一、实验背景与核心目标

在分布式网络架构中，路由器（网关）作为不同子网的核心枢纽，承担着数据转发与策略控制的关键职能。当跨网关通信涉及敏感数据传输时，传统明文传输面临中间人攻击、数据篡改等安全威胁。IPSec（Internet Protocol Security）协议族通过提供数据加密、身份认证和完整性校验等机制，成为构建安全通信隧道的标准解决方案。
本实验聚焦路由器到路由器的IPSec应用场景，重点验证以下目标：

1. 实现跨网关IPSec隧道的自动化协商与建立
2. 验证ESP（封装安全载荷）模式下的数据加密效果
3. 测试不同加密算法（AES/3DES）对网络性能的影响
4. 分析NAT穿越场景下的IPSec兼容性

二、实验环境与拓扑设计

2.1 硬件与软件配置

• 实验设备：两台Cisco 2911路由器（R1、R2）
• 操作系统：Cisco IOS 15.7(3)M
• 加密模块：支持AES-256/3DES-CBC硬件加速
• 测试工具：iPerf3（带宽测试）、Wireshark（协议分析）

2.2 网络拓扑架构

[子网A:192.168.1.0/24]---R1---[公网:203.0.113.0/24]---R2---[子网B:192.168.2.0/24]

• R1外网接口：203.0.113.1/24
• R2外网接口：203.0.113.2/24
• 实验变量：分别测试ESP-AES（256位）和ESP-3DES（168位）两种加密方案

三、IPSec配置核心步骤

3.1 基础网络准备

! R1配置示例
interface GigabitEthernet0/0
 ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
 no shutdown
interface GigabitEthernet0/1
 ip address 203.0.113.1 255.255.255.0
 no shutdown
ip route 192.168.2.0 255.255.255.0 203.0.113.2

3.2 IPSec策略定义

3.2.1 创建IKE策略

crypto isakmp policy 10
 encryption aes 256
 hash sha256
 authentication pre-share
 group 14
 lifetime 86400

• 密钥交换：DH组14（2048位模数）
• 认证方式：预共享密钥（PSK）
• 生命周期：24小时

3.2.2 定义转换集

crypto ipsec transform-set ESP-AES-SHA esp-aes 256 esp-sha-hmac
crypto ipsec transform-set ESP-3DES-MD5 esp-3des esp-md5-hmac

• ESP-AES-SHA：提供高强度加密（AES-256）和完整性校验（SHA-256）
• ESP-3DES-MD5：兼容旧设备但安全性较低（3DES-168/MD5）

3.2.3 配置ACL与加密映射

! 定义感兴趣流量
access-list 101 permit ip 192.168.1.0 0.0.0.255 192.168.2.0 0.0.0.255
! 创建加密映射
crypto map VPN-MAP 10 ipsec-isakmp
 set peer 203.0.113.2
 set transform-set ESP-AES-SHA
 match address 101
! 应用到外网接口
interface GigabitEthernet0/1
 crypto map VPN-MAP

3.3 对端设备配置

R2需配置对称参数，关键差异点：

• 预共享密钥必须一致
• 转换集顺序可互换但算法需匹配
• 加密映射方向相反（R2指向R1的IP）

四、实验过程与结果分析

4.1 隧道建立验证

通过show crypto isakmp sa和show crypto ipsec sa命令确认：

• IKE SA状态：MM_ACTIVE（主模式协商成功）
• IPSec SA状态：ACTIVE（加密/解密计数递增）
• 加密算法：确认实际使用的转换集

4.2 性能测试数据

测试场景	AES-256吞吐量	3DES吞吐量	延迟增加
空闲环境	92.3Mbps	78.6Mbps	+2.1ms
50%负载	85.7Mbps	71.2Mbps	+3.8ms
90%负载	73.4Mbps	59.8Mbps	+6.2ms

关键发现：

1. AES-256在CPU占用率（平均增加12%）和吞吐量间取得更好平衡
2. 3DES在持续高负载下出现明显丢包（>85%负载时）
3. 加密开销导致延迟增加与负载呈非线性关系

4.3 协议抓包分析

Wireshark捕获显示：

• IKE Phase1：使用SHA-256进行完整性校验
• IKE Phase2：正确协商ESP参数
• 有效载荷：原始IP包被ESP头封装，包含序列号和ICV字段

五、优化建议与最佳实践

5.1 算法选择策略

• 新建网络优先采用AES-GCM（支持并行计算）
• 遗留系统兼容场景使用AES-CBC+SHA-256组合
• 避免使用3DES（NIST已建议淘汰）

5.2 性能优化技巧

! 启用IPSec硬件加速（需设备支持）
crypto engine accelerator model 1
! 优化PFS（完美前向保密）配置
crypto ipsec security-association lifetime seconds 3600
crypto ipsec df-bit clear  ! 处理分片问题

5.3 故障排查清单

1. 相位1失败：检查预共享密钥、DH组匹配性、NAT穿透设置
2. 相位2失败：验证ACL定义、转换集兼容性、SA生命周期
3. 间歇性断开：排查路径MTU问题（建议设置1400字节）
4. 性能异常：监控CPU利用率（show processes cpu）

六、扩展应用场景

6.1 动态路由协议保护

! 在OSPF进程中启用认证
router ospf 1
 area 0 authentication message-digest
 network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0
! 配置密钥链
key chain OSPF-KEY
 key 1
  key-string CISCO123
  send-lifetime 00:00:00 January 1 2023 infinite

6.2 多站点VPN部署

采用DMVPN（动态多点VPN）架构：

! 中心站点配置
interface Tunnel0
 ip address 10.10.10.1 255.255.255.0
 ip nhrp map multicast dynamic
 ip nhrp network-id 1
 tunnel mode gre multipoint
 crypto map VPN-MAP

七、结论与展望

本实验验证了路由器到路由器IPSec部署的完整流程，数据显示AES-256在安全性和性能间达到最优平衡。随着量子计算威胁的临近，建议后续研究：

1. 后量子密码算法（如CRYSTALS-Kyber）的集成
2. 基于SRT（Secure Reliable Transport）协议的优化传输
3. 零信任架构下的持续认证机制

网络管理员应根据实际业务需求，在安全强度与运营成本间寻求合理平衡，定期更新加密策略以应对不断演变的威胁环境。