pluto实现分析

发表于2017年10月25日由kaisin
pluto实现分析(1)
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1. 前言
pluto是著名的VPN开源项目freeswan及其后续项目中的一个重要组成部分，实现了IKEv1(RFC2409)，原始的fresswan只是实现IKE的基本功能，但不包括很多其他扩展功能，都需要打补丁实现，freeswan停止开发后，继续扩展出两个不同的分支，openswan和strongswan，前者综合各种功能的补丁，IKE功能比较全面；后者功能相对少点，但重要特点就是支持了IKEv2(RFC4306)，因此两者各有优势。目前国内做IPSec VPN的基本都是基于这实现的，好象没听说一家国内公司敢拍胸脯说自己的VPN产品是全部是自己写的代码，所作的最大改动就是增加硬件加密卡的支持了。目前国内IKEv2使用的可能性应该还不大，因为即使是上面要制定的国内的VPN标准其实还是根据IKEv1来走的，会不会升级到IKEv2还是未知数。
本文主要是解析openswan-2.4.7中的pluto的实现过程，代码基本都是在programs/pluto目录下。
2. IKEv1概述
2.1 概述
IKEv1在RFC2409中定义，用于定义自动建立IPSec SA的协商处理过程，该RFC只是定义数据的交换过程，而具体的数据格式的定义则是在RFC2408中定义的。
IKEv1协商过程分两个阶段，第一个阶段分两种模式，一种是主模式(main mode)，是用于正常情况下的协商处理，交换数据回合比较多，速度较慢，这个模式是IKE的具体实现中必须实现的；另一种的野蛮模式(Aggressive Mode)，这种模式的数据交换回合比较少，速度较快，但有不安全因素，通常用于已经建立过的IPSec连接中断后的重新建立处理，而且不是在具体实现中必须实现的。第一阶段的处理目的是建立一个ISAKMP SA，为下一阶段的协商建立安全通道。
IKEv1的第二阶段只有一种模式：快速模式(quick mode)，通过这个阶段的数据协商，最终建立起IPSec SA。
对于扩展认证EAP(XAUTH)，是在第一阶段结束，第二阶段开始前处理的。
在进行协商时，肯定是要用到非对称加密算法或DH交换来协商对称加密密钥的，使用非对称加密算法时可以使用RSA，或者是本质相同的相同的；另外也可以使用共享密钥方式进行对称密钥的协商，协商算法可使用DH。按不同的密钥处理方法，IKEv1的协商过程也有区别。
2.2 第一阶段: (以下各类是独立，HDR*表示数据包是加密的)

1) Authenticated With Signatures
主模式:
Initiator                          Responder
-----------                        -----------
HDR, SA                -->
                    <--             HDR, SA
HDR, KE, Ni            -->
                    <--          HDR, KE, Nr
HDR*, IDii, [ CERT, ] SIG_I     -->
             <--  HDR*, IDir, [ CERT, ] SIG_R
野蛮模式:
Initiator                          Responder
-----------                        -----------
HDR, SA, KE, Ni, IDii  -->
                      <--    HDR, SA, KE, Nr,
                              IDir, [ CERT, ]
                          SIG_RHDR, [ CERT, ] 
SIG_I                  -->
2) Authenticated With Public Key Encryption
主模式:
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR, SA               -->
                  <--           HDR, SA
                       HDR, KE, [ HASH(1), ]
                         PubKey_r,
PubKey_r           -->
HDR, KE, PubKey_i,
                    <--        PubKey_i
HDR*, HASH_I            -->
                      <--    HDR*, HASH_R
野蛮模式:
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR, SA, [ HASH(1),] KE,
Pubkey_r,
Pubkey_r         -->
                  HDR, SA, KE, PubKey_i,
            <--         PubKey_i, HASH_R
HDR, HASH_I           -->
3) Authenticated With a Revised Mode of Public Key Encryption
主模式:
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR, SA             -->
                         <--    HDR, SA
                         HDR, [ HASH(1), ]
                          Pubkey_r,
                            Ke_i,
                           Ke_i,
[<Ke_i]       -->
HDR, PubKey_i,
Ke_r,
                <--          Ke_r,
HDR*, HASH_I          -->
                <--             HDR*, HASH_R
野蛮模式:
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR, SA, [ HASH(1),]
Pubkey_r,
Ke_i, Ke_i
[, Ke_i ]      -->
                     HDR, SA, PubKey_i,
                     Ke_r, Ke_r,
                <--                HASH_R
HDR, HASH_I          -->
 
4) Authenticated With a Pre-Shared Key
主模式:
Initiator                        Responder
----------                       -----------
HDR, SA             -->
                <--                HDR, SA
HDR, KE, Ni           -->
                <--              HDR, KE, Nr
HDR*, IDii, HASH_I         -->
                <--         HDR*, IDir, HASH_R
野蛮模式:
            Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR, SA, KE, Ni, IDii     -->
                <-- HDR, SA, KE, Nr, IDir, HASH_R
HDR, HASH_I          -->
 
