虚拟专用网VPN系列讲座

虚拟专用网VPN系列讲座VPN--虚拟专用网（VirtualPrivateNetwork）是专用网络在公共网络如Internet上的扩展。VPN通过私有隧道技术在公共网络上仿真一条点到点的专线，从而达到安全的数据传输目的。基于Internet的VPN也称为IP-VPN。单纯仿真一条点到点的连接，数据只要经过封装，再加上一个提供路由信息的报头就可以了。而如果要仿真一条专线，为保证传输数据的安全，通常还要对数据进行加密处理。VPN连接必须同时包含数据封装和加密两方面。图一、VPN示意图有了VPN，用户在家里或在路途中也可以利用Internet或其他公共网络对企业服务器进行远程访问。从用户的角度来看，VPN就是在用户计算机即VPN客户机和企业服务器即VPN服务器之间点到点的连接，由于数据通过一条仿真专线传输，用户感觉不到公共网络的实际存在，能够像在专线上一样处理企业内部信息。换言之，虚拟专用网不是真正的专用网络，但却能够实现专用网络的功能。VPN可以使企业通过公共网络在公司总部和各远程分部以及客户之间建立快捷，安全、可靠的信息通信。这种连接方式在概念上等同于传统广域网WAN的运作。VPN技术的出现，使企业不再依赖于昂贵的长途拨号以及长途专线服务，而代之以本地ISP提供的VPN服务。从企业中心站点铺设至当地ISP的专线要比传统WAN解决方案中的长途专线短得多，因而成本也低廉得多。VPN的构成一个典型VPN的组成部分如图二所示：图二、VPN的构成VPN服务器：接受来自VPN客户机的连接请求。VPN客户机：可以是终端计算机也可以是路由器。隧道：数据传输通道，在其中传输的数据必须经过封装。VPN连接：在VPN连接中，数据必须经过加密。隧道协议：封装数据、管理隧道的通信标准。传输数据：经过封装、加密后在隧道上传输的数据。公共网络：如Internet，也可以是其他共享型网络。注：隧道里也可以发送未经加密的数据，但在这种情况下，专用数据没有经过加密处理而以易读形式在公共网络上传输，因而不属于VPN连接。讲座2一、点对点隧道协议PPTP（Point-to-PointTunnelingProtocol）PPTP将PPP（Point-to-PointProtocol）帧封装进IP数据报中，通过IP网络如Internet或其他企业专用Intranet等发送。PPTP具体文档请参阅RFC2637。PPTP通过PPTP控制连接来创建、维护、终止一条隧道，并使用通用路由封装GRE（GenericRoutingEncapsulation）对PPP帧进行封装。封装前，PPP帧的有效载荷即有效传输数据首先必须经过加密、压缩或是两者的混合处理。PPTP协议假定在PPTP客户机和PPTP服务器之间有连通且可用的IP网络。因此如果PPTP客户机本身已经是某IP网络的组成部分，那么即可通过该IP网络与PPTP服务器取得连接；而如果PPTP客户机尚未连入网络，譬如在Internet拨号用户的情形下，PPTP客户机必须首先拨打NAS以建立IP连接。这里所说的PPTP客户机也就是使用PPTP协议的VPN客户机，而PPTP服务器亦即使用PPTP协议的VPN服务器。在创建基于PPTP的VPN连接过程中，使用的认证机制与创建PPP连接时相同。此类认证机制主要有：扩展身份认证协议EAP（ExtensibleAuthenticationProtocol）、微软询问握手认证协议MS-CHAP（MicrosoftChallenge-HandshakeAuthenticationProtocol）、CHAP、Shiva口令字认证协议SPAP（ShivaPasswordAuthenticationProtocol）和口令字认证协议PAP（PasswordAuthenticationProtocol）。PPTP继承PPP有效载荷的加密和压缩。