基于StrongSwan的IPsec VPN在Ubuntu 16.04上使用证书和预共享密钥

介绍

在本文中，我们的重点是IPsec协议的开源实现。 通过使用由以下两个组件组成的IPsec协议来确保网络层的安全性。

• 认证头（AH）
• 封装安全有效载荷（ESP）

通过使用AH来确保数据包完整性和身份验证，ESP组件提供机密性和安全性功能。 IPsec， StrongSwan （强安全WAN）的开源实现是一个着名的工具，支持互联网密钥交换（IKE v1 / 2）/的两个版本。 密钥共享或互联网密钥交换是IPSec VPN（虚拟专用网）的一部分。 IKE机制用于共享双方之间的密钥以加密ESP协议中的数据。 在IKE步骤中使用OpenSSL和加密库的加密和完整性算法（如AES，SHA等）。 然而，安全算法的Linux内核实现在IPSec（ESP＆AH）的主要部分被使用。 Strongswan。

Strongswan特色

• 支持基于预共享密钥的认证。
• 支持X.509格式的证书进行身份验证。
• 一个支持IKE v1 / v2的守护进程。
• 第三方插件和库可以轻松集成。
• 使用openSC项目支持硬件令牌。

网关到网关和Road warrior VPN由强壮支持。 网络流量在站点到站点vpn中的组织的网关设备处​​被加密或解密。 然而，从网关设备建立到终端用户/客户机的第二安全通道。

在本文中，strongSwan工具将安装在Ubuntu 16.04（LTS）上，我将展示OpenSC用于硬件令牌的集成 ，最后创建一个使用预共享密钥和x.509证书的网关到网关隧道。 硬件令牌或硬件安全模块（HSM）（如USB和智能卡）可与strongswan一起使用，以存储加密密钥（公共和私有）和证书。 strongswan中的硬件令牌支持使用OpenSC（一组工具和库）（一个开源项目）来提供。 使用PKCS＃11 API的PKCS＃15文件结构和智能卡访问也由OpenSC工具提供。 openSC支持以下智能卡。

• WestCOS
• SetCOS
• CardOs
• STARCOS
• ASEPCOS

Strongswan安装（二进制和源代码）

在几乎所有广泛使用的Linux发行版中都提供了strongswan的二进制包（deb / rpm）。 本文将全面介绍使用二进制和源代码（具有所需功能）安装strongswan。

可以通过在Ubuntu 16.04 LTS上使用以下命令来安装strongswan的二进制包。

aptitude install strongswan

Ubuntu存储库中可用的strongswan插件如下所示。

在Ubuntu平台上安装后，配置文件和文件夹（ipsec.conf，ipsec.secrets，ipsec.d，strongswan.conf，strongswan.d）存储在/ etc目录中。

Strongswan编译使用源码

• Opensc（为强力支持HSM）。
• PC / SC（在Ubuntu平台上需要智能卡阅读器支持）。
• GMP库（强力数学运算所需）。
• OpenSSL工具（AES，SHA1等加密算法的众所周知的实现）。
• PKCS（公钥加密标准）1,7,8,11,12。

