哈希表的查找性能

PoW算法是一种防止分布式服务资源被滥用、拒绝服务攻击的机制。它要求节点进行适量消耗时间和资源的复杂运算，并且其运算结果能被其他节点快速验算，以耗用时间、能源做担保，以确保服务与资源被真正的需求所使用。

PoW算法中最基本的技术原理是使用哈希算法。假设求哈希值Hash(r)，若原始数据为r（raw），则运算结果为R（Result）。

R = Hash(r)

哈希函数Hash()的特性是，对于任意输入值r，得出结果R，并且无法从R反推回r。当输入的原始数据r变动1比特时，其结果R值完全改变。在比特币的PoW算法中，引入算法难度d和随机值n，得到以下公式：

Rd = Hash(r+n)

该公式要求在填入随机值n的情况下，计算结果Rd的前d字节必须为0。由于哈希函数结果的未知性，每个矿工都要做大量运算之后，才能得出正确结果，而算出结果广播给全网之后，其他节点只需要进行一次哈希运算即可校验。PoW算法就是采用这种方式让计算消耗资源，而校验仅需一次。

 

PoS算法要求节点验证者必须质押一定的资金才有挖矿打包资格，并且区域链系统在选定打包节点时使用随机的方式，当节点质押的资金越多时，其被选定打包区块的概率越大。

POS模式下，每个币每天产生1币龄，比如你持有100个币，总共持有了30天，那么，此时你的币龄就为3000。这个时候，如果你验证了一个POS区块，你的币龄就会被清空为0，同时从区块中获得相对应的数字货币利息。

节点通过PoS算法出块的过程如下：普通的节点要成为出块节点，首先要进行资产的质押，当轮到自己出块时，打包区块，然后向全网广播，其他验证节点将会校验区块的合法性。

 

DPoS算法和PoS算法相似，也采用股份和权益质押。

但不同的是，DPoS算法采用委托质押的方式，类似于用全民选举代表的方式选出N个超级节点记账出块。

选民把自己的选票投给某个节点，如果某个节点当选记账节点，那么该记账节点往往在获取出块奖励后，可以采用任意方式来回报自己的选民。

这N个记账节点将轮流出块，并且节点之间相互监督，如果其作恶，那么会被扣除质押金。

通过信任少量的诚信节点，可以去除区块签名过程中不必要的步骤，提高了交易的速度。
 

拜占庭问题：

拜占庭是古代东罗马帝国的首都，为了防御在每块封地都驻扎一支由单个将军带领的军队，将军之间只能靠信差传递消息。在战争时，所有将军必须达成共识，决定是否共同开战。

但是，在军队内可能有叛徒，这些人将影响将军们达成共识。拜占庭将军问题是指在已知有将军是叛徒的情况下，剩余的将军如何达成一致决策的问题。

BFT：

BFT即拜占庭容错，拜占庭容错技术是一类分布式计算领域的容错技术。拜占庭假设是对现实世界的模型化，由于硬件错误、网络拥塞或中断以及遭到恶意攻击等原因，计算机和网络可能出现不可预料的行为。拜占庭容错技术被设计用来处理这些异常行为，并满足所要解决的问题的规范要求。

拜占庭容错系统 ：

发生故障的节点被称为 拜占庭节点 ，而正常的节点即为 非拜占庭节点 。

假设分布式系统拥有n台节点，并假设整个系统拜占庭节点不超过m台（n ≥ 3m + 1），拜占庭容错系统需要满足如下两个条件：

另外，拜占庭容错系统需要达成如下两个指标：

PBFT即实用拜占庭容错算法，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题，算法的时间复杂度是O(n^2)，使得在实际系统应用中可以解决拜占庭容错问题
 

PBFT是一种状态机副本复制算法，所有的副本在一个视图（view）轮换的过程中 *** 作，主节点通过视图编号以及节点数集合来确定，即：主节点 p = v mod |R|。v：视图编号，|R|节点个数，p：主节点编号。

PBFT算法的共识过程如下：客户端（Client）发起消息请求（request），并广播转发至每一个副本节点（Replica），由其中一个主节点（Leader）发起提案消息pre-prepare，并广播。其他节点获取原始消息，在校验完成后发送prepare消息。每个节点收到2f+1个prepare消息，即认为已经准备完毕，并发送commit消息。当节点收到2f+1个commit消息，客户端收到f+1个相同的reply消息时，说明客户端发起的请求已经达成全网共识。

