计算机网络安全第五章IP安全
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SA是单向的，进入SA负责处理接收到的IP数据报，外 出SA负责处理要发送的IP数据报。因此每个通信方必须要 有两个SA：一个进入SA，一个外出SA，这两个SA构成了 一个SA束（SA Bundle）。
5/9/2020
23
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
SA的管理
16 之 3
手工管理
SA的内容由管理员手工指定、手工维护，但是，手工 操作容易出错，而且手工建立的SA没有生存周期限制，除 非手工删除，因此有安全隐患。
路径MTU SA生存期
31
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 11
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
认证算法、密钥、密钥生存 期、以及与AH一起使用的其它 参数。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
5/9/2020
15
目录
7之3
IPSec安全体系结构
5/9/2020
ESP:封装安全载荷 AH :验证头 DOI:解释域
16
目录
7之4
IPSec的文档
Architecture RFC 2401
ESP RFC 2406
AH RFC 2402
DOI RFC 2407
IKE RFC 2409
ISAKMP RFC 2408
<SPI，源/目的IP地址，IPSec协议>
5/9/2020
25
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 5
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
安全参数索引。分配给这个SA 的一个位串并且只有本地有效，用 于标识同一个目的地的SA 。SPI在 AH和ESP报头中出现。
5/9/2020
22
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
SA的定义
16 之 2
SA是两个IPSec实体（主机、安全网关）之间经过协 商建立起来的一种约定，内容包括：采用何种IPSec协议 （AH？ESP？）、操作模式（传输模式？隧道模式？）、 验证算法、加密算法、加密密钥、密钥生存期、抗重放窗 口、计数器等，从而决定了保护什么？如何保护？谁来保 护？可以说SA是构成IPSec的基础。
路径MTU SA生存期
32
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 12
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
认证算法、密钥、密钥生存 期、以及与ESP一起使用的其它 参数。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
目前因特网占统治地位的是IPv4。IPv4在设 计之初没有考虑安全性，IP数据报本身并不具备 任何安全特性，导致在网络上传输的数据很容易 收到各式各样的攻击：业务流被监听和捕获、IP 地址欺骗、信息泄露和数据项篡改等。
5/9/2020
11
目录>>TCP/IP协议
3之2
IPv4首部
5/9/2020
12
Association and Management Protocol
17
目录
7之5
IPSec的服务
访问控制 无连接完整性 数据源认证 拒绝重放数据包 机密性（保密） 有限通信量机密性
5/9/2020
18
目录
7之6
IPSec的服务
访问控制 无连接完整性 数据源认证 拒绝重放包 保密性 有限保密性
16 之 7
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
表明是AH还是ESP的SA。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
29
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 9
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
5/9/2020
3
目录>>TCP/IP协议
5之2
图示
5/9/2020
4
5之3
OSI/RM和TCP/IP RM
5/9/2020
5
5之4
TCP/IP例子
5/9/2020
6
5之5
TCP/IP中的数据传输
5/9/2020
7
目录>>TCP/IP协议
3之1
网络层安全
5/9/2020
8
目录>>TCP/IP协议
2
目录>>TCP/IP协议
5之1
internet和Internet
internet（互联网或互连网）是一个通 用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成 的虚拟网络。
Internet（因特网）是一个专用名词， 它特指当前全球最大的、开放的、由众多网 络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP协议簇，且前身是美国的ARPANET。
安全关联数据库
16 之 10
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
用来确定一个输入的AH或 ESP数据包是否是一个重放包。 仅用于进入数据报。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
一个标志位，表明该序数计 数器是否溢出，如果是，将生成 一个审计事件，并禁止本SA的进 一步的IP数据报传送。
5/9/2020
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
30
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库（SAD）用于存储SA参数。
对于外出的流量，如果需要使用IPSec处理，然而 相应的SA不存在，则IPSec将启动IKE来协商出一 个SA，并存储到SAD中。对于进入的流量，如果 需要进行IPSec处理，IPSec将从IP数据报中得到三 元组，并利用这个三元组在SAD中查找一个SA。
