2.1.10.1 实现思想
IPSec的外出处理函数挂在HOOK点：NF_IP_FORWARD 、NF_IP_LOCAL_OUT上。在这里首先将根据IP包的相关信息查找安全策略库（SPD），找到该IP包对应的外出策略。策略将决定对该IP包的几种处理：ACCEPT; IPSEC SAList; DROP; TRAP; HOLD。ACCEPT表示对IP包不做任何IPSec处理，允许IP包直接通过。IPSEC SAList表示将根据SAList指示的安全关联串（SA串）对IP包进行IPSec处理。DROP表示将丢弃策略不允许外出的IP包，或者先前试图等待SA协商，但SA却不能协商成功的包。TRAP表示要求更新一个安全关联（SA），此时将设置SA为HOLD，并通过发送PF_KEY消息来触发IKE守护进程进行安全关联（SA）的协商。HOLD表示SA还未协商成功，要求丢弃IP包。
对于可以进行IPSec外出处理的包，根据策略提供的信息，查找安全关联库（SAD），找到该IP包应该应用的安全关联（SA或SA串）。如果没有找到SA，则将通过发送PF_KEY消息来触发IKE守护进程进行安全关联（SA或SA串）的协商，此时IP包被暂时保持，直到sa创建或超时。如果找到了SA（或SA串），则检查SA的状态、生存期。然后进行IPSec协议处理，根据SA（或SA串）所指定的协议（AH或ESP），循环对IP包进行认证、加密等处理。SA串处理完毕后，将重新构建IP包，并对新的IP包重新进行路由。最后返回NF_ACCEPT，表示该IP包将进入激活HOOK点时指定的处理函数：ip_queue_xmit2、ip_send，进入发送处理模块。
2.1.10.2 实现细节
1. 查找SPD（外出策略）库，找到匹配项的所定义的目标动作。
1) ACCEPT：返回NF_ACCEPT，即包不用经过任何加工处理，直接通过。
2) DROP：返回NF_DROP，丢掉此包不再传输
3) TRAP：发送PF_key 消息ACCQUIRE给IKE守护进程，在SPD中把它替换成HOLD，返回NF_STOLEN，不继续传输该数据报。
4) HOLD：截取符合此策略的包，更新以前截获的包，返回NF_STOLEN，不继续传输该数据报。
5) IPSEC Salist：进行IPSec处理。以下便是详细的步骤说明。
2. 根据策略提供的信息，查找安全关联库（SAD），寻找该IP包应该应用的安全关联（SA或SA串）。如果没有找到SA，则将通过发送PF_KEY消息来触发IKE守护进程进行安全关联（SA或SA串）的协商，此时IP包被暂时保持，直到sa创建或超时。
3. 如果找到了SA（SA串），检查当前SA的状态，对于已经过时的SA,要释放SA和这个SA包。
4. 设置重播窗口。
5. 检查SA的生命期，包括使用时间，已处理的字节数，处理的IP包数目。对于已经过生命期的SA,要删除，发PF_key消息给IKE。（＊IKE应该自己维护SA ,更新删除应该能自动进行不需内核干涉或提醒，但是要实现对于字节的限制应该只能由内核告诉IKE进行更新）
6. 根据SA中的协议设置AH或ESP头，然后转到SA链的下一个SA，重复从4开始的处理。
7. 设置新的MTU（如果实现了PMTU机制，要做相应的处理）
8. 根据SA指定的协议（AH或ESP）设置头空间和尾空间，并使用SA规定的协议中应该使用的加密或验证算法处理IP包数据区内容。
9. 处理结束后调整IP头重新设置校验和。
10. 更新SA的生命期
11. 对于SA串将循环处理SA串上的每一个SA
12. 对新的IP包重新进行路由。
13. 返回NF_ACCEPT，将IP包传送到进入激活HOOK点时指定的处理函数：ip_queue_xmit2、ip_send。进入发送处理模块。
2.1.11 发送处理
2.1.11.1 实现思想
首先要判断是否需要进行分片处理。转发的IP包，或者是本地产生的经过IPSec处理过的IP包的长度有可能大于发送接口的MTU，此时必须进行分片处理。分片结束后将IP包交给链路层处理模块，然后由网卡发送该数据包。
2.1.11.2 实现细节
1、判断是否需要分片，如果需要，则调用分片函数ip_fragment进行分片。
2、将IP包交给链路层处理模块：dev_queue_xmit。
2.2 功能模块的实现
2.2.1 策略库（SPD）的实现：
2.2.1.1 实现思想：
我们将安全策略库的配置设置在安全网关上，各个安全网关独立配置策略库。但要保证策略的一致性。
安全策略库（SPD）说明了对IP数据报提供何种保护，并以何种方式实施保护。SPD中策略项的建立和维护应通过协商；而且对于进入和外出处理都应该有自己的策略库。对于进入或外出的每一份数据报，都可能有三种处理：丢弃、绕过或应用IPSec。SPD提供了便于用户或系统管理员进行维护的管理接口。可允许主机中的应用程序选择IPSec安全处理。SPD中的策略项记录对SA(SA束)进行了规定，其字段包含了IPsec协议、模式、算法和嵌套等要求。SPD还控制密钥管理(如ISAKMP)的数据包，即对ISAKMP数据包的处理明确说明。
SPD是利用radix树型结构来构造。每一个结点就是一个策略项。策略项中包含一个SAID数据结构，它是SPD与SAD之间的接口。可以由它来查找SAD，从而指定相关的SA（或SA串）。这样使得策略项可以对应相关的一个SA或者多个SA（SA串）。