具体流程如下 ：

客户端c向主节点p发送<REQUEST, o, t, c>请求。o: 请求的具体 *** 作，t: 请求时客户端追加的时间戳，c：客户端标识。REQUEST: 包含消息内容m，以及消息摘要d(m)。客户端对请求进行签名。

主节点收到客户端的请求，需要进行以下交验：

a 客户端请求消息签名是否正确。

非法请求丢弃。正确请求，分配一个编号n，编号n主要用于对客户端的请求进行排序。然后广播一条<<PRE-PREPARE, v, n, d>, m>消息给其他副本节点。v：视图编号，d客户端消息摘要，m消息内容。<PRE-PREPARE, v, n, d>进行主节点签名。n是要在某一个范围区间内的[h, H]，具体原因参见 垃圾回收 章节。

副本节点i收到主节点的PRE-PREPARE消息，需要进行以下交验：

a 主节点PRE-PREPARE消息签名是否正确。

b 当前副本节点是否已经收到了一条在同一v下并且编号也是n，但是签名不同的PRE-PREPARE信息。

c d与m的摘要是否一致。

d n是否在区间[h, H]内。

非法请求丢弃。正确请求，副本节点i向其他节点包括主节点发送一条<PREPARE, v, n, d, i>消息, v, n, d, m与上述PRE-PREPARE消息内容相同，i是当前副本节点编号。<PREPARE, v, n, d, i>进行副本节点i的签名。记录PRE-PREPARE和PREPARE消息到log中，用于View Change过程中恢复未完成的请求 *** 作。

主节点和副本节点收到PREPARE消息，需要进行以下交验：

a 副本节点PREPARE消息签名是否正确。

b 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

c n是否在区间[h, H]内。

d d是否和当前已收到PRE-PPREPARE中的d相同

非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的PREPARE消息，则向其他节点包括主节点发送一条<COMMIT, v, n, d, i>消息，v, n, d, i与上述PREPARE消息内容相同。<COMMIT, v, n, d, i>进行副本节点i的签名。记录COMMIT消息到日志中，用于View Change过程中恢复未完成的请求 *** 作。记录其他副本节点发送的PREPARE消息到log中。

主节点和副本节点收到COMMIT消息，需要进行以下交验：

a 副本节点COMMIT消息签名是否正确。

b 当前副本节点是否已经收到了同一视图v下的n。

c d与m的摘要是否一致。

d n是否在区间[h, H]内。

非法请求丢弃。如果副本节点i收到了2f+1个验证通过的COMMIT消息，说明当前网络中的大部分节点已经达成共识，运行客户端的请求 *** 作o，并返回<REPLY, v, t, c, i, r>给客户端，r：是请求 *** 作结果，客户端如果收到f+1个相同的REPLY消息，说明客户端发起的请求已经达成全网共识，否则客户端需要判断是否重新发送请求给主节点。记录其他副本节点发送的COMMIT消息到log中。
 

如果主节点作恶，它可能会给不同的请求编上相同的序号，或者不去分配序号，或者让相邻的序号不连续。备份节点应当有职责来主动检查这些序号的合法性。

如果主节点掉线或者作恶不广播客户端的请求，客户端设置超时机制，超时的话，向所有副本节点广播请求消息。副本节点检测出主节点作恶或者下线，发起View Change协议。

View Change协议 ：

副本节点向其他节点广播<VIEW-CHANGE, v+1, n, C , P , i>消息。n是最新的stable checkpoint的编号， C 是 2f+1验证过的CheckPoint消息集合， P 是当前副本节点未完成的请求的PRE-PREPARE和PREPARE消息集合。

当主节点p = v + 1 mod |R|收到 2f 个有效的VIEW-CHANGE消息后，向其他节点广播<NEW-VIEW, v+1, V , O >消息。 V 是有效的VIEW-CHANGE消息集合。 O 是主节点重新发起的未经完成的PRE-PREPARE消息集合。PRE-PREPARE消息集合的选取规则：

