VPN协议是如何工作的

VPN，全名 Virtual Private Network，虚拟专用网，就是利用开放的公众网络，建立专用数据传输通道，将远程的分支机构、移动办公人员等连接起来。

VPN 通过隧道技术在公众网络上仿真一条点到点的专线，是通过利用一种协议来传输另外一种协议的技术，这里面涉及三种协议：乘客协议、隧道协议和承载协议。

Psec VPN。这是基于 IP 协议的安全隧道协议，为了保证在公网上面信息的安全，因而采取了一定的机制保证安全性。

1、私密性，防止信息泄露给未经授权的个人，通过加密把数据从明文变成无法读懂的密文，从而确保数据的私密性。

2、完整性，数据没有被非法篡改，通过对数据进行 hash 运算，产生类似于指纹的数据摘要，以保证数据的完整性。

3、真实性，数据确实是由特定的对端发出，通过身份认证可以保证数据的真实性。

在这个协议簇里面，有两种协议，这两种协议的区别在于封装网络包的格式不一样。

• 一种协议称为 AH（Authentication Header），只能进行数据摘要 ，不能实现数据加密。还有
• 一种 ESP（Encapsulating Security Payload），能够进行数据加密和数据摘要。

这个协议簇还包含两大组件，一个用于 VPN 的双方要进行对称密钥的交换的 IKE 组件，另一个是 VPN 的双方要对连接进行维护的 SA（Security Association）组件。

IPsec VPN 的建立过程

第一个阶段，建立 IKE 自己的 SA。这个 SA 用来维护一个通过身份认证和安全保护的通道，为第二个阶段提供服务。在这个阶段，通过 DH（Diffie-Hellman）算法计算出一个对称密钥 K。

DH 算法是一个比较巧妙的算法。客户端和服务端约定两个公开的质数 p 和 q，然后客户端随机产生一个数 a 作为自己的私钥，服务端随机产生一个 b 作为自己的私钥，客户端可以根据 p、q 和 a 计算出公钥 A，服务端根据 p、q 和 b 计算出公钥 B，然后双方交换公钥 A 和 B。

到此客户端和服务端可以根据已有的信息，各自独立算出相同的结果 K，就是对称密钥。但是这个过程，对称密钥从来没有在通道上传输过，只传输了生成密钥的材料，通过这些材料，截获的人是无法算出的。

有了这个对称密钥 K，接下来是第二个阶段，建立 IPsec SA。在这个 SA 里面，双方会生成一个随机的对称密钥 M，由 K 加密传给对方，然后使用 M 进行双方接下来通信的数据。对称密钥 M 是有过期时间的，会过一段时间，重新生成一次，从而防止被破解。

多协议标签交换（MPLS，Multi-Protocol Label Switching）。MPLS 的格式如图所示，在原始的 IP 头之外，多了 MPLS 的头，里面可以打标签。

有了标签，还需要设备认这个标签，并且能够根据这个标签转发，这种能够转发标签的路由器称为标签交换路由器（LSR，Label Switching Router）。

这种路由器会有两个表格，一个就是传统的 FIB，也即路由表，另一个就是 LFIB，标签转发表。有了这两个表，既可以进行普通的路由转发，也可以进行基于标签的转发。

在 MPLS VPN 中，网络中的路由器分成以下几类：

• PE（Provider Edge）：运营商网络与客户网络相连的边缘网络设备；
• CE（Customer Edge）：客户网络与 PE 相连接的边缘设备；
• P（Provider）：这里特指运营商网络中除 PE 之外的其他运营商网络设备。

VPN 报文转发采用两层标签方式：

• 第一层（外层）标签在骨干网内部进行交换，指示从 PE 到对端 PE 的一条 LSP。VPN 报文利用这层标签，可以沿 LSP 到达对端 PE；
• 第二层（内层）标签在从对端 PE 到达 CE 时使用，在 PE 上，通过查找 VRF 表项，指示报文应被送到哪个 VPN 用户，或者更具体一些，到达哪一个 CE。这样，对端 PE 根据内层标签可以找到转发报文的接口。

此文章为9月Day22学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈网络协议》，推荐该课程。