VPDN+IPsec完整连接过程笔记

本文最后更新于 2025年9月22日下午

VPDN+IPsec完整连接过程笔记

一、核心概念与对象定义（含英文缩写）

在理解连接流程前，需明确参与交互的核心设备、协议及组件，避免混淆：

英文缩写/全称	中文名称	核心作用
VPDN (Virtual Private Dial-up Network)	虚拟专用拨号网络	基于公共网络（互联网/运营商网络），通过拨号建立远程接入企业内网的逻辑通道
IPsec (Internet Protocol Security)	互联网协议安全	一套协议组合，通过加密、认证保障IP层数据传输的安全性（机密性、完整性、抗重放）
Client	用户终端	发起连接的设备（如办公电脑、工业监控终端、物联网设备）
LAC (L2TP Access Concentrator)	L2TP访问集中器	运营商部署的接入设备，接收用户拨号请求，转发至企业侧LNS
LNS (L2TP Network Server)	L2TP网络服务器	企业侧部署的服务器，是VPDN隧道终点，负责终结隧道、对接企业内网
RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service)	远程认证拨号用户服务	企业/运营商部署的认证服务器，校验用户身份合法性及权限
PPP (Point-to-Point Protocol)	点对点协议	建立用户终端与LAC、LNS之间的基础数据链路，支持认证、IP分配
L2TP (Layer 2 Tunnel Protocol)	第二层隧道协议	在LAC与LNS之间建立隧道，封装PPP帧（用户数据），实现跨公网传输
IKE (Internet Key Exchange)	互联网密钥交换协议	IPsec的“密钥协商工具”，负责生成加密密钥、建立安全关联（SA），不直接加密数据
IPsec SA (Security Association)	IPsec安全关联	IPsec的“通信契约”，记录双方协商的加密算法（如AES）、认证算法（如SHA）、密钥等，单向生效（需 inbound/outbound 成对）
ESP (Encapsulating Security Payload)	封装安全载荷	IPsec核心加密协议，同时实现数据加密和完整性认证（VPDN场景首选）
AH (Authentication Header)	认证头	IPsec协议之一，仅做完整性认证和身份校验，不加密数据（VPDN场景极少用）
SPI (Security Parameter Index)	安全参数索引	标识IPsec SA的唯一编号，用于接收方快速匹配对应的加密规则
ECDH (Elliptic Curve Diffie-Hellman)	椭圆曲线迪菲-赫尔曼	IKE协商中用于生成共享密钥的算法，无需传输密钥本身，仅交换公钥即可计算一致密钥

二、VPDN+IPsec 完整连接流程（5大阶段）

VPDN+IPsec的连接是“拨号建链路→隧道传数据→加密保安全”的复合过程，需经历5个阶段，各阶段环环相扣：

阶段1：用户终端与LAC建立PPP基础链路

核心目标：通过拨号建立用户终端与运营商LAC之间的点对点数据链路，为后续隧道传输打基础。

sequenceDiagram
    participant C as 用户终端(Client)
    participant L as LAC(运营商)

    C->>L: 拨号请求(账号/密码)
    L->>C: LCP 参数协商 (MTU/压缩等)
    C->>L: 回应确认
    L->>C: CHAP 挑战(随机数)
    C->>L: CHAP 响应(加密后的随机数)
    L->>C: 认证结果(成功)
    Note over C,L: PPP 链路建立成功

参数配置与拨号发起
用户在终端（如电脑）配置VPDN拨号参数：运营商提供的VPDN账号/密码、LAC公网地址，通过本地网络（宽带、4G/5G）向LAC发起拨号请求。
PPP链路协商（LCP阶段）
- 终端与LAC通过 LCP（链路控制协议） 协商链路参数：最大传输单元（MTU）、数据压缩方式、链路超时时间等。
- 协商通过后，建立基础数据链路（物理层/数据链路层连通）。
PPP临时认证（CHAP/PAP阶段）
- LAC通过 CHAP（挑战-响应认证协议，优先） 或 PAP（密码认证协议，明文传输，安全性低） 校验用户身份：
  - CHAP流程：LAC发送随机“挑战码”→终端用账号密码加密挑战码→LAC解密后比对，确认身份合法。
- 认证通过后，终端与LAC的PPP链路正式激活。

阶段2：LAC与LNS建立L2TP隧道

核心目标：在LAC与企业侧LNS之间建立L2TP隧道，封装用户PPP帧，实现跨公网传输（此时数据暂未加密，需后续IPsec保护）。

sequenceDiagram
    participant LAC as LAC
    participant LNS as LNS

    LAC->>LNS: 隧道建立请求 (用户信息、LAC 标识)
    LNS->>LAC: 分配 Tunnel ID / Session ID
    LAC->>LNS: 确认隧道参数
    Note over LAC,LNS: L2TP 隧道建立成功

