IPSec 报文结构笔记：AH / ESP × 传输 / 隧道

整理自一道 IPSec 连线题的复盘。重点是记住封装顺序和判断方法，而不是死记图

一、结论速记

只要涉及 IPSec 报文结构，顺序是固定的：

New IP  ->  AH  ->  ESP  ->  Orig IP  ->  Data  ->  ESP Trailer  ->  ESP Auth

三条速判规则：

1. 尾部出现 ESP Trailer / ESP Auth data → 一定用了 ESP
2. 同时出现 AH Header → AH 与 ESP 是组合使用
3. 出现两套 IP 头（New IP + Raw IP）→ 隧道模式；只有一套 → 传输模式

二、两个协议：AH 与 ESP

协议	IP 协议号	是否加密	完整性 / 认证	防重放	典型用途
AH	51	不加密	支持	支持	只要求防篡改、允许明文可见的场景
ESP	50	支持	支持	支持	绝大多数生产 VPN

AH 的认证范围覆盖尽可能多的字段，包括外层 IP 头的不可变字段，可变字段（TTL、首部校验和等）不参与计算

ESP 把加密和认证合在一起，但它的认证不覆盖外层 IP 头，所以在 NAT 场景下比 AH 好处理

三、两种模式：传输与隧道

模式	保护对象	IP 头数量	新增开销	典型场景
传输模式 Transport	只保护上层载荷	1 套（原 IP 头）	小	主机到主机，端到端
隧道模式 Tunnel	保护整个原始 IP 报文	2 套（新 IP 头 + 原 IP 头）	大	网关到网关，站点互联

关键理解：隧道模式会把整个原始报文连 IP 头一起当作货物封装，原始 IP 头因此变成载荷的一部分

这就是题目里 Raw IP Header 的含义，它不是多余字段，而是被封装进去的内层报文头部

四、五种报文形态总览

组合	报文结构
① AH 传输	[Orig IP] [AH] [Data]
② AH 隧道	[New IP] [AH] [Orig IP] [Data]
③ ESP 传输	[Orig IP] [ESP] [Data] [ESP Trailer] [ESP Auth]
④ ESP 隧道	[New IP] [ESP] [Orig IP] [Data] [ESP Trailer] [ESP Auth]
⑤ AH + ESP 隧道	[New IP] [AH] [ESP] [Orig IP] [Data] [ESP Trailer] [ESP Auth]

从上表可以直接读出三条规律：

• 有 Trailer / Auth 的一定是 ESP
• 有 New IP 的一定是隧道模式
• AH 与 ESP 同时出现时，AH 永远在 ESP 外面

五、AH + ESP 隧道模式：逐字段拆解

这是最完整的一种形态，也是考试最爱考的一种：

字段	作用
New IP Header	由隧道入口点新增，源/目的地址是隧道两端地址
AH Header	下一个头、载荷长度、SPI、序列号、ICV；认证 + 完整性 + 防重放，不加密
ESP Header	SPI（32 bit）+ 序列号（32 bit）；标识 SA 并防重放
Raw IP Header	被整个封装进隧道的原始报文头部，此时已经是载荷的一部分
Data	原始上层数据
ESP Trailer	填充 + 填充长度 + 下一个头；用于分组加密对齐、标识内层协议
ESP Auth data	ICV 完整性校验值，由 HMAC 计算得到

为什么 AH 在 ESP 外面

组合使用时的封装顺序是先 ESP 后 AH：

1. 对原始报文做 ESP 封装：加密载荷，附加 ESP Trailer，计算 ESP ICV
2. 在 ESP 报文外面再套 AH：AH 的认证范围覆盖 ESP 头及其内部所有内容

这样 AH 能把 ESP 头里的 SPI 和序列号也纳入保护，覆盖范围最完整

反过来如果把 ESP 放在 AH 外面，AH 头会被加密，认证范围和保护效果都会变差

六、保护范围对照

范围	覆盖字段	说明
ESP 加密	Orig IP + Data + ESP Trailer	隧道模式下整个原始报文都被加密
ESP 认证	ESP 头 + Orig IP + Data + ESP Trailer	ICV 附在报文尾部，不覆盖外层 IP 头
AH 认证	AH 头 + ESP 头 + Orig IP + Data + ESP Trailer + ESP Auth + New IP 不可变字段	可变字段（TTL、首部校验和等）不参与计算

容易记混的一点：ESP 头本身不加密，但会被 ESP 认证覆盖；AH 头既不被加密也不被自己加密，它就是用来算校验值的

七、一道连线题的复盘

题干形态还原：

按隧道模式 IPSec 报文的结构，把左侧字段拖到右侧对应位置

字段：New IP Header / AH Header / ESP Header / Raw IP Header

报文：[ 1 ][ 2 ][ 3 ][ 4 ][ Data ][ ESP Trailer ][ ESP Auth data ]

参考答案：

1 = New IP Header
2 = AH Header
3 = ESP Header
4 = Raw IP Header

判断过程：

1. 尾部有 ESP Trailer 和 ESP Auth data  ->  用了 ESP
2. 选项里同时给了 AH Header，报文也留了 4 个空位  ->  AH 与 ESP 组合使用
3. 同时存在 New IP Header 与 Raw IP Header  ->  隧道模式
4. 按固定顺序填：New IP -> AH -> ESP -> Raw IP

常见错法：

1. 把 ESP 头放在 AH 头外面，写成 New IP -> ESP -> AH -> Raw IP
2. 认为隧道模式只有新 IP 头，把 Raw IP Header 当成干扰项
3. 只看到 ESP 尾就按纯 ESP 隧道作答，忽略了 AH Header 这个选项

八、记忆口诀

新头套 AH，AH 套 ESP，ESP 里头装原报文
先加密，后认证，AH 永远在外层
两套 IP 头是隧道，有尾有认证是 ESP

九、延伸：NAT 穿越

• AH 的认证覆盖外层 IP 头，地址被 NAT 改写后 ICV 校验必然失败，所以 AH 基本无法穿越 NAT
• ESP 没有端口号，多数 NAT 设备难以建立映射，因此引入 NAT-T，把 ESP 封装进 UDP 4500
• 这也是生产环境里 ESP 隧道模式远比 AH 常见的原因

十、参考标准

标准	内容
RFC 4301	IPsec 体系架构，SA 组合与处理模型
RFC 4302	AH 协议定义
RFC 4303	ESP 协议定义
RFC 3948	UDP 封装 ESP，即 NAT-T