如果你在 VPN 應用程式中開啟設定，常會看到協定清單。IPsec（IPsec VPN）常出現在選項中，有時會寫成 IKEv2/IPsec。它也內建於 Windows、macOS 與 iOS，因此你可能在未特別選擇的情況下就已在使用它。
IETF 在 1990 年代將它標準化，作為保護經過不受信任網路的 IP 流量的一般做法，範圍從連結兩個辦公網路的永久連線，到單一使用者從外部連回。消費者用的 IPsec（IPsec VPN）應用把相同的保護套到你的連線：它把你的裝置連到由你的 VPN 提供的伺服器，因此流量會經由該伺服器外送，而不是直接從你的裝置發出。
什麼是 IPsec？
IPsec（Internet Protocol Security，用於在網路層建立加密隧道）是一組保護資料在 IP 網路上傳輸的協定。它對每一個封包進行加密、驗證封包來源，並確認傳輸途中沒有被竄改。
你的資料不會以單一整塊穿越網際網路。資料會被拆成封包，每一個封包外面包著位址資訊，讓路由器知道如何轉送。IPsec 對這些封包逐一運作。
此框架提供：
- 加密: 每個封包的內容會變成密文，網路營運者或任何監聽者都無法讀取。
- 完整性檢查： 接收端確認資料在傳輸中未被修改。
- 認證： 各端點證明自己就是聲稱的裝置，可使用預共享金鑰（事先共用的秘密密碼）或由受信任機構簽發的數位憑證。
- 防重放保護： 拒絕攻擊者先前截取後重送的封包。
以這些協定為基礎的服務就是所謂的 IPsec VPN。VPN 軟體與網路硬體使用 IPsec 在公網上建立受保護的連線。因為 IPsec 在網路層運作，它能保護整個裝置發出的 IP 流量，而非僅限於單一應用程式。
- IPsec 是一組在網路層對 IP 連線進行加密與認證的協定。
- 一個 IPsec（IPsec VPN）客戶端會在兩端之間建立加密隧道，任何攔截流量的人只會看到已被亂碼化的資料。
- ESP（封包加密）在現行配置中處理加密，而 IKEv2 在任何資料傳輸前協商金鑰。
- 隧道模式會把整個原始封包包起來，是多數 VPN 連線採用的模式。
- 過時的演算法與舊有設定會削弱 IPsec，即便標準本身仍在使用。
- 消費者用的 VPN 應用通常會替你處理加密相關設定。
常見 IPsec 術語與定義
IPsec 的術語可能很快變得複雜。以下為你會經常遇到的術語與其意義的速查參考：
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術語 |
意義 |
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密碼學演算法（Cipher） |
用於加密資料的數學方法，例如 AES |
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密文（Ciphertext） |
加密後的資料，沒有金鑰無法閱讀 |
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Diffie-Hellman |
一種讓兩端在不直接傳送秘密的情況下協商共享祕密金鑰的方法（Diffie–Hellman 金鑰交換） |
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封裝（Encapsulation） |
將一個封包放入另一個封包中，使原始封包內容被隱藏 |
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端點（Endpoint） |
連線兩端的任一系統 |
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閘道（Gateway） |
代表整個網路處理流量的路由器或防火牆 |
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IP 標頭 |
包裹位址資訊的外層，顯示封包來源與目的地 |
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NAT |
網路位址轉譯（Network Address Translation，NAT） |
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網路層（Network layer） |
負責在位址間傳送封包的層級，位於單一應用程式之下 |
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封包（Packet） |
一小塊資料，外面包著位址資訊以便傳遞 |
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有效載荷（Payload） |
封包內的內容，與位址包層相對 |
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預共享金鑰（Pre-shared key） |
雙方事先設定的秘密密碼，用來證明身份 |
