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
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目录

1. 加密流程状态机实现：

2. 各状态函数基本功能总览：

4. 各状态功能概要

4.1 ipsec_xmit_init1（）：

4.2 ipsec_xmit_init2（）：

4.3 ipsec_xmit_encap_init（）：

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1. 加密流程状态机实现：

如果还不知道状态机是什么东东的，可以参考文章《C语言实现有限状态机》，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，而是直接进入高阶实现。

下面是IPSec封装流程中的核心：加密状态机

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

状态机核心调度处理流程代码：

void
ipsec_xsm(struct ipsec_xmit_state *ixs)
{
	enum ipsec_xmit_value stat = IPSEC_XMIT_ENCAPFAIL;
	unsigned more_allowed;

	if (ixs == NULL) {
		return;
	}
	more_allowed = 1000;
	while (ixs->state != IPSEC_XSM_DONE && --more_allowed) {

		ixs->next_state = xmit_state_table[ixs->state].next_state;

		stat = xmit_state_table[ixs->state].action(ixs);

		if (stat == IPSEC_XMIT_OK) {
			ixs->state = ixs->next_state;
		} else if (stat == IPSEC_XMIT_PENDING) {
			return;
		} else {
			/* bad result, force state change to done */
			ixs->state = IPSEC_XSM_DONE;
		}
	}
	ixs->xsm_complete(ixs, stat);
}

 

2. 各状态函数基本功能总览：

状态	对应的动作(函数)	作用	备注
IPSEC_XSM_INIT1	ipsec_xmit_init1	根据outgoing_id查找对应的IPsec_sa
IPSEC_XSM_INIT2	ipsec_xmit_init2	根据IPsec_sa封装策略确定统计封装需要空间大小
IPSEC_XSM_ENCAP_INIT	ipsec_xmit_encap_init	开始封装，开辟报文头部、尾部空间	真正开始修改报文内容
IPSEC_XSM_ENCAP_SELECT	ipsec_xmit_encap_select t	根据IPsecsa封装协议选择封装套件
IPSEC_XSM_ESP	ipsec_xmit_esp	ESP封装套件
IPSEC_XSM_ESP_AH	ipsec_xmit_esp_ah	ESP+AH封装套件
IPSEC_XSM_AH	ipsec_xmit_ah	AH封装套件
IPSEC_XSM_IPIP	ipsec_xmit_ipip	隧道模式封装套件
IPSEC_XSM_IPCOMP	ipsec_xmit_ipcomp	IPcom封装套件
IPSEC_XSM_CONT	ipsec_xmit_cont	根据IPsecsa封装策略确定是否需要继续封装	是否需要继续封装
IPSEC_XSM_DONE	NULL	IPsec封装完毕

 

4. 各状态功能概要

4.1 ipsec_xmit_init1（）：

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，其中eroute结构中包含said指针。

• 根据outgoing_said查询ipsec sa
  • ixs->ipsp = ipsec_sa_getbyid(&ixs->outgoing_said, IPSEC_REFTX);
  • 查询失败，返回：IPSEC_XMIT_SAIDNOTFOUND
• 构建ixs->ips

4.2 ipsec_xmit_init2（）：

在IKE协商流程成功时，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)，这几个节点共同构成此隧道的IPSecSA链，在进行报文封装时，依据IPSecSA链进行依次封装，封装包含严格的顺序：通常情况下按下图顺序进行封装：

下面介绍ipsec_xmit_init2（）函数的主要功能：

①保存IPSec SA链的头部：

save_ipsp=ixs->ipsp;

②统计IPsec封装需要的headroom和tailroom

• AH协议

ixs->headroom += sizeof(struct ahhdr);

• 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，这是一种开源加密加速框架，OCF是一种开源加速框架，支持DES, 3DES, AES, MD5, SHA1等算法。详情可参考：http://ocf-linux.sourceforge.net/

下面考虑系统不支持OCF加密框架：

             1） 获取加密算法：

ixs->ixt_e  =  ixs->ipsp->ips_alg_enc

ixs->blocksize  =  ixs->ixt_e->xxx

ixs->headroom  =  ixs->ixt_e->ooo

             2） 获取认证算法：

ixs->ixt_a=ixs->ipsp->ips_alg_auth

ixs->tailroom += AHHMAC_HASHLEN

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

ixs->tailroom += ixs->blocksize != 1 ?
				((ixs->blocksize - ((ixs->pyldsz + 2) % ixs->blocksize)) % ixs->blocksize) + 2 :
				((4 - ((ixs->pyldsz + 2) % 4)) % 4) + 2;

