ipsec加密流程（二）：ipsec初始化操作

《openswan》专栏系列文章主要是记录openswan源码学习过程中的笔记。

• Author      :   叨陪鲤
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• Date          :   2020.11.22
• Copyright :  未经同意不得转载&＃xff01;&＃xff01;&＃xff01;
• Version     &＃xff1a; openswan-2.6.51.5
• Reference &＃xff1a;https://download.openswan.org/openswan/

目录

1. 加密流程状态机实现&＃xff1a;

2. 各状态函数基本功能总览&＃xff1a;

4. 各状态功能概要

4.1 ipsec_xmit_init1&＃xff08;&＃xff09;&＃xff1a;

4.2 ipsec_xmit_init2&＃xff08;&＃xff09;&＃xff1a;

4.3 ipsec_xmit_encap_init&＃xff08;&＃xff09;&＃xff1a;

1. 加密流程状态机实现&＃xff1a;

如果还不知道状态机是什么东东的&＃xff0c;可以参考文章《C语言实现有限状态机》&＃xff0c;该博客里简单的说明了状态机的实现原理和步骤。这里跳过状态机的初级讲解&＃xff0c;而是直接进入高阶实现。

下面是IPSec封装流程中的核心&＃xff1a;加密状态机

struct {enum ipsec_xmit_value (*action)(struct ipsec_xmit_state *ixs);int next_state;
} xmit_state_table[] &＃61; {[IPSEC_XSM_INIT1] &＃61; {ipsec_xmit_init1, IPSEC_XSM_INIT2 },[IPSEC_XSM_INIT2] &＃61; {ipsec_xmit_init2, IPSEC_XSM_ENCAP_INIT },[IPSEC_XSM_ENCAP_INIT] &＃61; {ipsec_xmit_encap_init, IPSEC_XSM_ENCAP_SELECT },[IPSEC_XSM_ENCAP_SELECT] &＃61; {ipsec_xmit_encap_select, IPSEC_XSM_DONE },[IPSEC_XSM_ESP] &＃61; {ipsec_xmit_esp, IPSEC_XSM_ESP_AH },[IPSEC_XSM_ESP_AH] &＃61; {ipsec_xmit_esp_ah, IPSEC_XSM_CONT },[IPSEC_XSM_AH] &＃61; {ipsec_xmit_ah, IPSEC_XSM_CONT },[IPSEC_XSM_IPIP] &＃61; {ipsec_xmit_ipip, IPSEC_XSM_CONT },[IPSEC_XSM_IPCOMP] &＃61; {ipsec_xmit_ipcomp, IPSEC_XSM_CONT },[IPSEC_XSM_CONT] &＃61; {ipsec_xmit_cont, IPSEC_XSM_DONE },[IPSEC_XSM_DONE] &＃61; {NULL, IPSEC_XSM_DONE},
};

状态机核心调度处理流程代码&＃xff1a;

void
ipsec_xsm(struct ipsec_xmit_state *ixs)
{enum ipsec_xmit_value stat &＃61; IPSEC_XMIT_ENCAPFAIL;unsigned more_allowed;if (ixs &＃61;&＃61; NULL) {return;}more_allowed &＃61; 1000;while (ixs->state !&＃61; IPSEC_XSM_DONE && --more_allowed) {ixs->next_state &＃61; xmit_state_table[ixs->state].next_state;stat &＃61; xmit_state_table[ixs->state].action(ixs);if (stat &＃61;&＃61; IPSEC_XMIT_OK) {ixs->state &＃61; ixs->next_state;} else if (stat &＃61;&＃61; IPSEC_XMIT_PENDING) {return;} else {/* bad result, force state change to done */ixs->state &＃61; IPSEC_XSM_DONE;}}ixs->xsm_complete(ixs, stat);
}


2. 各状态函数基本功能总览&＃xff1a;

4. 各状态功能概要

4.1 ipsec_xmit_init1&＃xff08;&＃xff09;&＃xff1a;

此函数最关键的功能便是根据outgoing_said获取到对应的IPSec SA。 outgoing_said是在IPSec匹配流程根据报文五元组找到对应的eroute&＃xff0c;其中eroute结构中包含said指针。

• 根据outgoing_said查询ipsec sa
  • ixs->ipsp &＃61; ipsec_sa_getbyid(&ixs->outgoing_said, IPSEC_REFTX);
  • 查询失败&＃xff0c;返回&＃xff1a;IPSEC_XMIT_SAIDNOTFOUND
• 构建ixs->ips

4.2 ipsec_xmit_init2&＃xff08;&＃xff09;&＃xff1a;