在本文中，PCSC-Lite工具将沿着Ubuntu平台上的opensc安装，以增加对智能卡读卡器的支持。 PCSC-Lite推荐给CCID读卡器。

在开始编译strongswan之前，运行以下命令来安装必备软件。

Opensc安装

aptitude install opensc

2. GMP库安装

aptitude install libgmp10

安装GMP的开发库。

aptitude install libgmp-dev

使用以下命令安装OpenSSL libcrypto。

apt-get install libssl-dev

汇编步骤

转到/ usr / src /文件夹，并使用wget命令下载最新版本的strongswan。

cd /usr/src

wget https://download.strongswan.org/strongswan-5.5.0.tar.gz

提取压缩文件，并在提取的文件夹内运行configure脚本。

tar –xzf strongswan-5.5.0.tar.gz

cd strongswan-5.5.0

运行configure脚本来检查strongswan的依赖关系。 HSM支持已经在最新版本的强壮网中启用，如下所示。

运行configure脚本，使用前缀/ usr / local并启用openssl支持。

./configure --prefix=/usr/local  --enable-openssl

以下快照显示，配置脚本没有生成错误，因为系统上已经安装了所有必需的依赖项。

运行以下两个命令在/ usr / local目录下编译并安装strongswan。

make

make install

在Ubuntu平台上编译和安装strongswan是完整的，在/ usr / local / etc路径下复制了几个配置文件（ strongswan.conf，ipsec.conf和ipsec.secrets ）和文件夹（ strongswan.d，ipsec.d ） 。 VPN策略的配置放在ipsec.conf文件中，机密秘密存储在ipsec.secrets文件中。 Strongswan插件配置存储在strongswan.d目录中。

运输和隧道VPN都是强力支持的。 在隧道模式下，提供了通道的站点到站点安全性，并与其他供应商（如cisco，huawei和juniper设备）配合使用。

站点到站点VPN

下图显示了一个基于强网的VPN网关设备在网络中的布局。 本组织的192.168.223.0/24和192.168.222.0/24专用网络之间将建立一个安全的通信渠道。

在A和B私有网络之间使用IPsec之前，请确保VPN网关之间的路由 的组织工作，使A侧的VPN网关可以ping远程端VPN机器（ B ），确保网络连接正常。

如下所示，strongswan工具的默认配置位于/ usr / local / etc /目录中。

基于预共享密钥的隧道

在第一种情况下，将在网关设备之间创建基于共享密钥的VPN。 Strongswan使用众所周知的密钥共享算法Diffie-Hellman进行相互认证。 有关IPsec协议工作原理的详细信息，请参见以下链接。

http://www.unixwiz.net/techtips/iguide-ipsec.html

VPN的配置：

（ A侧 ）

strongswan VPN策略的主要配置在ipsec.conf文件中。 在此配置文件中可以找到如下所示的信息。

• IKE版本
• 隧道类型
• 源和目的网关
• 私有VPN网络

A侧的 ipsec.conf如下。

config setup
        charondebug="all"
        uniqueids=yes
        strictcrlpolicy=no
conn %default
conn tunnel #
        left=192.168.1.101
        leftsubnet=192.168.223.0/24
        right=192.168.1.102
        rightsubnet=192.168.222.0/24
        ike=aes256-sha2_256-modp1024!
        esp=aes256-sha2_256!
        keyingtries=0
        ikelifetime=1h
        lifetime=8h
        dpddelay=30
        dpdtimeout=120
        dpdaction=restart
        authby=secret
        auto=start
        keyexchange=ikev2
        type=tunnel

ipsec.secrets文件中存储IPsec秘密（共享密钥，私钥的密码，解锁hsm的引脚）。 如下图所示，两个VPN方之间的分片秘密是“test12345” 。

192.168.1.101 192.168.1.102 : PSK 'test12345'

（B侧）

远程端的ipsec.conf和ipsec.secrets文件中的配置将与本地站点相反，如下所示。

ipsec.conf文件的内容如下。

config setup
        charondebug="all"
        uniqueids=yes
        strictcrlpolicy=no
conn %default
conn tunnel #
        left=192.168.1.102
        leftsubnet=192.168.222.0/24
        right=192.168.1.101
        rightsubnet=192.168.223.0/24
        ike=aes256-sha2_256-modp1024!
        esp=aes256-sha2_256!
        keyingtries=0
        ikelifetime=1h
        lifetime=8h
        dpddelay=30
        dpdtimeout=120
        dpdaction=restart
        authby=secret
        auto=start
        keyexchange=ikev2
        type=tunnel

ipsec.secrets文件包含远程端的共享密钥。

192.168.1.102 192.168.1.101 : PSK 'test12345'

