隧道技术

隧道技术（Tunneling）是一种通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式。使用隧道传递的数据（或负载）可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将其它协议的数据帧或包重新封装然后通过隧道发送。新的帧头提供路由信息，以便通过互联网传递被封装的负载数据。

中文名：隧道技术

实现：隐藏私有的网络地址

外文名：Tunneling

应用：概述提供PPTP客户机

1、作用

这里所说的隧道类似于点到点的连接。这种方式能够使来自许多信息源的网络业务在同一个基础设施中通过不同的隧道进行传输。隧道技术使用点对点通信协议代替了交换连接，通过路由网络来连接数据地址。隧道技术允许授权移动用户或已授权的用户在任何时间、任何地点访问企业网络。

通过隧道的建立，可实现：

*将数据流强制送到特定的地址

*隐藏私有的网络地址

*在IP网上传递非IP数据包

*提供数据安全支持

进入21世纪以来出现了一些新的隧道技术，并在不同的系统中得到运用和拓展。

2、点对点隧道协议

PPTP（PointtoPointTunnelingProtocol）提供PPTP客户机和PPTP服务器之间的加密通信。PPTP客户机是指运行了该协议的PC机，如启动该协议的Windows95/98；PPTP服务器是指运行该协议的服务器，如启动该协议的WindowsNT服务器。PPTP是PPP协议的一种扩展。它提供了一种在互联网上建立多协议的安全虚拟专用网（VPN）的通信方式。远端用户能够透过任何支持PPTP的ISP访问公司的专用网。

通过PPTP，客户可采用拨号方式接入公用IP网。拨号用户首先按常规方式拨到ISP的接入服务器（NAS），建立PPP连接；在此基础上，用户进行二次拨号建立到PPTP服务器的连接，该连接称为PPTP隧道，实质上是基于IP协议的另一个PPP连接，其中的IP包可以封装多种协议数据，包括TCP／IP、IPX和NetBEUI。PPTP采用了基于RSA公司RC4的数据加密方法，保证了虚拟连接通道的安全。对于直接连到互联网的用户则不需要PPP的拨号连接，可以直接与PPTP服务器建立虚拟通道。PPTP把建立隧道的主动权交给了用户，但用户需要在其PC机上配置PPTP，这样做既增加了用户的工作量，又会给网络带来隐患。另外，PPTP只支持IP作为传输协议。

3、第二层转发协议

L2F(LayerTwoForwardingprotocol)是由Cisco公司提出的可以在多种介质，如ATM、帧中继、IP网上建立多协议的安全虚拟专用网的通信。远端用户能通过任何拨号方式接入公用IP网，首先按常规方式拨到ISP的接入服务器（NAS），建立PPP连接；NAS根据用户名等信息，建立直达HGW服务器的第二重连接。在这种情况下，隧道的配置和建立对用户是完全透明的。

4、第二层隧道协议

L2TP（LayerTwoTunnelingProtocol）结合了L2F和PPTP的优点，允许用户从客户端或访问服务器端建立VPN连接。L2TP是把链路层的PPP帧装入公用网络设施，如IP、ATM、帧中继中进行隧道传输的封装协议。

Cisco、Ascend、Microsoft和RedBack公司的专家们在修改了十几个版本后，终于在1999年8月公布了L2TP的标准RFC2661。目前用户拨号访问Internet时，必须使用IP协议，并且其动态得到的IP地址也是合法的。L2TP的好处在于支持多种协议，用户可以保留原有的IPX、Appletalk等协议或公司原有的IP地址。L2TP还解决了多个PPP链路的捆绑问题，PPP链路捆绑要求其成员均指向同一个NAS，L2TP则允许在物理上连接到不同NAS的PPP链路，在逻辑上的终点为同一个物理设备。L2TP扩展了PPP连接，在传统的方式中用户通过模拟电话线或ISDN/ADSL与网络访问服务器建立一个第2层的连接，并在其上运行PPP，第2层连接的终点和PPP会话的终点均设在同一个设备上(如NAS)。L2TP作为PPP的扩充提供了更强大的功能，包括允许第2层连接的终点和PPP会话的终点分别设在不同的设备上。