L2TP隧道协商发起
LAC验证用户拨号请求后，向企业侧LNS发送 L2TP隧道建立请求，携带用户信息（账号、拨号类型）、LAC自身标识（如公网IP）。
L2TP隧道参数确认
- LAC与LNS通过L2TP协议协商核心参数：
  - 隧道ID（标识唯一隧道，如LAC→LNS为Tunnel ID 100，LNS→LAC为Tunnel ID 200）；
  - 会话ID（区分同一隧道内不同用户的连接，如用户A为Session ID 5，用户B为Session ID 6）；
  - 隧道验证（可选，通过预共享密钥确认LAC与LNS身份，防止非法设备接入）。
L2TP隧道激活
协商通过后，LAC与LNS之间形成逻辑隧道，用户终端的PPP帧可通过该隧道传输（此时数据以明文形式封装在L2TP报文中，需进入IPsec阶段加密）。

阶段3：LAC与LNS建立IPsec加密隧道（核心安全环节）

核心目标：通过IKE协商生成加密密钥和安全关联（SA），建立IPsec隧道，加密L2TP隧道的所有流量，防止公网传输中被窃听、篡改。

sequenceDiagram
    participant LAC as LAC
    participant LNS as LNS

    Note over LAC,LNS: 阶段1: 建立 IKE SA
    LAC->>LNS: 提供算法列表 + Nonce + ECDH 公钥
    LNS->>LAC: 选择算法 + Nonce + ECDH 公钥
    Note over LAC,LNS: 双方计算共享密钥
    LAC->>LNS: 身份认证(加密)
    LNS->>LAC: 身份认证响应
    Note over LAC,LNS: IKE SA 建立成功

    Note over LAC,LNS: 阶段2: 建立 IPsec SA
    LAC->>LNS: 提议 ESP + AES + SHA
    LNS->>LAC: 确认参数
    Note over LAC,LNS: 双方生成 IPsec 加密/认证密钥<br/>IPsec SA 生效

3.1 IKE协商：生成密钥与安全关联（2个子阶段）

IKE是IPsec的“前置工具”，分两步完成密钥和规则协商，确保后续加密参数一致。

子阶段1：建立IKE SA（保护后续协商安全）

目的：建立临时加密通道（IKE SA），避免后续IPsec参数协商被窃听。
流程：
1. IKE_SA_INIT Request（LAC→LNS）：
  LAC发送支持的算法列表（加密：AES-256-GCM；哈希：SHA-256；密钥交换：ECDH）、随机数（Nonce）、LAC的ECDH公钥。
2. IKE_SA_INIT Response（LNS→LAC）：
  LNS从LAC的算法列表中选择一套（如确定AES-256+SHA-256+ECDH），返回自身随机数、ECDH公钥，可选附加LNS证书（身份标识）。
3. 共享密钥生成：
  LAC和LNS分别用自身私钥、对方公钥、双方随机数，通过ECDH算法计算出 共享密钥（Shared Secret），再衍生出IKE SA的加密密钥、认证密钥（双方结果完全一致，无需传输密钥）。
4. IKE_AUTH Request/Response（身份认证）：
  - LAC用IKE SA密钥加密自身身份（如LAC公网IP）和认证数据（私钥签名的哈希值），发送给LNS；
  - LNS验证LAC身份后，同样加密自身身份返回；
  - 验证通过，IKE SA建立成功（有效期几小时，用于保护后续子SA协商）。

子阶段2：建立IPsec SA（确定数据加密规则）

目的：在IKE SA保护下，协商IPsec的具体加密规则，生成IPsec SA。
流程：
1. CREATE_CHILD_SA Request（LAC→LNS）：
  LAC提出IPsec参数需求：隧道模式（必选，保护原始IP地址）、ESP协议（加密+认证）、加密算法（AES-256-GCM）、认证算法（SHA-256）。
2. CREATE_CHILD_SA Response（LNS→LAC）：
  LNS确认参数，双方基于IKE SA密钥，通过密钥派生算法生成 IPsec SA的加密密钥、认证密钥。
3. IPsec SA生效：
  双方记录IPsec SA信息（SPI、算法、密钥、有效期：几分钟到1小时），此时IPsec隧道的“加密规则”正式确定。

3.2 IPsec隧道激活：加密L2TP流量

IPsec SA建立后，LAC与LNS之间的所有L2TP隧道流量（用户PPP数据）会被ESP协议加密，封装流程如下：

原始数据：L2TP封装后的报文（含用户PPP帧，源IP：LAC内网IP，目的IP：LNS内网IP）；
ESP加密：用IPsec SA加密密钥（AES-256）加密整个原始数据，同时用认证密钥（SHA-256）计算数据哈希值（存于ESP认证字段，防篡改）；
添加ESP头/尾：
- 头部：SPI（标识对应的IPsec SA）、序列号（防重放攻击，每次发送递增）；
- 尾部：填充信息（确保数据长度符合加密块要求）、Next Header（标识原始协议为L2TP）；
添加公网IP头：源IP（LAC公网IP）、目的IP（LNS公网IP）、协议字段=50（标识ESP协议）；
公网传输：加密后的报文通过互联网发送至LNS，即使被截取也无法解密。

