一、实验背景与目标

在分布式系统与远程办公场景中，IPSec VPN通过加密隧道实现跨网络的安全通信，已成为企业级网络架构的核心组件。本实验以Linux系统（Ubuntu 22.04）为环境，基于StrongSwan工具部署IPSec VPN网关，目标包括：

1. 完成IPSec网关的基础配置，实现两节点间的加密通信；
2. 验证IKE（Internet Key Exchange）与ESP（Encapsulating Security Payload）协议的交互流程；
3. 优化隧道性能，解决常见部署问题（如NAT穿透、MTU碎片）。

实验拓扑采用双节点模型：Node A（192.168.1.100）作为VPN服务器，Node B（192.168.2.100）作为客户端，中间通过路由器模拟公网环境。

二、实验环境准备

1. 软件与工具

• StrongSwan：开源IPSec实现，支持IKEv1/IKEv2协议。
• Wireshark：抓包分析工具，用于验证协议交互。
• Linux系统：需开启内核的IPSec支持（CONFIG_IPSEC模块）。

2. 网络配置

• 关闭两节点的防火墙临时规则（实验后需恢复）：

  sudo ufw disable  # Ubuntu系统

• 配置静态IP地址，确保基础网络连通性：

  # Node A配置
  sudo nano /etc/netplan/01-netcfg.yaml
  network:
    version: 2
    ethernets:
      eth0:
        dhcp4: no
        addresses: [192.168.1.100/24]
        gateway4: 192.168.1.1
  sudo netplan apply

三、IPSec VPN网关部署步骤

1. 安装StrongSwan

sudo apt update
sudo apt install strongswan libcharon-extra-plugins -y

验证安装：

sudo ipsec version  # 应显示StrongSwan 5.x版本

2. 配置IKE策略（Phase 1）

编辑/etc/ipsec.conf，定义IKEv2预共享密钥认证：

config setup
  charondebug="ike 2, knl 2, cfg 2"  # 调试日志级别
  uniqueids=no  # 允许多客户端复用ID
conn vpn-tunnel
  auto=add
  keyexchange=ikev2
  authby=secret
  left=192.168.1.100  # 服务器IP
  leftsubnet=10.0.0.0/24  # 服务器侧内网
  right=192.168.2.100  # 客户端IP
  rightsubnet=10.0.1.0/24  # 客户端侧内网
  ike=aes256-sha256-modp3072!  # 加密算法组合
  esp=aes256-sha256!  # ESP加密算法
  keyingtries=%forever  # 持续重试密钥协商

3. 配置预共享密钥

在/etc/ipsec.secrets中定义密钥：

192.168.1.100 192.168.2.100 : PSK "YourStrongPreSharedKey"

4. 启动IPSec服务

sudo systemctl restart strongswan
sudo systemctl enable strongswan

5. 客户端配置（Node B）

客户端配置需对称设置，仅修改left/right参数：

conn vpn-tunnel
  left=192.168.2.100
  right=192.168.1.100
  # 其余参数与服务器端一致

四、实验验证与调试

1. 连接状态检查

sudo ipsec statusall  # 查看隧道状态

正常输出应显示STATE_V2_ESTABLISHED。

2. 抓包分析协议交互

在Node A执行：

sudo tcpdump -i eth0 host 192.168.2.100 and (udp port 500 or udp port 4500) -w ike.pcap

使用Wireshark打开ike.pcap，验证：

• IKE_INIT：包含SA载荷、KE（密钥交换）载荷；
• IKE_AUTH：包含IDi/IDr（身份认证）、AUTH（签名验证）载荷。

3. 常见问题处理

NAT穿透失败

若节点位于NAT后，需启用NAT-T（NAT Traversal）：

conn vpn-tunnel
  leftnattp=yes
  rightnattp=yes
  also=nat-traversal-yes  # 强制启用NAT-T

MTU碎片问题

调整ESP分片阈值（默认1400字节）：

conn vpn-tunnel
  fragmentation=yes
  rekey=yes
  rekeymargin=3m

五、性能优化策略

1. 算法选择优化

• 加密算法：优先选择AES-GCM（如aes256gcm16），兼顾安全性与性能；
• Diffie-Hellman组：使用modp4096替代modp3072，增强前向安全性。

2. 多线程处理

编辑/etc/strongswan.conf，启用多线程：

charon {
  threads = 16  # 根据CPU核心数调整
}

3. 连接保活机制

配置DPD（Dead Peer Detection）检测失效连接：

conn vpn-tunnel
  dpdaction=restart
  dpddelay=30s
  dpdtimeout=120s

六、实验总结与扩展应用

本实验成功部署了IPSec VPN网关，验证了IKEv2密钥协商与ESP数据加密流程。关键收获包括：

1. 协议理解：IKEv2通过两阶段协商（SA交换、身份认证）建立安全隧道；
2. 调试技巧：结合日志与抓包快速定位配置错误；
3. 性能优化：算法选择与保活机制显著提升稳定性。

扩展场景：

• 多客户端接入：通过right=%any配置动态客户端；
• 证书认证：替换预共享密钥为X.509证书，提升安全性；
• 高可用部署：使用Keepalived实现IPSec网关双活。

通过本实验，开发者可系统掌握IPSec VPN的核心技术，为构建企业级安全网络奠定基础。