L2TP主要由LAC(L2TPAccessConcentrator)和LNS(L2TPNetworkServer)构成。LAC支持客户端的L2TP，发起呼叫，接收呼叫和建立隧道；LNS是所有隧道的终点。在传统的PPP连接中，用户拨号连接的终点是LAC，而L2TP能把PPP协议的终点延伸到LNS。

L2TP的建立过程。

1.用户通过公用电话网或ISDN拨号呼叫本地接入服务器LAC；LAC接受呼叫并进行基本的识别过程，这一过程可以采用几种标准，如域名、呼叫线路识别(CLID)或拨号ID业务(DNIS)等。

2.当用户被确认为合法企业用户时，就建立一个通向LNS的拨号VPN隧道。

3.企业内部的安全服务器如TACACS+、RADIUS对拨号用户进行验证。

4.LNS与远程用户交换PPP信息，分配IP地址。LNS可采用企业专用地址(未注册的IP地址)或服务提供商提供的地址空间分配IP地址。因为内部源IP地址与目的地IP地址实际上都通过服务提供商的IP网络在PPP信息包内传送，企业专用地址对提供者的网络是透明的。

5.端到端的数据从拨号用户传到LNS。

在实际应用中，LAC将拨号用户的PPP帧封装后，传送到LNS，后者去掉封装包头，取出PPP帧，再去掉PPP帧头，最后获得网络层数据包。

L2TP方式给服务提供商和用户带来了许多方便。用户不需要在PC板上安装专门的客户端软件，企业网可以使用未注册的IP地址，并在本地管理认证数据库，从而降低了应用成本和培训维护费用。

与PPTP和L2F相比，L2TP的优点在于提供了差错和流量控制；L2TP使用UDP封装和传送PPP帧。面向无连接的UDP无法保证网络数据的可靠传输，L2TP使用Nr（下一个希望接受的信息序列号）和Ns（当前发送的数据包序列号）字段进行流量和差错控制。双方通过序列号来确定数据包的顺序和缓冲区，一旦丢失数据，根据序列号可以进行重发。

作为PPP的扩展协议，L2TP支持标准的安全特性CHAP和PAP，可以进行用户身份认证。L2TP定义了控制包的加密传输，每个被建立的隧道分别生成一个独一无二的随机钥匙，以便对付欺骗性的攻击，但是它对传输中的数据并不加密。

5、GPRS协议

随着隧道技术的发展，各种业务已经开始根据本业务的特点制定相应的隧道协议。GPRS（GeneralPacketRadioService）中的隧道协议GTP（GPRSTunnelProtocol）就是一例。

GPRS是GSM提供的分组交换和分组传输方式的新的承载业务，可以应用在PLMN（PublicLandMobileNetwork）内部或应用在GPRS网与外部互联分组数据网（IP、X.25）之间的分组数据传送，GPRS能提供到现有数据业务的无缝连接。它在GSM网络中增加了两个节点：服务GPRS支持节点（SGSN─servingGPRSsupportnode）和网关GPRS支持节点（GGSN─GatewayGPRSsupportnode）。

SGSN是GPRS骨干网与无线接入网之间的接口，它将分组交换到正确的基站子系统（BSS）。其任务包括提供对移动台的加密、认证、会话（session）管理、移动性管理和逻辑链路管理。它也提供到HLR等数据库的连接。

通过GPRS隧道协议可为多种协议的数据分组通过GPRS骨干网提供隧道。GTP根据所运载的协议需求，利用TCP或UDP协议来分别提供可靠的连接（如支持X.25的分组传输）和无连接服务（如IP分组）。

6、隧道技术如何实现

对于象PPTP和L2TP这样的第2层隧道协议，创建隧道的过程类似于在双方之间建立会话；隧道的两个端点必须同意创建隧道并协商隧道各种配置变量，如地址分配，加密或压缩等参数。绝大多数情况下，通过隧道传输的数据都使用基于数据报的协议发送。隧道维护协议被用来作为管理隧道的机制。

第3层隧道技术通常假定所有配置问题已经通过手工过程完成。这些协议不对隧道进行维护。与第3层隧道协议不同，第2层隧道协议（PPTP和L2TP）必须包括对隧道的创建，维护和终止。