在Windows2000中，由于PPP帧使用微软点对点加密技术MPPE（MicrosoftPoint-to-PointEncryption）进行加密，因此认证机制必须采用EAP或MS-CHAP。MPPE只提供连接加密，而不提供端-端加密。端-端加密属于应用层的加密技术，如果应用中要求实现端-端加密，则可在PPTP隧道建立之后，使用IPSec对两端的IP数据流进行加密处理。基于Internet的PPTP服务器即使用PPTP协议的VPN服务器，它的一个接口在Internet上，另一个接口在Intranet上。二、PPTP控制连接与隧道维护PPTP控制连接建立在PPTP客户机IP地址和PPTP服务器IP地址之间，PPTP客户机使用动态分配的TCP端口号，而PPTP服务器则使用保留TCP端口号1723。PPTP控制连接携带PPTP呼叫控制和管理信息，用于维护PPTP隧道，其中包括周期性地发送回送请求和回送应答消息，以期检测出客户机与服务器之间可能出现的连接中断。PPTP控制连接数据包包括一个IP报头，一个TCP报头和PPTP控制信息，数据包格式见图八。图八所示的PPTP控制连接数据包还包括数据链路层报头和报尾。图八、PPTP控制连接数据包三、PPTP数据封装PPTP数据的隧道化过程采用多层封装的方法。图九显示了封装后在隧道中传输的数据包格式。图九、在隧道中传输的PPTP数据包格式1）PPP帧的封装初始PPP有效载荷如IP数据报、IPX数据报或NetBEUI帧等经过加密后，添加PPP报头，封装形成PPP帧。PPP帧再进一步添加GRE报头，经过第二层封装形成GRE报文。GRE是采用第47号IP协议的客户端协议，为在IP网络上进行数据封装提供了一种简单，轻巧的通用机制。有关GRE详细文档可参见RFC1701和RFC1702。在GRE报头中，协议类型即PPP帧的EtherType值应设置为0x880B。2）GRE报文的封装PPP有效载荷的第三层封装是在GRE报文外，再添加IP报头。IP报头包含数据包源端及目的端IP地址。3）数据链路层封装数据链路层封装是IP数据报多层封装的的最后一层，依据不同的外发物理网络再添加相应的数据链路层报头和报尾。例如，如果IP数据报将在以太网上传输，则用以太网报头和报尾对IP数据报进行数据链路层封装；如果IP数据报将在点-点WAN上传输，如模拟电话网或ISDN等，则用PPP报头和报尾对IP数据报进行数据链路层封装。4）PPTP数据包的接收处理PPTP客户机或PPTP服务器在接收到PPTP数据包后，将做如下处理：1．处理并去除数据链路层报头和报尾2．处理并去除IP报头3．处理并去除GRE和PPP报头4．如果需要的话，对PPP有效载荷即传输数据进行解密或解压缩。5．对传输数据进行接收或转发处理四、PPTP数据包和Windows2000网络体系结构下图描述了某使用模拟modem进行远程访问的VPN连接中，VPN客户机端数据报在Windows2000网络体系结构中的封装流程。图十、PPTP数据包的封装流程具体步骤如下：1．IP数据报、IPX数据报或NetBEUI帧由各自协议提交给对应于VPN连接的虚拟接口。该接口符合网络驱动程序接口规范NDIS。2．NDIS将数据报提交给NDISWAN，由NDISWAN负责对数据进行加密、压缩处理后，添加PPP报头进行第一步封装。该PPP报头仅含一个PPP协议标识域，不附加任何帧校正序列FCS或其他标记。3．NDISWAN将PPP帧提交给PPTP协议驱动程序，该驱动程序负责在PPP帧外添加GRE报头进行第二步封装。该GRE报头中，CallID域的值唯一地标识了一条隧道。4．PPTP协议驱动程序将GRE报文提交给TCP/IP协议驱动程序。5．TCP/IP协议驱动程序再对GRE报文添加IP报头进行第三步封装，封装后提交给拨往本地ISP的拨号连接接口，该接口符合网络驱动程序接口规范NDIS。6．NDIS再次将数据报提交给NDISWAN，NDISWAN给数据报添加PPP报头、报尾进行最后的数据链路层封装。7．