副本节点收到主节点的NEW-VIEW消息，验证有效性，有效的话，进入v+1状态，并且开始 O 中的PRE-PREPARE消息处理流程。
 

在上述算法流程中，为了确保在View Change的过程中，能够恢复先前的请求，每一个副本节点都记录一些消息到本地的log中，当执行请求后副本节点需要把之前该请求的记录消息清除掉。

最简单的做法是在Reply消息后，再执行一次当前状态的共识同步，这样做的成本比较高，因此可以在执行完多条请求K（例如：100条）后执行一次状态同步。这个状态同步消息就是CheckPoint消息。

副本节点i发送<CheckPoint, n, d, i>给其他节点，n是当前节点所保留的最后一个视图请求编号，d是对当前状态的一个摘要，该CheckPoint消息记录到log中。如果副本节点i收到了2f+1个验证过的CheckPoint消息，则清除先前日志中的消息，并以n作为当前一个stable checkpoint。

这是理想情况，实际上当副本节点i向其他节点发出CheckPoint消息后，其他节点还没有完成K条请求，所以不会立即对i的请求作出响应，它还会按照自己的节奏，向前行进，但此时发出的CheckPoint并未形成stable。

为了防止i的处理请求过快，设置一个上文提到的 高低水位区间[h, H] 来解决这个问题。低水位h等于上一个stable checkpoint的编号，高水位H = h + L，其中L是我们指定的数值，等于checkpoint周期处理请求数K的整数倍，可以设置为L = 2K。当副本节点i处理请求超过高水位H时，此时就会停止脚步，等待stable checkpoint发生变化，再继续前进。
 

在区块链场景中，一般适合于对强一致性有要求的私有链和联盟链场景。例如，在IBM主导的区块链超级账本项目中，PBFT是一个可选的共识协议。在Hyperledger的Fabric项目中，共识模块被设计成可插拔的模块，支持像PBFT、Raft等共识算法。
 

 

Raft基于领导者驱动的共识模型，其中将选举一位杰出的领导者(Leader)，而该Leader将完全负责管理集群，Leader负责管理Raft集群的所有节点之间的复制日志。
 

下图中，将在启动过程中选择集群的Leader（S1），并为来自客户端的所有命令/请求提供服务。 Raft集群中的所有节点都维护一个分布式日志（复制日志）以存储和提交由客户端发出的命令（日志条目）。 Leader接受来自客户端的日志条目，并在Raft集群中的所有关注者（S2，S3，S4，S5）之间复制它们。

在Raft集群中，需要满足最少数量的节点才能提供预期的级别共识保证， 这也称为法定人数。 在Raft集群中执行 *** 作所需的最少投票数为 (N / 2 +1) ，其中N是组中成员总数，即 投票至少超过一半 ，这也就是为什么集群节点通常为奇数的原因。 因此，在上面的示例中，我们至少需要3个节点才能具有共识保证。

如果法定仲裁节点由于任何原因不可用，也就是投票没有超过半数，则此次协商没有达成一致，并且无法提交新日志。

 

数据存储：Tidb/TiKV

日志：阿里巴巴的 DLedger

服务发现：Consul& etcd

集群调度：HashiCorp Nomad
 

只能容纳故障节点(CFT)，不容纳作恶节点

顺序投票，只能串行apply，因此高并发场景下性能差
 

Raft通过解决围绕Leader选举的三个主要子问题，管理分布式日志和算法的安全性功能来解决分布式共识问题。

当我们启动一个新的Raft集群或某个领导者不可用时，将通过集群中所有成员节点之间协商来选举一个新的领导者。 因此，在给定的实例中，Raft集群的节点可以处于以下任何状态: 追随者(Follower)，候选人(Candidate)或领导者(Leader)。

系统刚开始启动的时候，所有节点都是follower，在一段时间内如果它们没有收到Leader的心跳信号，follower就会转化为Candidate；

如果某个Candidate节点收到大多数节点的票，则这个Candidate就可以转化为Leader，其余的Candidate节点都会回到Follower状态；

一旦一个Leader发现系统中存在一个Leader节点比自己拥有更高的任期(Term)，它就会转换为Follower。

Raft使用基于心跳的RPC机制来检测何时开始新的选举。 在正常期间， Leader 会定期向所有可用的 Follower 发送心跳消息（实际中可能把日志和心跳一起发过去）。 因此，其他节点以 Follower 状态启动，只要它从当前 Leader 那里收到周期性的心跳，就一直保持在 Follower 状态。

