2018年7月29日星期日

用 strongSwan 配一个支持 AEAD 的远程访问 IKEv2 VPN

前言

IKEv2/IPsec 是一套网络层数据加密方案，它可以配置为点到点、站到站、网状网（Cisco DMVPN）、远程访问。IKEv2/IPsec 远程访问 VPN 十分适合于远程办公的场景。
IKEv2/IPsec 有两个组成部分，IKEv2 负责对通信双方进行鉴权并协商临时密钥，IPsec 负责匹配给定的流量规则并加密数据。
IPsec 有两种模式，AH 和 ESP。AH 只进行真实性校验，不加密；ESP 既做真实性校验又加密。实际应用中，AH 因为不支持 NAT 穿隧而并没有什么用处。如果真的有不加密的需求，可以将 ESP 的加密模式设置成 null。
其中，ESP 也有两种模式，transport 和 tunnel。Transport 模式下，加密载荷里直接就是传输层段或者报文，因而只能加密两个端点之间的连接；tunnel 模式下，加密载荷里有第二层 IP 报头，不仅可以进行路由，还可以给 NAT 后的客户端分配虚拟 IP 地址。
综上所述，我们要配置的 IPsec 模式应为 ESP tunnel。

关于认证阶段

IKEv2 的认证分为两个阶段。
Phase 1：双方鉴权和协商 IKE_SA，使用 UDP 500 端口。对于远程访问 VPN 来说，客户端验证服务端的 PKI 证书，服务端验证客户端的用户名密码。
Phase 2：建立隧道和协商 CHILD_SA，使用 IP 50 协议或 UDP 4500 端口（若启用 NAT 穿隧）。双方根据配置好的规则来决定哪些流量需要加密。对于远程访问 VPN 来说，客户端会请求加密全部流量（0.0.0.0/0 和 ::/0）。
随后，双方配置操作系统的 IPsec Policy 来把流量加密转发到 IP 50 协议或 UDP 4500 端口上。
为了保证同一个临时密钥不使用太长时间，IKEv2 会每隔一段时间 rekey 一次。在本例，我们关闭服务端的 rekey，将 rekey 的任务交给客户端，否则会因为双方同时 rekey 而掉线。

软件环境

服务端：Debian testing (10.0pre)，strongSwan 5.7.1，systemd 239，AppArmor 2.12。
客户端：Windows 10 Pro 1803、macOS High Sierra 10.13.6、iOS 11.4.1。
如果你在用旧版的 Debian 或者 Ubuntu，强烈建议你打开 updates 和 backports 源。其中 updates 包含版本内功能更新，backports 包含跨版本功能更新。

步骤一：安装依赖

sudo apt update
sudo apt install certbot charon-systemd iptables-persistent libcharon-extra-plugins libstrongswan-extra-plugins ndppd
本文使用了新版 strongSwan 的部分新功能，所以请务必确认 strongSwan 的版本高于 5.7.1。
如果你曾经安装过 strongSwan，强烈建议你使用以下命令清空 strongSwan 的全部配置：
sudo apt --reinstall -o Dpkg::Options::="--force-confask,confmiss" install charon-systemd iptables-persistent libcharon-extra-plugins libstrongswan-extra-plugins

步骤二：申请 Let's Encrypt 证书

如果你已经有在开 HTTPS 业务，那么直接把 TLS 证书拿来用就好。
没有的话用 certbot 申请一个 Let's Encrypt 的证书：
sudo certbot certonly --standalone -d example.com
sudo ln -s /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem /etc/swanctl/private/example.com.key
一切顺利的话证书已经躺在 /etc/letsencrypt/live 里了。证书需要每隔 90 天续期一次，幸运的是 systemd 的 certbot.timer 会自动启动 certbot 来续期。不过续期之后 strongSwan 并不会自动重启，你可以在 /etc/letsencrypt/renewal-hooks 里写个脚本。

步骤三：配置 AppArmor

Debian 会默认给 strongSwan 打开 AppArmor。这样的话 strongSwan 就读取不到我们的证书文件了。在 /etc/apparmor.d/local/usr.sbin.swanctl 里加入：
/etc/letsencrypt/       r,
/etc/letsencrypt/**     r,

步骤四：配置日志

在遇到问题的时候有日志看是很重要的，因此我们要先打开必要的日志。在 /etc/strongswan.d/charon-systemd.conf 里写上：
charon-systemd {

    # Section to configure native systemd journal logger, very similar to the
    # syslog logger as described in LOGGER CONFIGURATION in strongswan.conf(5).
    journal {

