基于IP技术的VPN网关设计与实现

论文摘要

随着网络技术的发展,网络的应用越来越广,对网络通信的可靠性和安全性的要求也越来越高。IPSec技术是为在IP层提供通信安全而制定的一套协议族,对IP数据包进行封装,保证网内数据通信的安全、可靠。本论文主要的内容是根据IPSec技术设计与实现一个企业内部虚拟网,利用ESP和AH的隧道模式通过安全网关将分散的局域网组合在一起,对网内通信提供保护。 本文的第一个工作是对RSA加密算法进行了研究。RSA是一种基于大合数因式分解困难性的公开密钥算法,它把密钥参数分成公钥、私钥两部分,采用指数运算实现加密、数字签名等功能。本文给出了大素数获取的确定性方法、概率性方法和强素数获取方法,分析了指数、Montgomery模幂等大数运算方法,在此基础上对大数模幂、模乘和平方等运算作了改进,提高了RSA加密算法的执行效率。 本文的第二个工作是研究了DES和MD5算法。DES是一种分组密码,综合运用了置换、代替、代数等多种运算,执行效率高,常用于加密保护静态存储和传输信道中的数据,为提高DES的安全性常采用3DES加密。MD5消息摘要算法针对任意长的输入,产生一个128位的消息摘要,用于消息或文件的完整性检验。 本文的第三个工作是研究了IPSec隧道技术。IPSec为IP数据包提供高质量的、可互操作的、基于密码学的安全性,通过安全载荷(ESP)和认证头(AH)两种机制封装实现。本文分析了IPSec的结构、ESP和AH的封装格式,设计实现了ESP和AH机制的隧道模式,AH则利用MD5实现数据源认证和完整性保护,ESP采用3DES算法和MD5提供数据保密、数据源认证和完整性保护。 最后本文设计给出了一个VPN网关程序。在程序中利用RSA公钥密码实现IPSec安全关联参数的自动协商和自动更新;网关接收安全子网的IP数据包,根据要求利用IPSec技术对IP数据包进行封装后转发;网关从公用网络接收ESP或AH封装的IP数据包,进行解封后转发。整个程序综合了IPSec技术、加密技术和消息摘要技术,保证了数据在公用网络中的安全。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 引言
• 1.1.VPN技术概述
• 1.2.安全隧道
• 1.3.身份认证和加解密技术
• 1.4.研究的意义
• 1.5.全文内容安排
• 第2章 RSA加密技术
• 2.1.RSA加密算法描述
• 2.2.素数的获取
• 2.2.1.确定性素数生成法
• 2.2.2.概率性素数生成法
• 2.2.3.强素数生成
• 2.3.大数运算
• 2.3.1.大数的数据表示格式
• 2.3.2.大数运算第一层——加减等基本运算
• 2.3.3.大数运算第二层——乘除法等运算
• 2.3.4.大数运算第三层——模幂等复杂运算
• 2.3.5.大数运算改进
• 2.4.RSA算法实现
• 2.4.1.RSA密钥参数获取
• 2.4.2.RSA加密
• 2.4.3.RSA解密
• 2.5.RSA算法测试结果
• 第3章 DES分组密码系统和MD5报文摘要算法
• 3.1.DES分组密码系统
• 3.1.1.DES加密
• 3.1.2.DES解密
• 3.1.3.3DES加解密
• 3.1.4.3DES加解密实现
• 3.2.MD5报文摘要算法
• 3.2.1.MD5报文摘要生成过程
• 3.2.2.MD5报文摘要算法实现
• 3.3.3DES加密和MD5报文摘要算法测试结果
• 第4章 IPSEC安全隧道
• 4.1.IPSEC概述
• 4.2.ESP机制
• 4.2.1.ESP机制模式
• 4.2.2.ESP隧道模式封装格式
• 4.2.3.ESP载荷格式
• 4.3.AH机制
• 4.3.1.AH机制模式
• 4.3.2.AH封装格式
• 4.3.3.AH隧道模式载荷格式
• 4.4.安全隧道设计
• 第5章 VPN实现
• 5.1.VPN的结构
• 5.2.网关程序结构
• 5.2.1.网关程序初始化
• 5.2.2.网关工作线程
• 5.2.3.网关程序结束
• 5.3.VPN维护的数据结构
• 5.3.1.RSA参数管理
• 5.3.2.隧道安全关联管理
• 5.3.3.内网发送IP包方法管理
• 5.4.网关从内部网络接收数据后的处理
• 5.5.网关从外部网络接收数据后的处理
• 5.6.VPN测试结果
• 第6章 总结与展望
• 6.1.工作总结
• 6.2.讨论与展望
• 附录一 主要参考文献
• 附录二 论文发表情况
• 致谢