隧道一旦建立，数据就可以通过隧道发送。隧道客户端和服务器使用隧道数据传输协议准备传输数据。例如，当隧道客户端向服务器端发送数据时，客户端首先给负载数据加上一个隧道数据传送协议包头，然后把封装的数据通过互联网络发送，并由互联网络将数据路由到隧道的服务器端。隧道服务器端收到数据包之后，去除隧道数据传输协议包头，然后将负载数据转发到目标网络。

7、隧道协议和基本隧道要求

因为第2层隧道协议（PPTP和L2TP）以完善的PPP协议为基础，因此继承了一整套的特性。

1.用户验证

第2层隧道协议继承了PPP协议的用户验证方式。许多第3层隧道技术都假定在创建隧道之前，隧道的两个端点相互之间已经了解或已经经过验证。一个例外情况是IPSec协议的ISAKMP协商提供了隧道端点之间进行的相互验证。

2.令牌卡（Tokencard）支持

通过使用扩展验证协议（EAP），第2层隧道协议能够支持多种验证方法，包括一次性口令（one-timepassword)，加密计算器（cryptographiccalculator）和智能卡等。第3层隧道协议也支持使用类似的方法，例如，IPSec协议通过ISAKMP/Oakley协商确定公共密钥证书验证。

3.动态地址分配

第2层隧道协议支持在网络控制协议（NCP）协商机制的基础上动态分配客户地址。第3层隧道协议通常假定隧道建立之前已经进行了地址分配。目前IPSec隧道模式下的地址分配方案仍在开发之中。

4.数据压缩

第2层隧道协议支持基于PPP的数据压缩方式。例如，微软的PPTP和L2TP方案使用微软点对点加密协议（MPPE）。IETP正在开发应用于第3层隧道协议的类似数据压缩机制。

5.数据加密

第2层隧道协议支持基于PPP的数据加密机制。微软的PPTP方案支持在RSA/RC4算法的基础上选择使用MPPE。第3层隧道协议可以使用类似方法，例如，IPSec通过ISAKMP/Oakley协商确定几种可选的数据加密方法。微软的L2TP协议使用IPSec加密保障隧道客户端和服务器之间数据流的安全。

6.密钥管理

作为第2层协议的MPPE依靠验证用户时生成的密钥，定期对其更新。IPSec在ISAKMP交换过程中公开协商公用密钥，同样对其进行定期更新。

7.多协议支持

第2层隧道协议支持多种负载数据协议，从而使隧道客户能够访问使用IP，IPX，或NetBEUI等多种协议企业网络。相反，第3层隧道协议，如IPSec隧道模式只能支持使用IP协议的目标网络。

8、隧道类型

1.自愿隧道（Voluntarytunnel)

用户或客户端计算机可以通过发送VPN请求配置和创建一条自愿隧道。此时，用户端计算机作为隧道客户方成为隧道的一个端点。

2.强制隧道（Compulsorytunnel）

由支持VPN的拨号接入服务器配置和创建一条强制隧道。此时，用户端的计算机不作为隧道端点，而是由位于客户计算机和隧道服务器之间的远程接入服务器作为隧道客户端，成为隧道的一个端点。

目前，自愿隧道是最普遍使用的隧道类型。以下，将对上述两种隧道类型进行详细介绍。

自愿隧道

当一台工作站或路由器使用隧道客户软件创建到目标隧道服务器的虚拟连接时建立自愿隧道。为实现这一目的，客户端计算机必须安装适当的隧道协议。自愿隧道需要有一条IP连接（通过局域网或拨号线路）。使用拨号方式时，客户端必须在建立隧道之前创建与公共互联网络的拨号连接。一个最典型的例子是Internet拨号用户必须在创建Internet隧道之前拨通本地ISP取得与Internet的连接。

对企业内部网络来说，客户机已经具有同企业网络的连接，由企业网络为封装负载数据提供到目标隧道服务器路由。

大多数人误认为VPN只能使用拨号连接。其实，VPN只要求支持IP的互联网络。一些客户机（如家用PC）可以通过使用拨号方式连接Internet建立IP传输。这只是为创建隧道所做的初步准备，并不属于隧道协议。