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安全關聯（Security association） |
雙方為某一隧道協定好的一套設定與金鑰記錄 |
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VPN 用戶端 |
裝置上用來建立並管理連線的應用程式 |
IPsec VPN 是如何運作的？
一個 IPsec（IPsec VPN）客戶端會在四個快速階段建立受保護的隧道：兩端先相互認證，協商加密參數，然後對每一個外發封包進行加密與封裝。接收端檢查是否遭竄改並解密。
- 認證與協商： 端點互相證明身份，接著就要使用的加密與完整性演算法與其對應金鑰達成共識。
- 隧道建立：在條件同意後，雙方開啟受保護連線並將協議設定記錄為安全關聯，成為該隧道的共同行事準則。
- 加密與傳輸：外發封包在離開裝置前先經過加密與封裝，然後像一般流量一樣穿越網際網路。
- 目的地解密：接收端檢查封包是否遭竄改，將其解密，並把原始資料交付給應用。
網際網路金鑰交換（IKE）負責前兩個階段，而 IKEv2 是目前常見的版本。該協商通常執行在 UDP 埠 500。如果你的裝置位於執行網路位址轉譯（NAT）的路由器後方，雙方會改用 NAT‑T（NAT 穿透），把金鑰交換及之後的加密流量封裝到 UDP 埠 4500，以便穿越路由器而不被改寫。
IPsec 有什麼用途？
IPsec 用來保護必須經由公共網際網路傳輸的流量。最常見的用途包括遠端工作者透過公司 提供的商務 VPN 連回辦公網路、公司站點之間的永久連線，以及提供 IKEv2/IPsec 以保護在 公共 Wi‑Fi 上瀏覽的 VPN 應用程式。
站點到站點與遠端存取IPsec VPNs
一個 site-to-site IPsec VPN 將整個網路互連。當一家公司的總部與城內的倉庫需要互通時，會在兩端各放一個閘道，隧道就在那兩點之間運作。倉庫裡的印表機不需要在本身安裝 VPN 軟體，也能存取總部伺服器，因為閘道會替該網段的所有設備處理加密。
一個 remote-access IPsec VPN 將單一裝置連到整個網路。你的筆電上的用戶端軟體是隧道的一端，辦公網路的閘道是另一端，當隧道建立時，你即使在旅館房間也能連回同一台伺服器。
IPsec 使用哪些協定？
IPsec 是一個協定套件：
- ESP（Encapsulating Security Payload）： 為有效載荷提供加密與認證。
- AH（Authentication Header）：檢查有效載荷及大部分 IP 標頭的完整性，但不做加密。
- IKE（Internet Key Exchange）： 協商設定並建立金鑰。
你可能會在 VPN 設定看到 “IKEv2/IPsec”，看起來像是在兩個協定間做選擇。事實上並非如此：IKEv2 是用來建立連線，而 IPsec 則保護通過該連線的流量。
為何你通常只會看到 ESP
ESP 是目前 IPsec 連線中實際保護流量的機制。AH 只提供封包來自預期來源且未被修改的證明，但不加密資料，因此被人截取後仍可閱讀。
AH 在網路位址轉譯（NAT）出現在路徑上時也會失效，因為它保護 IP 標頭的部分內容，而 NAT 會改寫這些欄位。家用路由器與行動網路普遍使用 NAT，因此 AH 很少被採用。
IPsec 的隧道模式與傳輸模式差別為何？
隧道模式會把整個原始封包（包含標頭）包起來；傳輸模式只加密有效載荷，保留原始 IP 標頭可見，較適合資料中心內的伺服器對伺服器直接通訊。
這裡的 “隧道” 一詞有雙重含義，容易讓人混淆。IPsec 隧道指的是兩端之間受保護的連線，而隧道模式則是關於每個封包被包裹多少內容的設定選擇。
觀察者看到使用隧道模式的連線時，只會看到兩端之間有流量往來，但看不到隱藏在內部的位址。在傳輸模式中，來源與目的地仍是明文可見，因為只有有效載荷被加密。
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隧道模式 |
傳輸模式 |
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受保護的資料 |
整個原始 IP 封包 |
封包有效載荷 |
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IP 標頭 |
原始標頭被封裝並加上新標頭 |
原始標頭保留並可見 |
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典型使用情境 |
VPN 連線於裝置與網路之間 |
主機對主機的直接通訊 |
IPsec 有哪些優點與缺點？
IPsec 自 1990 年代以來即被部署，其優劣權衡已廣為記載。
IPsec 的優點
- 強大的加密與認證。 目前的配置會配對像是 與證書或預共享金鑰認證，因此每一端在資料傳送前都會先證明身份。
- 網路層的涵蓋範圍。 電子郵件客戶端、檔案傳輸與備份會與瀏覽器流量同樣走在受保護的路徑上。
- 獨立於應用程式。 軟體不需要知道有 VPN 的存在，這也是為何年代久遠的商業應用程式可以在不修改的情況下透過 IPsec 運作。