SPD中策略项的查找是通过选择符来进行的。SA或SA束的粒度决定于选择符。通过选择符，可以找到外出或进入IP包应该实行的策略项。两个策略项的选择符可以相同。我们选用第一匹配项，并保证SPD始终以同样的顺序进行查找，这样就保证了第一匹配策略项的一致性选择。
2.2.1.2 实现细节
1、策略库的构建方式：采用radix树型结构。存放在内核中。
2、选择符的构成。选择符包含下列参数：目的地IP地址、源IP地址、名字（用户ID、系统名字）、数据保密等级、源端口和目的端口
3、策略项的构成。策略项包含下列参数：radix树相关数据结构、SAID结构、地址、掩码。
4、为用户层提供的接口（PF_key），允许用户程序可通过接口对库进行操作：添加、删除、搜索（匹配）。
5、对策略库的操作时机：用户通过配置界面对策略库进行相关操作；IKE协商SA完毕后，在更新SAD的同时，也要建立新的SAD与SPD之间的关联。
2.2.1.3 基本操作
用户配置程序通过PF_key接口调用内核相关程序程序，实现对安全策略库的操作。
1、添加策略项：ipsec_create_policy
根据用户传入的信息构造策略项结构，然后将该结构加入到radix树中。
2、删除策略项：ipsec_delete_policy
根据用户传入信息，在radix树中找到该策略项，然后删除该节点。
3、查找策略项：ipsec_find_policy
根据用户传入信息，在radix树中查找到该策略项。
2.2.2 安全关联库（SAD）的实现
2.2.2.1 实现思想
安全关联（SA）是构成IPSec的基础。SA是两个通信实体经过协商建立起来的一种协定。他们决定了用来保护数据保安全的IPSec协议、模式、算法及密钥、生存期、抗重播窗口、计数器等等。SA是单向的，因此外出和进入处理需要不同的SA。SA还与协议相关，每一种协议都有一个SA。
安全关联库（SAD）维护了IPSec协议用来保障数据保安全的SA记录。每个SA都在SAD中有一条记录相对应。对于外出处理，应SPD中查找指向SAD中SA的指针，如SA未建立，则应激活IKE建立SA，并同SPD和SAD的记录关联起来。对于进入处理，SAD的记录用目的IP地址、IPSec协议类型和SPI标识。
SAD是利用HASH表来构造的。
SAD的查找是通过一个三元组（SAID）：协议、目的地址、SPI来进行的，三元组标识了唯一的SA。通过对SAID的散列找到SA头，然后再进行详细匹配找到相应的SA。
SA的管理可以通过手工进行，也可以通过IKE来进行动态协商。为了进行SA的管理，我们利用PF_key实现了一个用户应用与内核通讯的接口。
2.2.2.2 实现细节
1、安全关联库（SAD）的构建方式：通过hash表（如图）
2、SAD库的查找通过一个SAID：<目的地址、协议、SPI>
3、SA记录的构成。每一个SA的基本结构包括：
l 序号计数器：32比特。
l 序号计数器溢出标志：标识序号计数器是否溢出。如果溢出，则产生一个审计事件，并禁止用SA继续发送数据包。
l 抗重播窗口：32比特计数器及位图，用于决定进入的AH或ESP数据包是否为重发的。
l AH验证算法及其密钥等。
l ESP加密算法、密钥、IV模式、IV等。
l ESP验证算法、密钥等。如未选择验证服务，该字段为空。
l 安全关联的生存期：一个时间间隔。
l IPsec协议模式：隧道、传输或通配：主机实施应支持所有模式；网关实施应支持隧道模式
l PMTU：所考察的路径的MTU及其寿命变量。
4、SAD和SPD之间是通过SAID进行关联的。通过查看SPD中的SAID值，可对SAD进行查找，找到该策略项所应该实施的SA。
5、安全关联库与用户程序（IKE）的接口，通过PF_key来实现。无论是手工创建一个SA，还是通过密钥管理协议IKE动态创建SA，都通过该接口对SAD和SPD进行操作。
2.2.2.3 基本操作
1、创建一个SA：ipsec_create_sa
根据用户提供的SA相关参数构建SA结构，然后提取SAID值，并对SAID进行散列。将SA结构放入散列链头。
2、删除一个SA：ipsec_delete_sa
根据用户参数，提取SAID。根据SAID查找SAD，找到后将SA结构从链中删除。
3、查找一个SA：ipsec_find_sa
根据用户参数，提取SAID。对SAID散列后，在SAD散列表中中找到SA链头，再进行详细SAID匹配找到为一的SA。
2.2.3 AH协议处理模块实现
2.2.3.1
AH格式：
各字段含义如下：
1) 下一头（8比特）：标识紧跟验证头的下一个头的类型。
2) 载荷长度（8比特）：以32-位字为单位的验证头的长度，再减去2。例如，缺省的验证数据字段的长度是96比特（3个32-位字），加上3个字长的固定头，头部共6个字长，因此该字段的值为4。
3) 保留（16比特）：保留为将来使用。
4) 安全参数索引（32比特）：用于标识一个安全关联。
5) 序号（8比特）：单增的计数器值。
6) 验证数据（可变）：该字段的长度可变（但应为32-位字的整数倍），包含的数据有数据包的ICV（完整性校验值）或MAC。
2.2.3.2 实现功能：
AH用于为IP提供数据完整性、数据原始身份验证和一些可选的、有限的抗重播服务。
2.2.3.3 实现模式：
在安全网关上只实现隧道模式：
AH：
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下一个头 |