        # Loglevel for a specific subsystem.
        # <subsystem> = <default>

        # Default loglevel.
        # default = 1

        cfg = 2
        ike = 2

    }

}

步骤五：配置 swanctl

strongSwan 有两套配置系统：旧的一套是 ipsec.conf，使用 stroke 插件来启动；新的一套是 swanctl.conf，使用 vici 插件来启动。我们将使用新的 swanctl.conf 系统。虽然网络上关于 swantl.conf 的文档和资料还比较少，但是配置起来更加灵活。
在 /etc/swanctl/swanctl.conf 里加入：
authorities {
    lets-encrypt {
        file = /etc/letsencrypt/live/example.com/chain.pem
    }
}

connections {
    ikev2 {
        version = 2
        local_addrs = %any
        remote_addrs = %any
        # 这是 Windows 10 和 macOS High Sierra 兼容的最优 Phase 1 加密套件。如果你的客户端支持更好的加密套件，可以在这里写上。
        proposals = chacha20poly1305-aes256gcm16-prfsha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256,aes256-sha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256,aes256gcm16-prfsha384-modp1024,aes256-sha256-ecp256
        dpd_delay = 30s
        send_certreq = no
        send_cert = always
        rekey_time = 0s
        pools = pool-ipv4,pool-ipv6
        local {
            certs = /etc/letsencrypt/live/example.com/cert.pem
            id = example.com
        }
        remote {
            eap_id = %any
            auth = eap-mschapv2
        }
        children {
            ikev2 {
                # 这是 Windows 10 和 macOS High Sierra 兼容的最优 Phase 2 加密套件。如果你的客户端支持更好的加密套件，可以在这里写上。
                esp_proposals = chacha20poly1305-aes256gcm16-prfsha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256-modpnone-esn-noesn,aes256-sha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256-modpnone-esn-noesn,aes256-sha256-sha1
                local_ts = 0.0.0.0/0,::/0
                rekey_time = 0s
            }
        }
    }
}

secrets {
    eap-1 {
        # 两个客户端不可以共用同一个用户名，否则会发生 IP 地址冲突。如果有多个客户端，请分配多个用户名。
        secret = 用户1和用户2共用的密码
        id-user1 = 用户名1
        id-user2 = 用户名2
    }
    eap-2 {
        secret = 用户3的密码
        id-user3 = 用户名3
    }
    private-1 {
        file = example.com.key
    }
}

pools {
    pool-ipv4 {
        # 这里也可以写 100.100.100.129-100.100.100.254 的格式，或者换成你想要的 IPv4 地址段。
        addrs = 100.100.100.128/25
        dns = 8.8.8.8,8.8.4.4
    }
    pool-ipv6 {
        # 改成上游 ISP 分配的 IPv6 子网的一小段。
        addrs = 2001:db8::/97
        dns = 2001:4860:4860::8888,2001:4860:4860::8844
    }
}

步骤六：配置 IPv4 NAT

在 /etc/iptables/rules.v4 加入：
*nat
:PREROUTING ACCEPT [31:5739]
:INPUT ACCEPT [31:5739]
:OUTPUT ACCEPT [28:3794]
:POSTROUTING ACCEPT [11:1486]
-A POSTROUTING -m policy --pol ipsec --dir out -j ACCEPT
-A POSTROUTING -s 100.100.100.128/25 -o eth0 -j MASQUERADE
COMMIT

步骤七：配置 IPv6 NDP Proxy

在 /etc/ndppd.conf 加入：
# 改成你的出站设备名
proxy eth0 {
    # 改成上游 ISP 分配的 IPv6 子网的一小段。
    rule 2001:db8::/97 {
        static
    }
}

步骤八：启用 IP 转发

在 /etc/sysctl.d/50-ip-forwarding.conf 里写上：
net.ipv4.ip_forward = 1
net.ipv6.conf.all.forwarding = 1
注意当开启 IPv6 转发的时候，SLAAC 会被默认关闭。如果你通过 SLAAC 从上游 ISP 收取 IPv6 地址，那么需要将其手动打开：（可选）
net.ipv6.conf.eth0.accept_ra = 2
或者，如果你使用 /etc/network/interfaces、NetworkManager、systemd-networkd 来配置网络，只需要打开 SLAAC 开关即可。

步骤九：启动服务

注意：StrongSwan 5.8.0 变更了服务名称。如果你的 strongSwan 版本高于 5.8.0，请将以下所有的 strongswan-swanctl 替换成 strongswan。
sudo systemctl restart apparmor
# 禁用旧版 ipsec.conf 配置服务
sudo systemctl disable --now strongswan
sudo systemctl restart netfilter-persistent ndppd strongswan-swanctl systemd-sysctl
sudo systemctl enable certbot.timer netfilter-persistent ndppd strongswan-swanctl