强制隧道

目前，一些商家提供能够代替拨号客户创建隧道的拨号接入服务器。这些能够为客户端计算机提供隧道的计算机或网络设备包括支持PPTP协议的前端处理器（FEP），支持L2TP协议的L2TP接入集线器（LAC）或支持IPSec的安全IP网关。本文将主要以FEP为例进行说明。为正常的发挥功能，FEP必须安装适当的隧道协议，同时必须能够当客户计算机建立起连接时创建隧道。

以Internet为例，客户机向位于本地ISP的能够提供隧道技术的NAS发出拨号呼叫。例如，企业可以与某个ISP签定协议，由ISP为企业在全国范围内设置一套FEP。这些FEP可以通过Internet互联网络创建一条到隧道服务器的隧道，隧道服务器与企业的专用网络相连。这样，就可以将不同地方合并成企业网络端的一条单一的Internet连接。

因为客户只能使用由FEP创建的隧道，所以称为强制隧道。一旦最初的连接成功，所有客户端的数据流将自动的通过隧道发送。使用强制隧道，客户端计算机建立单一的PPP连接，当客户拨入NAS时，一条隧道将被创建，所有的数据流自动通过该隧道路由。可以配置FEP为所有的拨号客户创建到指定隧道服务器的隧道，也可以配置FEP基于不同的用户名或目的地创建不同的隧道。

自愿隧道技术为每个客户创建独立的隧道。FEP和隧道服务器之间建立的隧道可以被多个拨号客户共享，而不必为每个客户建立一条新的隧道。因此，一条隧道中可能会传递多个客户的数据信息，只有在最后一个隧道用户断开连接之后才终止整条隧道。

高级安全功能

虽然Internet为创建VPN提供了极大的方便，但是需要建立强大的安全功能以确保企业内部网络不受到外来攻击，确保通过公共网络传送的企业数据的安全。

9、PPTP与L2TP

PPTP和L2TP都使用PPP协议对数据进行封装，然后添加附加包头用于数据在互联网络上的传输。尽管两个协议非常相似，但是仍存在以下几方面的不同：

1.PPTP要求互联网络为IP网络。L2TP只要求隧道媒介提供面向数据包的点对点的连接。L2TP可以在IP（使用UDP），桢中继永久虚拟电路（PVCs),X.25虚拟电路（VCs）或ATMVCs网络上使用。

2.PPTP只能在两端点间建立单一隧道。L2TP支持在两端点间使用多隧道。使用L2TP，用户可以针对不同的服务质量创建不同的隧道。

3.L2TP可以提供包头压缩。当压缩包头时，系统开销（overhead）占用4个字节，而PPTP协议下要占用6个字节。

4.L2TP可以提供隧道验证，而PPTP则不支持隧道验证。但是当L2TP或PPTP与IPSEC共同使用时，可以由IPSEC提供隧道验证，不需要在第2层协议上验证隧道。　

10、IPSec隧道模式

IPSEC是第3层的协议标准，支持IP网络上数据的安全传输。本文将在“高级安全”一部分中对IPSEC进行详细的总体介绍，此处仅结合隧道协议讨论IPSEC协议的一个方面。除了对IP数据流的加密机制进行了规定之外，IPSEC还制定了IPoverIP隧道模式的数据包格式，一般被称作IPSEC隧道模式。一个IPSEC隧道由一个隧道客户和隧道服务器组成，两端都配置使用IPSEC隧道技术，采用协商加密机制。

为实现在专用或公共IP网络上的安全传输，IPSEC隧道模式使用的安全方式封装和加密整个IP包。然后对加密的负载再次封装在明文IP包头内通过网络发送到隧道服务器端。隧道服务器对收到的数据报进行处理，在去除明文IP包头，对内容进行解密之后，获的最初的负载IP包。负载IP包在经过正常处理之后被路由到位于目标网络的目的地。

IPSEC隧道模式具有以下功能和局限：

1.只能支持IP数据流

2.工作在IP栈（IPstack）的底层，因此，应用程序和高层协议可以继承IPSEC的行为。

3.由一个安全策略（一整套过滤机制）进行控制。安全策略按照优先级的先后顺序创建可供使用的加密和隧道机制以及验证方式。当需要建立通讯时，双方机器执行相互验证，然后协商使用何种加密方式。此后的所有数据流都将使用双方协商的加密机制进行加密，然后封装在隧道包头内。