载荷长度 |
保留 |
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| ||
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序列号 | ||
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验证数据 | ||
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| ||
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TCP头 | ||
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| ||
2.2.4 ESP协议处理模块实现
2.2.4.1
ESP格式
各字段含义如下：
1) 安全参数索引（32比特）：标识一个安全关联。
2) 序号（32比特）：单增的计数器值。
3) 载荷数据（可变）：传输层数据段（传输模式）或IP包（隧道模式），通过加密得到保护。
4) 填充（0-255字节）：额外的字节。有的加密算法要求明文长度是8位组的某个整倍数。
5) 填充长度（8比特）：表示填充的字节数。
6) 下一头（8比特）：通过标识载荷中的第一个头（如IPv6中的扩展头，或诸如TCP之类的上层协议头），确定载荷数据字段中数据的类型。
验证数据（可变）：长度可变的字段（应为32-位字的整数倍），用于填入ICV。ICV的计算范围为ESP包中除去验证数据字段的部分。
2.2.4.2 实现功能：
ESP用于为IP提供机密性、数据源验证、抗重播以及数据完整性等安全服务。
2.2.4.3 实现模式
在安全网关上只实现隧道模式：
ESP：
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| |||
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安全参数索引(SPI) | |||
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| |||
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| |||
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数据 | |||
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填充项 |
填充项长度 |
下一个头 |
|
| |||
2.2.5 算法实现
2.2.5.1 实现思想
支持多种认证算法和加密算法，并且可以动态添加。其中现有认证算法支持：hmac-md5-96和hmac-sha1-96；加密算法支持：3des-md5-96和3des-sha1-96。密钥生成分为两种：一种是预共享密钥PSK，一种是公私钥RSA。如果利用PSK生成密钥，则通讯双方的PSK密钥必须相同。
2.2.5.2 实现细节
2.2.6 日志、统计、配置与审计实现
2.2.6.1 日志与审计
VPN网关将记录对网关进行的各种操作，包括错误信息、安全规则文件的修改等等。并按照安全等级、事件名称和发生时间、事件内容及操作者以图表的方式显示在VPN配置服务器上。
通过安全事件的日志记录，可以提高VPN网关管理的安全性，并通过审查日志发现违反安全规则的操作，并及时采取相应的措施。
2.2.6.2 统计
对各种流量信息进行统计：通过的总IP包数，丢弃的总IP包数、经过IPSec处理过的IP包数、绕过处理的IP包数，各种流过的协议，时间统计等等。
2.2.6.3 配置
为用户提供友好的配置界面，可以对VPN网关的的各种信息进行配置。（如图）
2.2.7 应用程序与内核的通讯接口实现
2.2.7.1 实现思想
用户的各种配置请求，以及密钥管理守护进程（IKE）都将涉及到对内核相关数据结构（安全策略库SPD、安全关联库SAD）的修改。因此我们利用PF_KEY协议来实现用户应用程序与内核的通讯。（如图）
如图，用户配置信息和IKE守护进程可以通过PF_KEY协议接口对内核空间的安全策略库（SAD）进行操作。同样，内核程序也可以通过PF_KEY协议接口向应用程序发出协商SA的请求。
PF_KEY协议簇的socket的操作同其他类型的socket操作无差别。
int s = socket(PF_KEY, SOCK_RAW, PF_KEY_V2);
用户进程通过使用这个socket接口来发送和接收信息与内核通信。对这个socket 的操作同其它socket一样，bind(), connect(), socketpair(), accept(), getpeername(), getsockname(), ioctl(), and listen().
实现的主要消息种类：
◆ SADB_ADD 向内核的SADB增加一个SA
◆ SADB_DELETE 从内核的SADB删除一个SA
◆ SADB_GET 从内核的SADB获取一个SA
◆ SADB_REGISTER IKE守护进程注册策自己能提供服务的协议类型，AH，ESP或其它
◆ SADB_EXPIRE 内核发送给IKE守护进程某个SA