步骤十：连接客户端

在开始之前，我强烈建议在一台空闲的电脑上连接 VPN 网关，输入：
sudo journalctl -u strongswan-swanctl -f
来查看实时滚动日志。

Windows

在 Windows 设置里，进入 Network & Internet → VPN → Add a VPN connection。
VPN provider:Windows (built-in)
Connection name:随意
Server name or address:服务器的域名
VPN type:IKEv2
User name:用户名
Password:密码
如果提示 Error 13801: IKE authentication credentials are unacceptable，那么请用 certmgr.msc 导入 Let's Encrypt Authority X3 中间证书。
如果还是不行，就导入这条注册表项：
Windows Registry Editor Version 5.00

[HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\RasMan\Parameters]
"DisableIKENameEkuCheck"=dword:00000001

macOS

在 macOS 系统偏好设置里，进入 Network，点击左边栏底部的「+」。
Interface:VPN
VPN Type:IKEv2
Service Name:随意
Server Address:服务器的域名或 IP 地址（如果填域名连接超时就填 IP 地址）
Remote ID:服务器的域名，不能填 IP 地址
Local ID:留空
Authentication Settings:Username
Username:用户名
Password:密码

iOS

在 iOS 的设置里，进入 VPN → Add VPN Configuration。
Type:IKEv2
Description:随意
Server:服务器的域名或 IP 地址（如果填域名连接超时就填 IP 地址）
Remote ID:服务器的域名，不能填 IP 地址
Local ID:留空
Uesr Authentication:Username
Username:用户名
Password:密码

Linux 和 Android

Linux 用户只需要将 swanctl.conf 的内容反过来填就成了客户端配置。
对于 Android 用户，可以去 Google Play 下载 strongSwan 客户端。

如何配置默认网关

Windows 默认不把所有流量都发送到 VPN，macOS 和 iOS 则相反。如果要改变这个设置，可以根据以下步骤来操作。

Windows

IPv4：在 Windows 设置里，进入 Network & Internet → Status → Network and Sharing Center → Change adapter settings → VPN (IKEv2) → 右键属性 → Networking → TCP/IPv4 → Properties → Advanced → IP Settings → Use default gateway on remote network。
IPv6：虽然 TCP/IPv6 里也有这个名字的选项，但是实际上无效。要想设置 IPv6 的默认网关，请打开 PowerShell，输入：
Add-VpnConnectionRoute "连接名" ::/1
Add-VpnConnectionRoute "连接名" 8000::/1

macOS

VPN 已断开的状态下，在 macOS 系统偏好设置里，进入 Network，选择 VPN (IKEv2)，点击 Advanced，在 Options 选项卡内，勾选 Send all traffic over VPN connection。

如何打开 AEAD（仅 Windows 10 支持）

AEAD 可以在同一个算法内实现加密和校验，能够提高连接的安全性。
请打开 PowerShell，输入：
Set-VpnConnectionIPsecConfiguration -ConnectionName "连接名" -AuthenticationTransformConstants GCMAES256 -CipherTransformConstants GCMAES256 -EncryptionMethod GCMAES256 -IntegrityCheckMethod SHA384 -PfsGroup ECP384 -DHGroup ECP384 -Force

备用：旧版 ipsec.conf 配置

这是过时的 ipsec.conf 配置文件，仅供参考，不要使用。
config setup
    charondebug = "cfg 2, ike 2"

ca lets-encrypt
    cacert = /etc/letsencrypt/live/example.com/chain.pem
    auto = add

conn ikev2
    left = %any
    leftauth = pubkey
    leftcert = /etc/letsencrypt/live/example.com/cert.pem
    leftid = @example.com
    leftsendcert = always
    leftsubnet = 0.0.0.0/0,::/0
    right = %any
    rightauth = eap-mschapv2
    rightdns = 8.8.8.8,8.8.4.4,2001:4860:4860::8888,2001:4860:4860::8844
    rightsendcert = never
    rightsourceip = 100.100.100.128/25,2001:db8::/97
    auto = add
    dpdaction = clear
    eap_identity = %any
    esp = chacha20poly1305-aes256gcm16-prfsha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256-modpnone-esn-noesn,aes256-sha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256-modpnone-esn-noesn,aes256-sha256-sha1!
    ike = chacha20poly1305-aes256gcm16-prfsha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256,aes256-sha384-curve25519-ecp384-modp3072-ecp256,aes256gcm16-prfsha384-modp1024,aes256-sha256-ecp256!
    keyexchange = ikev2
    rekey = no
/etc/ipsec.secrets
# ln -s /etc/letsencrypt/live/example.com/privkey.pem /etc/ipsec.d/private/example.com.key
: RSA "example.com.key"

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用户名2 : EAP "用户2的密码"
用户名3 : EAP "用户3的密码"
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