IPSec 是 IPv4 和 IPv6 的安全扩展协议，提供访问控制、数据完整性及机密性。核心包含 AH、ESP 和 IKE 三个协议。AH 负责认证和完整性，ESP 增加加密功能。支持传输模式和隧道模式两种实现方式。IKE 用于密钥协商，分为主模式和快速模式。部署时需根据端到端或网络边界需求选择模式，并注意算法强度与 NAT 兼容性。
大型网络系统内运行多种网络协议（TCP/IP、IPX/SPX 和 NETBEUA 等），这些网络协议并非为安全通信设计。其 IP 协议维系着整个 TCP/IP 协议的体系结构，除了数据链路层外，TCP/IP 的所有协议的数据都是以 IP 数据报的形式传输的。
TCP/IP 协议族有两种 IP 版本：版本 4（IPv4）和版本 6（IPv6）。IPv6 是 IPv4 的后续版本，简化了 IP 头，其数据报更加灵活，同时 IPv6 增加了对安全性的考虑。目前占统治地位的是 IPv4，IPv4 在设计之初没有考虑安全性，IP 数据包本身并不具备任何安全特性，导致在网络上传输的数据很容易受到各式各样的攻击：比如伪造 IP 包地址、修改其内容、重播以前的包以及在传输途中拦截并查看包的内容等。因此，通信双方不能保证收到 IP 数据报的真实性。
为了加强因特网的安全性，从 1995 年开始，IETF 着手制定了一套用于保护 IP 通信的 IP 安全协议（IP Security, IPSec）。IPSec 是 IPv6 的一个组成部分，是 IPv4 的一个可选扩展协议。IPSec 弥补了 IPv4 在协议设计时缺乏安全性考虑的不足。
IPSec 定义了一种标准的、健壮的以及包容广泛的机制，可用它为 IP 以及上层协议（比如 TCP 或者 UDP）提供安全保证。IPSec 的目标是为 IPv4 和 IPv6 提供具有较强的互操作能力、高质量和基于密码的安全功能，在 IP 层实现多种安全服务，包括访问控制、数据完整性、机密性等。IPSec 通过支持一系列加密算法如 DES、三重 DES、IDEA 和 AES 等确保通信双方的机密性。
IPSec 协议簇中主要包括三个协议：IKE/AH/ESP
AH 虽然可以保护通信免受窜改，但并不对数据进行变形转换，数据对于黑客而言仍然是清晰的。为了有效地保证数据传输安全，ESP 进一步提供数据保密性并防止窜改。也就是说，AH 提供数据的可靠性和完整性，但机密性由 ESP 保护。虽然 AH 和 ESP 都可以提供身份认证，但它们有 2 点区别：ESP 要求使用高强度的加密算法，会受到许多限制。多数情况下，使用 AH 的认证服务已能满足要求，相对来说，ESP 开销较大。同时有两套不同的安全协议意味着可以对 IPSec 网络进行更细粒度的控制，选择安全方案可以有更大的灵活度。
IPSec 的实现方式有两种：传输模式和隧道模式，都可用于保护通信。
传输模式用于两台主机之间，保护传输层协议头，实现端到端的安全性。当数据包从传输层传送给网络层时，AH 和 ESP 会进行拦截，在 IP 头与上层协议之间需插入一个 IPSec 头。当同时应用 AH 和 ESP 到传输模式时，应该先应用 ESP，再应用 AH。
传输模式的封包结构如下所示： 外层 IP 头 -> IPSec 头 (AH/ESP) -> 原始 IP 头 -> 上层数据
隧道模式用于主机与服务器，或者服务器与服务器之间，保护整个 IP 数据包，将整个 IP 数据包进行封装（称为内部 IP 头），然后增加一个 IP 头（称为外部 IP 头），并在内部与外部 IP 头之间插入一个 IPSec 头。
隧道模式的封包结构如下所示： 外层 IP 头 -> IPSec 头 (AH/ESP) -> 原始 IP 头 -> 原始上层数据
IPSec 可在终端主机、网关/路由器或者两者中同时进行实施和配置。至于 IPSec 在网络什么地方配置，则由用户对安全保密的要求来决定。在需要确保端到端的通信安全时，在主机实施显得尤为有用。然而，在需要确保网络一部分的通信安全时，在路由器中实施 IPSec 就显得非常重要。
AH 为 IP 报文提高能够数据完整性校验和身份验证，还具备可选择的重放攻击保护，但不提供数据加密保护。AH 不对受保护的 IP 数据报的任何部分进行加密，除此之外，AH 具有 ESP 的所有其他功能。AH 和 ESP 同时保护数据，在顺序上，AH 在 ESP 之后，AH 格式如图：
头部（8 位）表示 AH 后的载荷类型，传输模式下是 6（TCP）或 17（UDP），隧道模式下是 5（TCP）或 41（UDP）。载荷长度（8 位）是整个 AH 的长度减 2，长度以 32 为单位。保留（16）位是保留字段，全为 0。安全参数索引（32 位）与外部 IP 头的目的地址一起对报文进行身份验证和完整性校验，序列号（32 位）是一个单向递增的计数器，提供抗重播能力。验证数据的长度由具体的验证算法决定。
对 AH 的处理分成 2 部分：
ESP 为 IP 报文提供数据完整性校验、身份验证、数据加密以及重放攻击保护等。除了 AH 提供的所有服务外，还提供机密性服务。ESP 可在传输模式以及隧道模式下使用。ESP 头可以位于 IP 头与上层协议之间，或者用它封装整个 IP 数据报。ESP 头的格式包含以下字段：
AH 和 ESP 可以单独使用，也可以同时使用。AH 和 ESP 同时使用时，报文会先进行 ESP 封装，再进行 AH 封装；IPsec 解封装时，先进行 AH 解封装，再进行 ESP 解封装。
整个 IKE 协议规范主要由 3 个文档定义：RFC2407、RFC2408 和 RFC2409。
IKE 协议属于一种混合型协议，它综合了 ISAKMP、Oakley 协议和 SKEME 协议这三个协议。其中，ISAKMP 定义了 IKE SA 的建立过程，Oakley 和 SKEME 协议的核心是 DH（Diffie-Hellman）算法，主要用于在 Internet 上安全地分发密钥、验证身份，以保证数据传输的安全性。IKE SA 和 IPSec SA 需要的加密密钥和验证密钥都是通过 DH 算法生成的，它还支持密钥动态刷新。
第一阶段的主要任务是建立 IKE SA，为后面的交换提供一个安全通信信道。使用主模式交换和积极模式交换。这两种模式都可以建立 SA，两者的区别在于积极模式只用到主模式一半的消息，因此积极模式的协商能力受到限制的，而且它不提供身份保护。但是积极模式可以有一些特殊用途，比如远程访问等。另外如果发起者已经知道响应者的策略，利用积极模式可以快速的建立 IKE SA。
主模式和积极模式都允许 4 种不同的验证方法：
快速模式交换主要是为通信双方协商 IPSec SA 的具体参数，并生成相关密钥。IKE SA 通过数据加密、消息验证来保护快速模式交换。快速模式交换和第一阶段交换相互关联，来产生密钥材料和协商 IPSec 的共享策略。快速模式交换的信息由 IKE SA 保护，即除了 ISA KMP 报头外，所有的载荷都需要加密，并且还要对消息进行验证。
在实际企业网络环境中部署 IPSec 时，应遵循以下原则以确保安全性和可维护性：
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使用加密算法（如AES、TripleDES、Rabbit或RC4）加密和解密文本明文。 在线工具，加密/解密文本在线工具，online
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