当 Follower 达到其超时时间时，它将通过以下方式启动选举程序：

根据 Candidate 从集群中其他节点收到的响应，可以得出选举的三个结果。

共识算法的实现一般是基于复制状态机（Replicated state machines），何为 复制状态机 ：

简单来说： 相同的初识状态 + 相同的输入 = 相同的结束状态 。不同节点要以相同且确定性的函数来处理输入，而不要引入一下不确定的值，比如本地时间等。使用replicated log是一个很不错的注意，log具有持久化、保序的特点，是大多数分布式系统的基石。

有了Leader之后，客户端所有并发的请求可以在Leader这边形成一个有序的日志（状态）序列，以此来表示这些请求的先后处理顺序。Leader然后将自己的日志序列发送Follower，保持整个系统的全局一致性。注意并不是强一致性，而是 最终一致性 。

日志由有序编号（log index）的日志条目组成。每个日志条目包含它被创建时的任期号（term），和日志中包含的数据组成，日志包含的数据可以为任何类型，从简单类型到区块链的区块。每个日志条目可以用[ term, index, data]序列对表示，其中term表示任期， index表示索引号，data表示日志数据。

Leader 尝试在集群中的大多数节点上执行复制命令。 如果复制成功，则将命令提交给集群，并将响应发送回客户端。类似两阶段提交(2PC)，不过与2PC的区别在于，leader只需要超过一半节点同意（处于工作状态）即可。

leader 、 follower 都可能crash，那么 follower 维护的日志与 leader 相比可能出现以下情况

当出现了leader与follower不一致的情况，leader强制follower复制自己的log， Leader会从后往前试 ，每次AppendEntries失败后尝试前一个日志条目（递减nextIndex值）， 直到成功找到每个Follower的日志一致位置点（基于上述的两条保证），然后向后逐条覆盖Followers在该位置之后的条目 。所以丢失的或者多出来的条目可能会持续多个任期。
 

要求候选人的日志至少与其他节点一样最新。如果不是，则跟随者节点将不投票给候选者。

意味着每个提交的条目都必须存在于这些服务器中的至少一个中。如果候选人的日志至少与该多数日志中的其他日志一样最新，则它将保存所有已提交的条目，避免了日志回滚事件的发生。

即任一任期内最多一个leader被选出。这一点非常重要，在一个复制集中任何时刻只能有一个leader。系统中同时有多余一个leader，被称之为脑裂（brain split），这是非常严重的问题，会导致数据的覆盖丢失。在raft中，两点保证了这个属性：

因此， 某一任期内一定只有一个leader 。
 

当集群中节点的状态发生变化（集群配置发生变化）时，系统容易受到系统故障。 因此，为防止这种情况，Raft使用了一种称为两阶段的方法来更改集群成员身份。 因此，在这种方法中，集群在实现新的成员身份配置之前首先更改为中间状态（称为联合共识）。 联合共识使系统即使在配置之间进行转换时也可用于响应客户端请求，它的主要目的是提升分布式系统的可用性。