- 已發佈的標準。 IETF 的規範定義了 IPsec，因此來自不同廠商的防火牆通常也能互相建立隧道。
IPsec 的缺點
- 設定複雜。 需要在雙方匹配的設定多達數十項，包括加密演算法、金鑰存活時間與識別碼。任一項不匹配就可能導致隧道無法建立。
- 加密與封裝的額外負擔。 每個封包會增加額外位元組，可能導致在 MTU 較小的連線上出現分片。
- 防火牆與 NAT 相容性。 有些網路會封鎖 IPsec 所依賴的埠，或不當處理位址轉譯，可能讓連線根本無法建立。
若沒有網路工程師在身邊，設定、埠與 NAT 行為通常是讓 IPsec VPN 上線最困難的部分。
IPsec 安全嗎？
只要以現代化設定正確配置，IPsec 是安全的，但並非所有部署都如此。較舊的設備可能仍在使用過時的密碼演算法或舊版金鑰協商，因此不同連線之間的保護程度會有所差異。
大多數現行配置會以 AES 作為加密演算法，並搭配 HMAC-SHA-2 作為完整性檢查。HMAC-SHA-2 使用祕密金鑰產生資料的短指紋，因此任何竄改都會立即顯現。
舊有設定有時仍會使用 DES 或 MD5，這些如今都不被視為安全。一些遺留硬體也可能只支援 768 或 1024 位元的 Diffie-Hellman 群組。Diffie-Hellman 是兩端在不直接傳送祕密的情況下協商共享金鑰的演算法，而群組大小代表用於運算的數值長度；較小的群組對攻擊的防護較弱，這就是為何現代設定會改用更強的 Diffie–Hellman 群組，而非遺留裝置上的小群組。
金鑰交換也是一項需要檢查的重點。IKEv1（1998 年發布）在某些模式下有已知弱點。其中最糟的是 aggressive 模式，這種縮短的握手以速度交換代價，會暴露足夠資訊讓攻擊者截取交換內容後在本機上嘗試猜測共享密碼，且無有效次數限制。此外還存在降級攻擊（downgrade attack）的風險，攻擊者可能竄改初期協商使雙方退回到雙方仍支援但較弱的加密。 正式在 2023 年將 IKEv1 設為歷史地位並予以除名。
IKEv2 的協商較為安全，也能更好地處理重新鑰換（在會話中途定期更換新金鑰）。它還加入了 MOBIKE，當裝置的 IP 位址改變時能維持已建立的隧道，例如手機從 Wi‑Fi 切換到行動數據時，可避免隧道中斷並重新建立。
對於家庭使用者而言，這些設定通常不是你自己決定的。你的 VPN 應用或你僱主的 IT 團隊會處理。重要的是軟體要保持更新並持續獲得安全性修補，這能確保加密與金鑰協商機制維持現代化。
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IPsec 與基於瀏覽器的 SSL VPNs 有何不同？
IPsec 能讓裝置在網路層取得對遠端網路的存取，流量會依照 VPN 的設定經由受保護的隧道路由。基於瀏覽器的 SSL VPN 通常只提供對特定資源的存取，例如內部網站。
IPsec 在較低層級的網路層運作，因此可以保護裝置所傳送的一切流量。基於瀏覽器的 SSL VPNs 則運作在較高層，使用 TLS 技術來加密你和網站之間的連線。因此當 IPsec 隧道建立時，裝置的行為就像直接插在遠端網路一樣。基於瀏覽器的 SSL VPN 則是開啟通往定義資源（例如內網頁面或特定內部應用程式）的入口，裝置本身不會成為該網路的一員。有些 SSL VPNs 也會執行用戶端並將所有流量帶走，因而功能上與 IPsec 類似，並非所有情況下瀏覽器入口都是唯一選項。
IPsec 需要雙方匹配的設定，即便作業系統內建了客戶端；而基於瀏覽器的 SSL VPN 通常可在不安裝任何軟體的情況下運作。其流量會走 TCP 埠 443——也就是一般 TLS/HTTPS 流量常用的埠——因此常見於網路與防火牆廣泛允許的情境。這讓基於瀏覽器的 SSL VPNs 在像是旅館或機場等限制性網路上更易使用，因為 IPsec 流量可能遭封鎖。
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FAQs
IPsec 使用哪些埠？
IKE 在 UDP 埠 500 執行，而 NAT‑T（NAT 穿透）會把金鑰交換與之後的加密流量移到 UDP 埠 4500。ESP 與 AH 並不是埠，它們是 IP 的協定號 50 與 51。防火牆必須允許這些協定，否則隧道無法建立。
IPsec 會讓我的連線變慢嗎？
會，稍微會。對每個封包進行加密需要一些 CPU，而流量也會經過 VPN 伺服器。大多數人在瀏覽或串流時不會察覺差異。伺服器距離會增加延遲，對速度的影響通常比協定本身更大。
IPsec 對 MTU 與 MSS 有何影響？
IPsec 每個封包大約增加 50 到 70 bytes，可能會導致分片。管理者會調低 TCP 的 MSS 來補償，但沒有一個標準數值：這取決於加密方式、是否啟用 NAT‑T，以及底層連線的 MTU 大小。
IPsec 使用對稱還是非對稱加密？
兩者都有。IKE（Internet Key Exchange）使用非對稱密碼學與 Diffie–Hellman 金鑰交換，讓雙方在不直接傳送祕密的情況下協商共享祕密。該共享祕密再用於驅動較快的對稱密碼，例如 AES，以保護你的流量。