每个SA由三元组唯一标识：
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
26
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 6
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
路径MTU SA生存期
36
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 16
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
一个SA最长能存在的时间， 超过该时间后，一个SA必须用一 个新的SA替换或终止，并指示发 生了哪种操作。
IPSec是IPv6的一个组成部分，也是IPv4的一 个可扩展协议。本课程只考虑IPv4情况。
5/9/2020
14
目录
7之2
IPSec的构成
两个通信协议 AH 和ESP。
两种操作模式 传输模式和隧道模式。
一个密钥交换管理协议 IKE。
两个数据库 安全策略数据库SPD和安全关联数据库SAD。
28
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 8
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
用于生成AH或ESP头中的序列 号域，仅用于外出数据报。32位， 刚开始通常为0，每次用SA来保护 一个IP数据报时增1，对方利用此 字段来检测重放攻击。在溢出之前， SA会重新进行协商。
IP安全
TCP/IP协议 IPSec概述 安全关联(SA)和安全策略(SP) 认证头(AH) 封装安全载荷 (ESP) Internet密钥交换协议(IKE) IPSec的实现
5/9/2020
1
目录
TCP/IP协议
Internet概述 Internet安全 IP层安全
5/9/2020
3之2
传输层安全
5/9/2020
9
目录>>TCP/IP协议
3之2
应用层安全
5/9/2020
10
目录>>TCP/IP协议
3之1
IP层安全
IP层的主要协议是IP协议，有两种版本的IP： IPv4和IPv6。IPv6是IPv4的后续版本，IPv6简化了 IP首部，其数据报更灵活，同时IPv6还增加了对安 全性的考虑。
传输模式、隧道模式或通配 模式（暗示可用于传输 / 隧道模 式）。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
35
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 15
（SAD）
5/9/2020
Oakly RFC 2412
➢ ESP:Encapsulating Security Payload
➢ AH:Authentication Header ➢ DOI:Domain Of Interpretation ➢ IKE:Internet Key Exchange ➢ ISAKMP:Internet Security
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
路径最大传输单元，是可测 量和可变化的，它是IP数据报经 过一个特定的从源主机到目的主 机的网络路由而无需分段的IP数 据报的最大长度。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
34
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 14
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
5/9/2020
AH ESP(加密) ESP(加密+认证)
19
目录
7之7
IPSec的实现
5/9/2020
20
目录
安全关联(SA)和 安全策略(SP)
安全关联（SA）
安全策略（SP）
5/9/2020
21
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
概述
16 之 1
理解SA这一概念对于理解IPSec至关重要。AH和ESP 协议都使用SA来保护通信，而IKE的主要功能就是在通信 双方协商SA。
目录>>TCP/IP协议
3之3
IPv6首部
5/9/2020
13
目录
7之1
IPSec概述
为加强因特网的安全性，从1995年开始， IETF着手研究制定了一套用于保护IP通信的IP安 全协议（IP Security,IPSec），目的是：为IPv4和 IPv6提供具有较强的互操作能力、高质量和基于 密码的安全功能，在IP层实现多种安全服务：访 问控制、数据完整性、数据源验证、抗重播、机 密性等。
IKE管理
一般来说，SA的自动建立和动态维护是通过IKE进行 的，SA有生存周期限制。如果安全策略要求建立安全、保 密的连接，但又不存在与该连接相应的SA，IPSec的内核 会立即启动IKE来协商SA。
5/9/2020
24
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 4
安全关联数据库
（SAD）
目前，只允许单播地址；用 于表示对方IP地址，对于外出流 量指目的IP地址，对于进入流量 指源IP地址。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
27
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
路径MTU SA生存期
33
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 13
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
ESP加密算法、密钥、初始 化向量（IV）和IV模式（ECB、 CBC、CFB和OFB）。
5/9/2020
5/9/2020
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
SA的管理
16 之 3
手工管理
SA的内容由管理员手工指定、手工维护，但是，手工 操作容易出错，而且手工建立的SA没有生存周期限制，除 非手工删除，因此有安全隐患。