2.3 第二阶段
快速模式:
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR*, HASH(1), SA, Ni
[, KE ] [, IDci, IDcr ] -->
                 <--    HDR*, HASH(2), SA, Nr
                      [, KE ] [, IDci, IDcr ]
HDR*, HASH(3)          -->
 
如果有多个SA和密钥可使用下面的数据交换方法：
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR*, HASH(1), SA0, SA1, Ni,
[, KE ] [, IDci, IDcr ]     -->
                <--  HDR*, HASH(2), SA0, SA1, Nr,
                     [, KE ] [, IDci, IDcr ]
HDR*, HASH(3)         -->
HASH(1) = prf(SKEYID_a, M-ID | SA | Ni [ | KE ] [ | IDci | IDcr )
HASH(2) = prf(SKEYID_a, M-ID | Ni_b | SA | Nr [ | KE ] [ | IDci | IDcr )
HASH(3) = prf(SKEYID_a, 0 | M-ID | Ni_b | Nr_b)
 
2.4 新组模式(New Group Mode)
新组模式不是必须实现的, 是用来定义DH交换的私有组的, 必须在ISAKMP SA建立前使用, 也就是在第一阶段后, 第二阶段前。
Initiator                        Responder
-----------                      -----------
HDR*, HASH(1), SA        -->
                  <--       HDR*, HASH(2), SA
                    HASH(1) = prf(SKEYID_a, M-ID | SA)
                 HASH(2) = prf(SKEYID_a, M-ID | SA)
3. 源文件概述
programs/pluto目录下编译后会生成3个执行文件：pluto, whack, _pluto_adns。其中pluto是基本程序，提供IKEv1服务，打开UDP500和4500端口监听网卡数据，打开UNIX域套接口监听whack的输入，并和内核进行PFKEY/netlink通信；whack是控制程序，通过UNIX域套接口和pluto通信；_pluto_adns
进行异步DNS处理。
各个C程序大致功能如下：
ac.c：X509证书相关支持处理
adns.c：异步DNS辅助处理
asn1.c：简单的ASN.1解析器
certs.c：证书处理
connections.c：连接处理
cookie.c：cookie处理
crypto.c：加密
crypt_dh.c：DH算法
crypt_ke.c：密钥交换KE处理
crypt_utils.c：加密相关函数
db_ops.c：数据库操作
defs.c：一些辅助函数集合
demux.c：数据包解析
dnskey.c：从DNS获取公钥的处理
dpd.c：DPD处理
dsa.c：DSA签名
elgamal.c：ElGamal公开密钥加密
fetch.c：动态获取X.509的证书吊销列表CRL
foodgroups.c：策略组控制
gcryptfix.c：进行gcrypt处理
id.c：端点ID处理
ikeping.c：ping IKE包
ikev1_aggr.c：野蛮模式处理
ikev1_quick.c：快速模式处理
ike_alg.c：IKE算法处理
ike_alginit.c：IKE算法初始化
ike_alg_aes.c：AES加密算法
ike_alg_blowfish.c：blowfish加密算法
ike_alg_serpent.c：serpent加密算法
ike_alg_sha2.c：SHA2哈希算法
ike_alg_twofish.c：twofish加密算法
ipsec_doi.c：IKE模式转换处理
kernel.c：内核接口
kernel_netlink.c：和内核的netlink接口
kernel_noklips.c：noklips模式下的内核接口
kernel_pfkey.c：和内核的pfkey接口
keys.c：密钥处理
lex.c：配置文件语法分析器
log.c：日志处理
md2.c：MD2哈希算法
md5.c：MD5哈希算法
nat_traversal.c：NAT穿越支持
ocsp.c：在线证书状态协议支持
oid.c：常见的一些对象的ID定义
pem.c：PEM格式证书处理
pending.c：连接的相关信息处理
pgp.c：PGP证书处理
pkcs.c：PKCS＃1和PKCS＃7数据结构支持
plutoalg.c：pluto算法处理
plutomain.c：主函数
pluto_constants.c：pluto常数
pluto_crypt.c：pluto加密算法处理
primegen.c：生成素数
rcv_info.c：接收数据
rcv_whack.c：接收whack输入信息
rnd.c：随机数
server.c：IKE服务
sha1.c：SHA1哈希算法
smallprime.c：小素数处理
smartcard.c：smartcard支持
spdb.c：安全策略数据库处理
spdb_print.c：安全策略输出
spdb_struct.c：安全策略结构
state.c：状态处理
stubs.c：某些功能的stub
sysdep_linux.c：和linux相关的相关处理
timer.c：定时器
vendor.c：VPN功能提供者信息
virtual.c：虚拟IP支持
whack.c：whack控制
whackinit.c：whack初始化
whacklib.c：whack相关库函数
x509.c：X509证书支持
x509keys.c：X509密钥
xauth.c：扩展认证处理
...... 待续 ......
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