在您设置两端的配置文件之后，使用以下命令启动strongswan守护进程（ charon ）。

ipsec restart

以下命令显示设备上创建的VPN的状态。

ipsec statusall

隧道两侧（本地和远程）的状态如下所示。

此Linux命令显示IPsec隧道的策略和状态。

ip xfrm state

ip xfrm policy

如上面的命令输出所示，敏感信息esp / hmac（keys）也由ip xfrm命令显示。

X.509基于证书的隧道

在基于X.509证书（公钥认证）的隧道中，需要为认证机构（CA），客户端A和B生成证书。

以下截图显示使用strongswan的PKI实用程序生成自签名CA证书。

访问/usr/local/etc/ipsec.d路径并运行以下命令。

cd /usr/local/etc/ipsec.d

ipsec pki --gen --type rsa --size 4096 --outform pem > private/strongswanKey.pem

ipsec pki --self --ca --lifetime 3650 --in private/strongswanKey.pem --type rsa --dn "C=CH, O=strongSwan, CN=Root CA" --outform pem > cacerts/strongswanCert.pem    

生成客户端A的证书如下所示。

ipsec pki --gen --type rsa --size 2048 --outform pem > private/client1Key.pem

chmod 600 private/client1Key.pem

ipsec pki --pub --in private/client1Key.pem --type rsa | ipsec pki --issue --lifetime 730 --cacert cacerts/strongswanCert.pem --cakey private/strongswanKey.pem --dn "C=CH, O=strongSwan, CN=device1" --san device1 --flag serverAuth --flag ikeIntermediate --outform pem > certs/client1Cert.pem

为客户端生成的公钥/私钥对和证书。

ipsec pki --gen --type rsa --size 2048 --outform pem > private/client2Key.pem

chmod 600 private/client2Key.pem

ipsec pki --pub --in private/client2Key.pem --type rsa | ipsec pki --issue --lifetime 730 --cacert cacerts/strongswanCert.pem --cakey private/strongswanKey.pem --dn "C=CH, O=strongSwan, CN=device2" --san device2 --flag serverAuth --flag ikeIntermediate --outform pem > certs/client2Cert.pem

成功生成CA和客户端证书后，下一步是更改ipsec.conf和ipsec.secrets配置。 有关ipsec.conf和secrets文件更改的详细信息，请参阅strongswan文档。

A侧的ipsec.conf和ipsec.secrets的内容如下。

config setup
        charondebug="all"
        uniqueids=yes
        strictcrlpolicy=no
conn %default
conn tunnel #
        left=192.168.1.101
        leftsubnet=192.168.223.0/24
        right=192.168.1.102
        rightsubnet=192.168.222.0/24
        ike=aes256-sha2_256-modp1024!
        esp=aes256-sha2_256!
        keyingtries=0
        ikelifetime=1h
        lifetime=8h
        dpddelay=30
        dpdtimeout=120
        dpdaction=restart
        #authby=secret
        auto=start
        keyexchange=ikev2
        type=tunnel
        leftcert=client1Cert.pem
        leftid="C=CH, O=strongSwan, CN=device1"
        rightid="C=CH, O=strongSwan, CN=device2"

#192.168.1.101 192.168.1.102 : PSK 'test12345'
: RSA client1Key.pem

B侧的配置也在下面给出。

config setup
        charondebug="all"
        uniqueids=yes
        strictcrlpolicy=no
conn %default
conn tunnel #
        left=192.168.1.102
        leftsubnet=192.168.222.0/24
        right=192.168.1.101
        rightsubnet=192.168.223.0/24
        ike=aes256-sha2_256-modp1024!
        esp=aes256-sha2_256!
        keyingtries=0
        ikelifetime=1h
        lifetime=8h
        dpddelay=30
        dpdtimeout=120
        dpdaction=restart
        #authby=secret
        auto=start
        keyexchange=ikev2
        type=tunnel
        leftcert=client2Cert.pem
        leftid="C=CH, O=strongSwan, CN=device2"
        rightid="C=CH, O=strongSwan, CN=device1"

#192.168.1.102 192.168.1.101 : PSK 'test12345'
: RSA client2Key.pem

运行ipsec restart命令应用上述更改，并检查使用证书创建的隧道的状态。

ipsec statusall    # at side A

ipsec statusall    # at side B

最后，使用strongswan工具成功创建了基于证书的VPN。