路径MTU SA生存期
31
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 11
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
认证算法、密钥、密钥生存 期、以及与AH一起使用的其它 参数。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
5/9/2020
15
目录
7之3
IPSec安全体系结构
5/9/2020
ESP:封装安全载荷 AH :验证头 DOI:解释域
16
目录
7之4
IPSec的文档
Architecture RFC 2401
ESP RFC 2406
AH RFC 2402
DOI RFC 2407
IKE RFC 2409
ISAKMP RFC 2408
<SPI，源/目的IP地址，IPSec协议>
5/9/2020
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 5
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
安全参数索引。分配给这个SA 的一个位串并且只有本地有效，用 于标识同一个目的地的SA 。SPI在 AH和ESP报头中出现。
5/9/2020
22
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
SA的定义
16 之 2
SA是两个IPSec实体（主机、安全网关）之间经过协 商建立起来的一种约定，内容包括：采用何种IPSec协议 （AH？ESP？）、操作模式（传输模式？隧道模式？）、 验证算法、加密算法、加密密钥、密钥生存期、抗重放窗 口、计数器等，从而决定了保护什么？如何保护？谁来保 护？可以说SA是构成IPSec的基础。
路径MTU SA生存期
32
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 12
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
认证算法、密钥、密钥生存 期、以及与ESP一起使用的其它 参数。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
目前因特网占统治地位的是IPv4。IPv4在设 计之初没有考虑安全性，IP数据报本身并不具备 任何安全特性，导致在网络上传输的数据很容易 收到各式各样的攻击：业务流被监听和捕获、IP 地址欺骗、信息泄露和数据项篡改等。
5/9/2020
11
目录>>TCP/IP协议
3之2
IPv4首部
5/9/2020
12
Association and Management Protocol
17
目录
7之5
IPSec的服务
访问控制 无连接完整性 数据源认证 拒绝重放数据包 机密性（保密） 有限通信量机密性
5/9/2020
18
目录
7之6
IPSec的服务
访问控制 无连接完整性 数据源认证 拒绝重放包 保密性 有限保密性
16 之 7
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
表明是AH还是ESP的SA。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
29
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 9
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
5/9/2020
3
目录>>TCP/IP协议
5之2
图示
5/9/2020
4
5之3
OSI/RM和TCP/IP RM
5/9/2020
5
5之4
TCP/IP例子
5/9/2020
6
5之5
TCP/IP中的数据传输
5/9/2020
7
目录>>TCP/IP协议
3之1
网络层安全
5/9/2020
8
目录>>TCP/IP协议
2
目录>>TCP/IP协议
5之1
internet和Internet
internet（互联网或互连网）是一个通 用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成 的虚拟网络。
Internet（因特网）是一个专用名词， 它特指当前全球最大的、开放的、由众多网 络相互连接而成的特定计算机网络，它采用 TCP/IP协议簇，且前身是美国的ARPANET。
安全关联数据库
16 之 10
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
用来确定一个输入的AH或 ESP数据包是否是一个重放包。 仅用于进入数据报。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
一个标志位，表明该序数计 数器是否溢出，如果是，将生成 一个审计事件，并禁止本SA的进 一步的IP数据报传送。
5/9/2020
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
30
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库（SAD）用于存储SA参数。
对于外出的流量，如果需要使用IPSec处理，然而 相应的SA不存在，则IPSec将启动IKE来协商出一 个SA，并存储到SAD中。对于进入的流量，如果 需要进行IPSec处理，IPSec将从IP数据报中得到三 元组，并利用这个三元组在SAD中查找一个SA。
每个SA由三元组唯一标识：
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SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 6
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
路径MTU SA生存期
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 16
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