这里我做了一个简单计算：

Pyldsz	((ixs->pyldsz + 2) % 4)	(4 - ((ixs->pyldsz + 2) % 4))	((4 - ((ixs->pyldsz + 2) % 4)) % 4)	((4 - ((ixs->pyldsz + 2) % 4)) % 4) + 2
0	2	2	2	4
1	3	1	1	3
2	0	4	0	2
3	1	3	3	5
4	2	2	2	4
5	3	1	1	3
6	0	4	0	2
7	1	3	3	5
8	2	2	2	4
9	3	1	1	3

从上表中可以看出：第一列值+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：【tailroom+pyldsz 要保证4字节对齐】

             3） NAT-T封装空间预留：

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：

                   3.1）IKE协商报文

使用ESPINUDP_WITH_NON_IKE格式封装：

UPD头 + 8字节

                   3.2）业务流量报文

使用ESPINUDP_WITH_NON_ESP格式封装

UPD头

  【特别说明】：

ESPINUDP_WITH_NON_IKE封装包，UDP头部后面的8字节全部为0，而ESPINUDP_WITH_NON_ESP报文UDP头部之后紧跟SPI值，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。

最后：计算NAT-T需要预留的空间大小：

ixs->tailroom += ixs->natt_head;

• IPIP协议

       1）添加一个IP头部空间(IPv4 or IPv6):

ixs->headroom += sizeof(struct ipv6hdr);

ixs->headroom += sizeof(struct iphdr);

       2）在ixs上记录下一个头部协议:

ixs->ipip_proto =  IPPROTO_IPV6    or  IPPROTO_IPIP

• IPcom协议

         略。(openswan此版本未实现...)

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将headroom, tailroom更新到ixs上，遍历此链上后续的IPSec SA协议(重新从②开始);

ixs->ipsp = ixs->ipsp->ips_next;

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

ixs->ipsp = saved_ipsp;

④计算MTU相关

⑤传输模式时：根据mtu调整TCP协议SYN包中的MSS值

tcph->syn && !tcph->ack

ipsec_adjust_mss(ixs->skb, tcph, ixs->cur_mtu)

⑥保存二层头，并将报文中的二层头去除

If(!ixs->hard_header_stripped)
	memcpy(&ixs->saved_header[0], &ixs->skb->data[0], ixs->hard_header_len)
	skb_pull(ixs->skb, ixs->hard_header_len);
	ixs->hard_header_stripped = 1;

【追踪溯源】：

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

 

4.3 ipsec_xmit_encap_init（）：

①   获取IP头部长度和报文负载长度

ixs->iphlen = osw_ip4_hdr(ixs)->ihl << 2;

ixs->pyldsz = ntohs(osw_ip4_hdr(ixs)->tot_len) - ixs->iphlen;

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

       1） AH协议

ixs->headroom += sizeof(struct ahhdr);

       2） ESP协议

          2.1） 加密算法

• OCF加速框架?

  （i）DES/3DES

ixs->blocksize = 8;

ixs->headroom += ESP_HEADER_LEN + 8/*IV size*

（ii）AES

ixs->blocksize = 16;

ixs->headroom += ESP_HEADER_LEN + 16/*IV size*/;

• 从加密策略上获取blocksize和headroom

ixs->blocksize = ixs->ixt_e->xxx;

ixs->headroom += ESP_HEADER_LEN + ixs->ixt_e->ooo;

          2.2） 认证算法

• OCF加速框架?

  （i）MD5/SHA1

ixs->authlen = AHHMAC_HASHLEN;

• 从加密策略上获取authlen:MD5/SHA1

ixs->authlen = AHHMAC_HASHLEN;

          2.3） tailroom

                      （i）填充到四字节整数倍

                      （ii）加上认证长度(12字节)

       3）IPIP协议

• 外层为IPv6头部

ixs->headroom += sizeof(struct ipv6hdr);

ixs->iphlen = sizeof(struct ipv6hdr);

new_version = 6;

• 外层为IPv4头部

ixs->headroom += sizeof(struct iphdr);

ixs->iphlen = sizeof(struct iphdr);

new_version = 4;

       3）IPIP协议    

目前不支持

③   根据headroom和tailroom修改报文head、tail

ixs->dat = skb_push(ixs->skb, ixs->headroom);

skb_put(ixs->skb, ixs->tailroom);

ixs->ilen = ixs->skb->len - ixs->tailroom;

ixs->len = ixs->skb->len;

④   填充新头部信息

memmove((void *)ixs->dat, (void *)(ixs->dat + ixs->headroom), ixs->iphlen);

ixs->iph = (void *)ixs->dat;

osw_ip4_hdr(ixs)->tot_len = htons(ixs->skb->len);

这里需要注意的是：新头和旧IP头类型相同时，直接上旧IP头部移动(memmove)到新头位置，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。