NDISWAN将最终形成的PPP帧提交给与拨号硬件相对应的WAN微端口驱动程序。（例如modem连接中的异步端口）讲座3一、第二层隧道协议L2TP和IP安全IPSec第二层隧道协议L2TP（LayerTwoTunnelingProtocol）是PPTP和第二层转发L2F两种技术的结合，后者是由Cisco公司提出的隧道技术。为了避免PPTP和L2F两种互不兼容的隧道技术在市场上彼此竞争从而给用户造成困惑，带来不方便，IETF要求将两种技术结合在单一隧道协议中，并在该协议中糅合PPTP和L2F两者的优点，由此产生了L2TP。有关L2TP协议标准详见RFC2661。L2TP协议将PPP帧封装后，可通过IP，X.25，帧中继或ATM等网络进行传送。目前，仅定义了基于IP网络的L2TP。在IP网络中L2TP采用用户数据报协议UDP封装和传送PPP帧。L2TP隧道协议可用于Internet，也可用于其他企业专用Intranet中。IP网上的L2TP不仅采用UDP封装用户数据，还通过UDP消息对隧道进行维护。PPP帧的有效载荷即用户传输数据，可以经过加密、压缩或两者的混合处理，但需要指出的是，与PPTP不同，在Windows2000中，L2TP客户机不采用MPPE对L2TP连接进行加密，L2TP连接加密由IPSecESP提供。在Windows2000中，创建一条未经IPSec加密的L2TP连接是有可能的，但在这种情形下，由于用户私有数据没有经过加密处理，因此该L2TP连接不属于VPN连接。非加密L2TP连接一般用于临时性的对基于IPSec的L2TP连接进行故障诊断和排除，在这种情况下，可以省略IPSec认证和协商过程。与PPTP类似，L2TP协议假定在L2TP客户机和L2TP服务器之间有连通且可用的IP网络。因此如果L2TP客户机本身已经是某IP网络的组成部分，那么即可通过该IP网络与L2TP服务器取得连接；而如果L2TP客户机尚未连入网络，譬如在Internet拨号用户的情形下，L2TP客户机必须首先拨打NAS建立IP连接。这里所说的L2TP客户机也就是使用L2TP隧道协议和IPSec安全协议的VPN客户机，而L2TP服务器亦即使用L2TP隧道协议和IPSec安全协议的VPN服务器。创建L2TP隧道时必须使用与PPP连接相同的认证机制，诸如EAP，MS?CHAP，CHAP，SPAP，和PAP。基于Internet的L2TP服务器亦即使用L2TP协议的拨号服务器，它的一个接口在外部网络Internet上，另一个接口在目标专用网络Intranet上。L2TP隧道维护控制消息和隧道化用户传输数据具有相同的包格式。二、基于L2TP控制消息的隧道维护与PPTP不同，L2TP不是通过一条单独的TCP连接来进行隧道维护。L2TP客户机和服务器之间的呼叫控制和管理均以发送UDP消息的方式进行。在Windows2000中，L2TP客户机和服务器都使用UDP1701端口。--------------------------------------------------------------------------注：在Windows2000中，L2TP客户机和服务器始终使用UDP1701端口，但Windows2000L2TP服务器也支持使用非1701UDP端口的L2TP客户机。--------------------------------------------------------------------------IP网上的L2TP控制消息以UDP数据报形式发送。在Windows2000实现中，L2TP控制消息即UDP数据报经过IPSecESP的加密，见下图：图十一、L2TP控制消息由于UDP提供的是无连接的数据包服务，因此L2TP采用将消息序列化的方式来保证L2TP消息的按序递交。在L2TP控制消息中，Next-Received字段（类似于TCP中的确认字段）和Next-Sent字段（类似于TCP中序列号字段）用于维持控制消息的