一个SA最长能存在的时间， 超过该时间后，一个SA必须用一 个新的SA替换或终止，并指示发 生了哪种操作。
IPSec是IPv6的一个组成部分，也是IPv4的一 个可扩展协议。本课程只考虑IPv4情况。
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目录
7之2
IPSec的构成
两个通信协议 AH 和ESP。
两种操作模式 传输模式和隧道模式。
一个密钥交换管理协议 IKE。
两个数据库 安全策略数据库SPD和安全关联数据库SAD。
28
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
16 之 8
安全关联数据库
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
用于生成AH或ESP头中的序列 号域，仅用于外出数据报。32位， 刚开始通常为0，每次用SA来保护 一个IP数据报时增1，对方利用此 字段来检测重放攻击。在溢出之前， SA会重新进行协商。
IP安全
TCP/IP协议 IPSec概述 安全关联(SA)和安全策略(SP) 认证头(AH) 封装安全载荷 (ESP) Internet密钥交换协议(IKE) IPSec的实现
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目录
TCP/IP协议
Internet概述 Internet安全 IP层安全
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3之2
传输层安全
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目录>>TCP/IP协议
3之2
应用层安全
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目录>>TCP/IP协议
3之1
IP层安全
IP层的主要协议是IP协议，有两种版本的IP： IPv4和IPv6。IPv6是IPv4的后续版本，IPv6简化了 IP首部，其数据报更灵活，同时IPv6还增加了对安 全性的考虑。
传输模式、隧道模式或通配 模式（暗示可用于传输 / 隧道模 式）。
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SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 15
（SAD）
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Oakly RFC 2412
➢ ESP:Encapsulating Security Payload
➢ AH:Authentication Header ➢ DOI:Domain Of Interpretation ➢ IKE:Internet Key Exchange ➢ ISAKMP:Internet Security
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
路径最大传输单元，是可测 量和可变化的，它是IP数据报经 过一个特定的从源主机到目的主 机的网络路由而无需分段的IP数 据报的最大长度。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 14
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
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AH ESP(加密) ESP(加密+认证)
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目录
7之7
IPSec的实现
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目录
安全关联(SA)和 安全策略(SP)
安全关联（SA）
安全策略（SP）
5/9/2020
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
概述
16 之 1
理解SA这一概念对于理解IPSec至关重要。AH和ESP 协议都使用SA来保护通信，而IKE的主要功能就是在通信 双方协商SA。
目录>>TCP/IP协议
3之3
IPv6首部
5/9/2020
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目录
7之1
IPSec概述
为加强因特网的安全性，从1995年开始， IETF着手研究制定了一套用于保护IP通信的IP安 全协议（IP Security,IPSec），目的是：为IPv4和 IPv6提供具有较强的互操作能力、高质量和基于 密码的安全功能，在IP层实现多种安全服务：访 问控制、数据完整性、数据源验证、抗重播、机 密性等。
IKE管理
一般来说，SA的自动建立和动态维护是通过IKE进行 的，SA有生存周期限制。如果安全策略要求建立安全、保 密的连接，但又不存在与该连接相应的SA，IPSec的内核 会立即启动IKE来协商SA。
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16 之 4
安全关联数据库
（SAD）
目前，只允许单播地址；用 于表示对方IP地址，对于外出流 量指目的IP地址，对于进入流量 指源IP地址。
5/9/2020
SA参数 序列号计数器 序列号溢出 抗重放窗口 AH认证信息 ESP认证信息 ESP加密信息 IPSec操作模式
路径MTU SA生存期
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目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
路径MTU SA生存期
33
目录>>安全关联(SA)和安全策略(SP)
安全关联数据库
16 之 13
（SAD）
SAD
SA1 SA2 …S…A3 SAn
SA标识符 SPI
源/目的IP地址 IPSec协议
ESP加密算法、密钥、初始 化向量（IV）和IV模式（ECB、 CBC、CFB和OFB）。
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