Libreswan软件的密钥协商协议IKEv1主模式实现分析
1 协商过程
IKEv1(互联网密钥交换协议第一版)是IPsec VPN隧道协商使用的标准密钥协商协议，其协商过程如下图所示。
总共来回交互6次消息。第一、第二消息用来双方协商在本次密钥交换过程中使用的保护策略，由发起方提供议案（Proposal），响应方从众多议案中选择其中一条作为本次协商使用；第三、第四条消息交换DH公钥以及使用对方公钥加密的各自的ID以及Nonce信息，通过这些信息建立共享密钥。其中HASH(1)代表对发起方用来加密使用的数字证书进行hash运算（hash函数由SA协商）产生的hash数据。第五、第六两条消息携带各自的加密后的认证内容验证共享密钥是否正确。该模式要求双方提前拥有对方的公钥信息。
2 主要函数
Libreswan是一款主流的IPsec VPN开源软件，其IKEv1主模式协商主要包含以下几个函数：
发起方
main_outI1
main_inR1_outI2
main_inR2_outI3
main_inR3
响应方
main_inI1_outR1
main_inI2_outR2
main_inI3_outR3
3 main_outI1发起方发送MI1消息
main_outI1生成发起方的state，构造HDR、SA、VID载荷，并发送出去。
关键函数：
生成state：new_state
初始化state并插入statetable中：initialize_new_state
构造HDR：out_struct
构造SA载荷：ikev1_out_sa
构造pluto VID载荷：ikev1_out_generic_raw
构造DPD/IKE分片/XAUTH VID载荷：out_vid
record_and_send_ike_msg()
4 main_inI1_outR1响应方处理MI1消息，发送MR1消息
main_inI1_outR1根据IP地址和端口号查找连接，生成响应方的state，解析MI1中的SA载荷，构造HDR、SA、VID载荷。
关键函数：
查找连接：find_host_connection
生成响应方的state ：new_rstate
将生成的state插入statetable中：insert_state
构造HDR：out_struct
构造SA头部：out_struct
解析发起方SA并构造SA主体：parse_isakmp_sa_body
构造pluto VID载荷：ikev1_out_generic_raw
构造DPD/IKE分片/XAUTH/NAT-T VID载荷out_vid
5 main_inR1_outI2发起方处理MR1消息，发送MI2消息
main_inR1_outI2解析响应方SA，生成一个pluto_crypto_req_cont变量ke挂起state，调用build_ke_and_nonce构造ke和nonce。
build_ke_and_nonce生成一个pluto_crypto_req请求rd，调用send_crypto_helper_request计算ke和nonce值保存在rd请求中。
send_crypto_helper_request计算ke和nonce值保存在rd请求中，并调用ke中的回调函数main_inR1_outI2_continue。
main_inR1_outI2_continue恢复挂起的state，并调用main_inR1_outI2_tail和complete_v1_state_transition。
main_inR1_outI2_tail构造HDR、KE、Ni、NAT-D载荷，重新插入st到statetable中。
关键函数：
解析响应方：parse_isakmp_sa_body
构造ke_nonce请求：build_ke_and_nonce
执行ke_nonce计算：send_crypto_helper_request
返回HDR：ikev1_echo_hdr
构造KE载荷：ikev1_ship_KE
构造Ni载荷：ikev1_ship_nonce
完成状态转移并发送数据包：complete_v1_state_transition
6 main_inI2_outR2响应方处理MI2消息，发送MR2消息
main_inI2_outR2解析MI2消息中的KE和Ni载荷，生成pluto_crypto_req_cont变量ke挂起state，调用build_ke_and_nonce。
build_ke_and_nonce生成pluto_crypto_req请求rd，调用send_crypto_helper_request。
send_crypto_helper_request执行ke和nonce计算，完成后调用回调函数main_inI2_outR2_continue。
main_inI2_outR2_continue恢复挂起的st，调用main_inI2_outR2_tail和complete_v1_state_transition。
main_inI2_outR2_tail构造HDR、KE、Nr、CR证书请求、NAT-D载荷，生成pluto_crypto_req_cont变量dh，并调用start_dh_secrteiv执行dh计算。
start_dh_secrteiv生成pluto_crypto_req dh计算请求r，调用send_crypto_helper_request。
send_crypto_helper_request会计算4个skeyid，并保存在r中，计算结束后调用dh中的回调函数main_inI2_outR2_calcdone。
main_inI2_outR2_calcdone会检查st->st_suspended_md是否为NULL。
关键函数：
解析KE载荷：accept_KE
解析nonce载荷：accept_v1_nonce
构造ke_nonce请求build_ke_and_nonce
完成状态转移并发送数据包：complete_v1_state_transition
返回HDR：ikev1_echo_hdr
构造KE载荷：ikev1_ship_KE
构造Ni载荷：ikev1_ship_nonce
构造CR载荷：ikev1_build_and_ship_CR
构造DH计算请求：start_dh_secretiv
执行DH计算：send_crypto_helper_request
7 main_inR2_outI3发起方处理MR2消息，发送MI3消息（加密）
main_inR2_outI3解析MR2消息中的KE和Nr载荷，生成pluto_crypto_req_cont变量dh，并调用start_dh_secrteiv执行dh计算。
start_dh_secrteiv生成pluto_crypto_req dh计算请求r，调用send_crypto_helper_request。
send_crypto_helper_request会计算4个skeyid，并保存在r中，计算结束后调用dh中的回调函数main_inR2_outI3_cryptotail。
main_inR2_outI3_cryptotail恢复挂起的state，依次调用main_inR2_outI3_continue和complete_v1_state_transition。
main_inR2_outI3_continue解析证书请求，查找证书，构造ID、CERT、CR、HASH_I（或SIG_I）载荷，并加密以上载荷。由于smc->first_out_payload != ISAKMP_NEXT_NONE，HDR已经在process_v1_packet的process_packet_tail中构造。
关键函数：
解析KE载荷：accept_KE
解析nonce载荷：accept_v1_nonce
构造DH计算请求：start_dh_secretiv
解析证书请求：ikev1_decode_cr
查找证书：doi_log_cert_thinking
构造ID载荷：build_id_payload
构造CERT载荷：ikev1_ship_CERT
构造CR载荷：ikev1_build_and_ship_CR
计算载荷的hash值：main_mode_hash
对hash值进行RSA签名：RSA_sign_hash
加密载荷：encrypt_message
8 main_inI3_outR3响应方处理MI3消息，发送MR3消息（加密）
main_inI3_outR3验证MI3的签名，构造HDR、ID、CERT、HASH_R（或SIG_R）载荷，并加密以上载荷。生成Phase2的初始化向量IV。发起方à响应方的ISAKMP_SA建立完成。
关键函数：
验证签名：oakley_id_and_auth
查找证书：doi_log_cert_thinking
返回HDR：ikev1_echo_hdr
构造ID载荷：build_id_payload
构造证书载荷：ikev1_ship_CERT
计算载荷的hash值：main_mode_hash
对hash值进行RSA签名：RSA_sign_hash
加密载荷：encrypt_message
生成IV：set_ph1_iv_from_new
单方向ISAKMP_SA建立完成：ISAKMP_SA_established
9 main_inR3发起方处理MR3消息
main_inR3直接调用main_inR3_tail。
main_inR3_tail中验证MR3的签名，响应方à发起方的ISAKMP_SA建立完成。生成Phase2的初始化向量IV。
关键函数：
验证签名：oakley_id_and_auth
单方向ISAKMP_SA建立完成：ISAKMP_SA_established
生成IV：set_ph1_iv_from_new