在IKE协商流程成功时&＃xff0c;会构建IPSec SA时用来加密业务流量信息。IPSec SA的是一组用来描述封装信息的结构。一个IPSec 隧道可能包含多个IPSec SA节点(视封装协议决定)&＃xff0c;这几个节点共同构成此隧道的IPSecSA链&＃xff0c;在进行报文封装时&＃xff0c;依据IPSecSA链进行依次封装&＃xff0c;封装包含严格的顺序&＃xff1a;通常情况下按下图顺序进行封装&＃xff1a;

下面介绍ipsec_xmit_init2&＃xff08;&＃xff09;函数的主要功能&＃xff1a;

①保存IPSec SA链的头部&＃xff1a;

②统计IPsec封装需要的headroom和tailroom

• AH协议

• ESP协议

ESP协议实现较为复杂。在openswan源码实现中提到了一个OCF技术&＃xff0c;这是一种开源加密加速框架&＃xff0c;OCF是一种开源加速框架&＃xff0c;支持DES, 3DES, AES, MD5, SHA1等算法。详情可参考&＃xff1a;http://ocf-linux.sourceforge.net/

下面考虑系统不支持OCF加密框架&＃xff1a;

             1&＃xff09; 获取加密算法&＃xff1a;

             2&＃xff09; 获取认证算法&＃xff1a;

【note】&＃xff1a;加密、认证算法都会至少要求4字节对齐&＃xff0c;因此openswan中使用了一套组合拳顺利将我打蒙&＃xff1a;

ixs->tailroom &＃43;&＃61; ixs->blocksize !&＃61; 1 ?((ixs->blocksize - ((ixs->pyldsz &＃43; 2) % ixs->blocksize)) % ixs->blocksize) &＃43; 2 :((4 - ((ixs->pyldsz &＃43; 2) % 4)) % 4) &＃43; 2;

这里我做了一个简单计算&＃xff1a;

从上表中可以看出&＃xff1a;第一列值&＃43;最后一列值都是4的整数倍。因此上述那个计算表达式应该就是这个意思&＃xff1a;【tailroom&＃43;pyldsz 要保证4字节对齐】

             3&＃xff09; NAT-T封装空间预留&＃xff1a;

如果IPSec SA上表明需要使用NAT-T,则需要根据报文类型确定采用封装方式&＃xff1a;

                   3.1&＃xff09;IKE协商报文

                   3.2&＃xff09;业务流量报文

  【特别说明】&＃xff1a;

ESPINUDP_WITH_NON_IKE封装包&＃xff0c;UDP头部后面的8字节全部为0&＃xff0c;而ESPINUDP_WITH_NON_ESP报文UDP头部之后紧跟SPI值&＃xff0c;此参数不可能全部为0(8个字节全部为0)。从而区分开来是IKE协商报文or业务流量报文。

• IPIP协议

       1&＃xff09;添加一个IP头部空间(IPv4 or IPv6):

       2&＃xff09;在ixs上记录下一个头部协议:

• IPcom协议

         略。(openswan此版本未实现...)

③IPSec封装链上的多个IPSec SA协议的headroom、tailroom统计完毕后&＃xff0c;将ixs->ipsp指向此链表头部&＃xff1a;

④计算MTU相关

⑤传输模式时&＃xff1a;根据mtu调整TCP协议SYN包中的MSS值

⑥保存二层头&＃xff0c;并将报文中的二层头去除

【追踪溯源】&＃xff1a;

在IPSec_xmit_init2&＃xff08;&＃xff09;函数中会根据算法信息(encalg, authalg, keylen, iv&＃xff0c;etc.)计算需要的headroom 和 tailroom。其中算法的来源如下&＃xff1a;

4.3 ipsec_xmit_encap_init&＃xff08;&＃xff09;&＃xff1a;

①   获取IP头部长度和报文负载长度

②   根据ipsecsa链上的封装协议移动报文数据(head, tail)

       1&＃xff09; AH协议

       2&＃xff09; ESP协议

          2.1&＃xff09; 加密算法

• OCF加速框架?

  &＃xff08;i&＃xff09;DES/3DES

&＃xff08;ii&＃xff09;AES

• 从加密策略上获取blocksize和headroom

          2.2&＃xff09; 认证算法

• OCF加速框架?

  &＃xff08;i&＃xff09;MD5/SHA1

• 从加密策略上获取authlen:MD5/SHA1

          2.3&＃xff09; tailroom

                      &＃xff08;i&＃xff09;填充到四字节整数倍

                      &＃xff08;ii&＃xff09;加上认证长度(12字节)

       3&＃xff09;IPIP协议

• 外层为IPv6头部

• 外层为IPv4头部

       3&＃xff09;IPIP协议    

目前不支持

③   根据headroom和tailroom修改报文head、tail

④   填充新头部信息

这里需要注意的是&＃xff1a;新头和旧IP头类型相同时&＃xff0c;直接上旧IP头部移动(memmove)到新头位置&＃xff0c;此时旧头中的ip->id是有效的。此外新封装的IP报文却是沿用了原先的ip->id。