等體都有一對 Ipsec SA，一個是去往遠(yuǎn)程目的地的，而另一個是從遠(yuǎn)程回來的，也就是一進(jìn)一出，都存放在本地 SA Database 中。

3 IPSEC 協(xié)議原理分析

IPsec協(xié)議不是一個具體的協(xié)議，而是一整套的協(xié)議規(guī)范，它給出了應(yīng)用于IP層上網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全的一整套體系結(jié)構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證協(xié)議AH（Authentication Header，認(rèn)證頭）、ESP（Encapsulating Security Payload，封裝安全載荷）、IKE（Internet Key Exchange，因特網(wǎng)密鑰交換）和用于網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證及加密的一些算法等。其中，AH協(xié)議和ESP協(xié)議用于提供安全服務(wù)，IKE協(xié)議用于密鑰交換。

AH協(xié)議提供數(shù)據(jù)源認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性校驗和防報文重放功能，它能保護(hù)通信免受篡改，但是因為AH不提供數(shù)據(jù)加密，所有數(shù)據(jù)在傳輸時以明文進(jìn)行傳輸，所以它常被用在傳輸非機(jī)密數(shù)據(jù)的場合。AH的工作原理是通過在每一個數(shù)據(jù)報上增加一個身份認(rèn)證包頭，此包頭包含一個帶密鑰的Hash散列，此Hash散列在整個數(shù)據(jù)包中計算，對數(shù)據(jù)的任何更改都將導(dǎo)致該散列無效，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)，AH經(jīng)常通過摘要算法（單向Hash函數(shù)）MD5和SHA1來生成Hash散列

ESP （封裝安全載荷）協(xié)議區(qū)別于AH （認(rèn)證頭）協(xié)議的主要一點是它提供了對數(shù)據(jù)的加密功能，因此它與AH相比更安全。ESP的工作原理是在每一個數(shù)據(jù)包的標(biāo)準(zhǔn)IP包頭后面添加一個ESP報文頭，并在數(shù)據(jù)包后面追加一個ESP尾。與AH協(xié)議不同的是，ESP將需要保護(hù)的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后再封裝到IP包中，以保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性。

在實際進(jìn)行IP通信時，可以根據(jù)實際安全需求同時使用這兩種協(xié)議或選擇使用其中的一種。ESP和AH都可以提供認(rèn)證服務(wù)，不過，AH提供的認(rèn)證服務(wù)要強(qiáng)于ESP，ESP比AH更加安全。

IKE是個混合協(xié)議，其中包含部分Oakley協(xié)議以及內(nèi)置在ISAKMP （Internet Security

asociation and Key Management Protocol）協(xié)議中的部分 SKEME協(xié)議，所以 IKE也可寫為 ISAKMP/Oakley，它被Ipsec協(xié)議使用來實現(xiàn)安全協(xié)議的自動安全參數(shù)協(xié)商，包括加密與鑒別算法、加密與鑒別密明、通信的保護(hù)模式（傳輸或險道模式）、密鑰的生存期等。IKE將這些安全參數(shù)構(gòu)成的安全參數(shù)背景稱為安全關(guān)聯(lián)SA （security association），并負(fù)責(zé)這些參數(shù)的更新。

4 Ipsec VPN在醫(yī)療行業(yè)的優(yōu)勢

4.1經(jīng)濟(jì)、技術(shù)可行性高

一次投入，可永久使用。與專線相比，使用時間越長，效益與成本比越高。有些情況下，如兩地相距太遠(yuǎn)，拉專線會變的成本昂貴或技術(shù)上根本不可行，而Vpn沒有這樣的限制，只要通信方設(shè)備支持Ipsec VPN，都可以建立Ipsec VPN隧道實現(xiàn)安全通信。尤其是在醫(yī)療行業(yè)里，醫(yī)療軟件系統(tǒng)多采用c/s模式，數(shù)據(jù)量小，且業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不具有集中性，持續(xù)性，更適合部署Ipsec VPN。

4.2設(shè)備布置方便靈活

在我們的設(shè)備有足夠的硬件資源，例如內(nèi)存，cpu等，出口帶寬足夠的情況下，無需任何的其它投入就可以實施專網(wǎng)連接服務(wù)。而不管你連接的醫(yī)療機(jī)構(gòu)有多少個，它們離我有多遠(yuǎn)。即使相距萬里也毫不影響。Vpn可以低廉的成本連接任意多的分支，擴(kuò)張性好。包括分支部門或是移動辦公，都可以隨時隨地訪問我們核心部門，而不用擔(dān)心安全問題。例如遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程醫(yī)療電視電話會議，連同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)一起為信息化醫(yī)療提供方便，廉價的解決方案。

4.3安全

根據(jù)Ipsec VPN技術(shù)規(guī)范，通信方加密數(shù)據(jù)的密鑰不會在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，密鑰是是通過DH算法計算出來的，因此它是安全可靠的。同時用戶可以根據(jù)實際安全需要選擇適合自己的安全強(qiáng)度的算法如DES、3DES等。認(rèn)證算法，保證了通信雙方身分的可信，數(shù)據(jù)經(jīng)過加密封裝，保證了數(shù)據(jù)的安全。它們一起保證通信的有效性，安全性。

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