波仔
📡 第五章 防火墙功能与防范威胁的对策
📄 一句话概括

VPN 不是「加密一下」，是「在原包外面再套一层，然后走公网」。 套上去的每一字节都占带宽，小包业务最吃亏。

📝 本节和前面几节的关系

上一节讲地址转换，这一节讲「在公网上造一条私有通道」。 03.05.06 讲过隧道的基本原理，这一节补「防火墙怎么参与」。

一、两种模式，差在保不保留原头

传输模式：只加密载荷，保留原来的 IP 头。用于「主机到主机」。 隧道模式：整个原包加密，外面再套一个新 IP 头。用于「网关到网关」。

模式 原 IP 头 典型场景

传输模式 保留，只加 ESP 主机到主机 隧道模式 整体加密，外套新头 站点到站点

为什么会分两种：站点间 VPN 要让「内网的私网地址」穿过公网， 所以必须把整个原包（含私网地址的头）藏进载荷里，外面再用公网地址的头包一层。 这就是隧道模式存在的理由。

二、两套协议，各管一段

IPsec：网络层，管「IP 包怎么安全地穿过公网」。 SSL/TLS VPN：应用层，管「浏览器怎么安全地连进来」。

两者的适用场景不同：IPsec 适合「站点到站点」，因为两端都是固定设备，配置一次长期有效。 SSL VPN 适合「人出差在外」，因为客户端只要一个浏览器，不用装东西。

IPsec 有两个子协议，分工是：IKE 负责「协商密钥」（走 UDP 500 或 4500）， ESP 负责「加密与完整性」（走 IP 协议号 50）。 注意 ESP 不是 TCP 也不是 UDP，所以它在 NAT 后面特别麻烦——因为 NAT 只认端口。

这就引出了「NAT 穿透」（NAT-T）：把 ESP 包塞进 UDP 4500 里发出去， 这样 NAT 就能按端口做转换了。 代价是多一层 UDP 头（8 字节）。

三、封装的开销怎么算

隧道模式的 ESP 封装，从头到尾要加这些： 新 IP 头 20、ESP 头 8、IV 16、填充、填充长度 1、下一头部 1、ICV 16。

按 AES 的分组长度 16 计算： 一个 100 字节的载荷，加密后从 128 字节涨到 176 字节，膨胀 37.5%。 而 40 字节的小包，膨胀超过 100%。

这个「小包最吃亏」的结论很重要： 因为语音（VoIP）恰好就是小包——每 20 毫秒一个包，每包几十字节。 所以「VoIP 走 VPN」时，链路带宽要按「账面码率的两倍以上」来规划。

还有一笔账是「MTU」：封装之后包变大了，可能超过链路的 MTU（常见 1500）， 于是要分片——而分片会大幅降低性能。 所以隧道接口通常要把 MTU 调小（比如 1400），或者开「路径 MTU 发现」。

四、动手 Demo：IPsec 的封包开销有多少

这段把隧道模式 ESP 的每一层开销列出来，按 16 字节分组算填充，再对 40、100、500、 1400 四种载荷算膨胀比例。

inner = 20 + 8 + pl
b = inner + 8 + 16
pad = (16 - (b + 2) % 16) % 16
b += pad + 2 + 16
outer = 20 + b

实跑输出：

--------------------------------------------------------------------
IPsec 的封包开销有多少
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**VPN 不是「加密一下」，是「原包外面再套一层」。**
**套上去的每一字节都要占带宽。**

**ESP 隧道模式的封装结构**（从外到内）：

  新 IP 头 20 字节
  ESP 头 8 字节（SPI 4 + 序号 4）
  IV 16 字节（AES 分组长度）
  原 IP 包（含原 IP 头 20 字节）
  填充（补到 16 的整数倍）
  填充长度 1 + 下一头部 1
  完整性校验值 16 字节（SHA-256 截断到 128 位）

**算一个 100 字节的有效载荷会被撑成多大**：

  原始：100 字节载荷 + 28 字节头 ＝ 128 字节。
  加密后：196 字节（其中填充 6 字节）。
  膨胀 53.1%。

**小包最吃亏**：

    40 字节载荷 →  132 字节，膨胀  94.1%。
   100 字节载荷 →  196 字节，膨胀  53.1%。
   500 字节载荷 →  596 字节，膨胀  12.9%。
  1400 字节载荷 → 1492 字节，膨胀   4.5%。

**所以 VoIP 这类小包业务走 VPN 时，实际占用带宽是账面值的两倍以上。**
**规划链路时不能只按业务码率算。**

这段最有用的是「小包最吃亏」那条曲线：40 字节载荷要膨胀一倍以上，1400 字节只膨胀一成多。 所以「加密不影响性能」这句话在大包场景成立，在小包场景完全不成立。

填充到 16 的整数倍是分组密码的要求：AES 一次处理 16 字节，不够就得补。 这也解释了为什么「换个加密算法」不一定能减小开销——开销的大头是固定头（20 + 8 + 16 + 16 ＝ 60 字节），不是填充。

最后那句 MTU 要记住：隧道接口的 MTU 通常设成 1400 而不是 1500， 就是为了给封装留出空间，避免分片。 这个「默认值」背后是一条实打实的算术，不是随手定的。

30 秒实验

  1. 查一下你用的 VPN 客户端，看它是隧道模式还是传输模式。
  2. 看隧道接口的 MTU 设成了多少，和 1500 差多少。
  3. 想一想：为什么 ESP 在 NAT 后面要改成 UDP 封装？

常见误区

  1. 以为 VPN 等于加密。它还管完整性、身份认证与密钥协商，四件事。
  2. 以为加密不影响带宽。小包场景膨胀一倍以上。
  3. 以为 MTU 用默认 1500 就行。封装后超了会分片，性能大跌。
自测三问（点开对答案） 1. 隧道模式与传输模式最本质的区别是什么？ —— 隧道模式把整个原包（含原 IP 头）加密后再套一个新头，传输模式保留原头只加密载荷。 2. 为什么 ESP 在 NAT 后面要做 UDP 封装？ —— 因为 ESP 是 IP 协议号 50，没有端口，NAT 无法按端口做转换。 3. 为什么隧道接口的 MTU 通常设成 1400？ —— 给 IPsec 封装留出空间，避免封装后超过链路 MTU 而触发分片。

下一节：DoS 防御——当攻击的目标不是「进去」而是「让你服务不了」。

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