阶段4：用户身份二次认证（企业级权限校验）

核心目标：通过企业内部RADIUS服务器，做更严格的身份和权限校验（避免运营商侧认证通过但非企业合法用户的情况）。

LNS发起认证请求
LNS从L2TP报文中提取用户账号/密码，发送至企业内部RADIUS服务器，请求校验。
RADIUS认证与权限返回
- RADIUS服务器查询用户白名单、权限配置（如是否允许访问财务系统、可访问的内网网段）；
- 认证通过：返回用户权限信息（如可访问的内网网段192.168.1.0/24、VLAN ID=10）；
- 认证失败：拒绝用户接入，终止连接。

阶段5：分配内网IP，访问企业资源

核心目标：用户终端获得企业内网IP，通过加密隧道访问内网资源，完成通信闭环。

分配企业内网IP（IPCP阶段）
LNS通过 PPP的IPCP（IP控制协议） 给用户终端分配企业内网IP地址（如192.168.1.100，与企业办公区设备同网段），同时返回DNS服务器地址、子网掩码。
用户访问内网资源
- 终端发送请求（如访问OA系统）：数据先封装为PPP帧→L2TP隧道封装→IPsec加密→公网传输至LNS；
- LNS处理：解密IPsec流量→解封装L2TP/PPP帧→根据用户权限转发至内网服务器（如OA服务器192.168.1.5）；
- 响应返回：服务器响应数据按原路（内网→LNS→IPsec加密→L2TP隧道→用户终端）返回，用户终端接收后解析显示。
密钥更新（无缝保障安全）
IPsec SA到期前（如1小时），LAC与LNS通过IKE的 CREATE_CHILD_SA 消息协商新的IPsec SA（复用已有的IKE SA，无需重新认证），实现密钥“无缝更新”，避免长期使用同一密钥导致安全风险。

三、关键技术总结

3.1 数据封装顺序（从用户到公网）

用户应用数据（如HTTP请求）→ PPP帧封装（含用户标识）→ L2TP隧道封装（跨公网传输）→ IPsec ESP加密（安全保障）→ 公网IP头封装（路由转发）

flowchart TB
    App["用户应用数据<br/>(HTTP 请求)"]
    PPP["PPP 帧封装<br/>(用户认证信息)"]
    L2TP["L2TP 隧道封装<br/>(Tunnel ID / Session ID)"]
    ESP["IPsec ESP 加密<br/>(AES+SHA, SPI, 序列号)"]
    IP["公网IP头<br/>(LAC公网 → LNS公网)"]

    App --> PPP --> L2TP --> ESP --> IP

3.2 IPsec的核心安全保障

安全维度	实现机制
机密性	AES-256等对称加密算法，加密IP层数据
完整性	SHA-256等哈希算法，生成数据摘要，防止篡改
抗重放	ESP头部序列号，拒绝重复接收的数据包
身份认证	IKE协商中的预共享密钥/证书，确保LAC与LNS为授权设备

3.3 适用场景

企业员工远程办公（在家/出差访问内网OA、ERP）；
分支机构互联（如上海分公司通过VPDN+IPsec访问杭州总部内网）；
物联网设备远程管理（如各地充电桩、ATM机接入企业管理平台）；
高安全需求行业（金融、政务、医疗），需符合数据传输合规要求。

四、整体流程图

sequenceDiagram
    participant Client as 用户终端(Client)
    participant LAC as LAC(运营商接入设备)
    participant LNS as LNS(企业L2TP服务器)
    participant RADIUS as RADIUS(企业认证服务器)
    participant Intranet as 企业内网资源

    %% 阶段1 PPP 拨号
    Client->>LAC: 拨号请求(账号/密码)
    LAC->>Client: LCP 参数协商
    Client->>LAC: CHAP/PAP 认证响应
    LAC->>Client: 认证成功 → PPP 链路建立

    %% 阶段2 L2TP 隧道
    LAC->>LNS: 请求建立 L2TP 隧道
    LNS->>LAC: 分配 Tunnel ID / Session ID
    Note over LAC,LNS: L2TP 隧道建立成功

    %% 阶段3 IPsec 建立
    LAC->>LNS: IKE_SA_INIT (算法/Nonce/ECDH 公钥)
    LNS->>LAC: 响应 (选择算法/公钥)
    Note over LAC,LNS: 计算共享密钥，建立 IKE SA
    LAC->>LNS: CREATE_CHILD_SA (ESP/AES/SHA 提议)
    LNS->>LAC: 确认参数
    Note over LAC,LNS: IPsec SA 生效，L2TP 流量受保护

    %% 阶段4 二次认证
    LNS->>RADIUS: 转发用户凭证进行认证
    RADIUS->>LNS: 返回认证结果+权限
    LNS->>Client: 通知认证通过/拒绝

    %% 阶段5 分配内网IP并访问
    LNS->>Client: IPCP 分配内网IP/DNS
    Client->>Intranet: 访问内网应用(OA/ERP等)
    Intranet->>Client: 返回业务数据(通过L2TP+IPsec)

网工

VPDN+IPsec完整连接过程笔记

https://xinhaojin.github.io/2025/09/22/VPDN+IPsec完整连接过程笔记/

作者

xinhaojin

发布于

2025年9月22日

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