ipsec是Internet 协议安全性，是一种开放标准的框架结构，通过使用加密的安全服务以确保在 Internet 协议 (IP) 网络上进行保密而安全的通讯。
IPSec 是安全联网的长期方向。它通过端对端的安全性来提供主动的保护以防止专用网络与 Internet 的攻击。在通信中，只有发送方和接收方才是唯一必须了解 IPSec 保护的计算机。在 Windows XP 和 Windows Server 2003 家族中，IPSec 提供了一种能力，以保护工作组、局域网计算机、域客户端和服务器、分支机构（物理上为远程机构）、Extranet 以及漫游客户端之间的通信。
IPSec 基于端对端的安全模式，在源 IP 和目标 IP 地址之间建立信任和安全性。
不是新的加密形式。 详细如下;
IPSec 是安全联网的长期方向。它通过端对端的安全性来提供主动的保护以防止专用网络与 Internet 的攻击。在通信中，只有发送方和接收方才是唯一必须了解 IPSec 保护的计算机。在 Windows XP 和 Windows Server 2003 家族中，IPSec 提供了一种能力，以保护工作组、局域网计算机、域客户端和服务器、分支机构（物理上为远程机构）、Extranet 以及漫游客户端之间的通信。
编辑本段作用目标
1、
保护 IP 数据包的内容。
2、
通过数据包筛选及受信任通讯的实施来防御网络攻击。 这两个目标都是通过使用基于加密的保护服务、安全协议与动态密钥管理来实现的。这个基础为专用网络计算机、域、站点、远程站点、Extranet 和拨号用户之间的通信提供了既有力又灵活的保护。它甚至可以用来阻碍特定通讯类型的接收和发送。
3、
其中以接收和发送最为重要。
编辑本段常见问题
IPSec 基于端对端的安全模式，在源 IP 和目标 IP 地址之间建立信任和安全性。考虑认为 IP 地址本身没有必要具有标识，但 IP 地址后面的系统必须有一个通过身份验证程序验证过的标识。只有发送和接收的计算机需要知道通讯是安全的。每台计算机都假定进行通讯的媒体不安全，因此在各自的终端上实施安全设置。除非两台计算机之间正在进行防火墙类型的数据包筛选或网络地址转换，否则仅从源向目标路由数据的计算机不要求支持 IPSec。该模式允许为下列企业方案成功部署 IPSec： 局域网 (LAN)：客户端/服务器和对等网络 广域网 (WAN)：路由器到路由器和网关到网关 远程访问：拨号客户机和从专用网络访问 Internet 通常，两端都需要 IPSec 配置（称为 IPSec 策略）来设置选项与安全设置，以允许两个系统对如何保护它们之间的通讯达成协议。Microsoft® Windows® 2000、Windows XP 和 Windows Server 2003 家族实施 IPSec 是基于“Internet 工程任务组 (IETF)”IPSec 工作组开发的业界标准。IPSec 相关服务部分是由 Microsoft 与 Cisco Systems, Inc 共同开发的。 IPSec 协议不是一个单独的协议，它给出了应用于IP层上网络数据安全的一整套体系结构，包括网络认证协议 Authentication Header（AH）、封装安全载荷协议Encapsulating Security Payload（ESP）、密钥管理协议Internet Key Exchange （IKE）和用于网络认证及加密的一些算法等。IPSec 规定了如何在对等层之间选择安全协议、确定安全算法和密钥交换，向上提供了访问控制、数据源认证、数据加密等网络安全服务。
一、安全特性
IPSec的安全特性主要有：
·不可否认性
"不可否认性"可以证实消息发送方是唯一可能的发送者，发送者不能否认发送过消息。"不可否认性"是采用公钥技术的一个特征，当使用公钥技术时，发送方用私钥产生一个数字签名随消息一起发送，接收方用发送者的公钥来验证数字签名。由于在理论上只有发送者才唯一拥有私钥，也只有发送者才可能产生该数字签名，所以只要数字签名通过验证，发送者就不能否认曾发送过该消息。但"不可否认性"不是基于认证的共享密钥技术的特征，因为在基于认证的共享密钥技术中，发送方和接收方掌握相同的密钥。
·反重播性
"反重播"确保每个IP包的唯一性，保证信息万一被截取复制后，不能再被重新利用、重新传输回目的地址。该特性可以防止攻击者截取破译信息后，再用相同的信息包冒取非法访问权（即使这种冒取行为发生在数月之后）。
·数据完整性
防止传输过程中数据被篡改，确保发出数据和接收数据的一致性。IPSec利用Hash函数为每个数据包产生一个加密检查和，接收方在打开包前先计算检查和，若包遭篡改导致检查和不相符，数据包即被丢弃。
·数据可靠性（加密）
在传输前，对数据进行加密，可以保证在传输过程中，即使数据包遭截取，信息也无法被读。该特性在IPSec中为可选项，与IPSec策略的具体设置相关。
·认证
数据源发送信任状，由接收方验证信任状的合法性，只有通过认证的系统才可以建立通信连接。
二、基于电子证书的公钥认证
一个架构良好的公钥体系，在信任状的传递中不造成任何信息外泄，能解决很多安全问题。IPSec与特定的公钥体系相结合，可以提供基于电子证书的认证。公钥证书认证在Windows 2000中，适用于对非Windows 2000主机、独立主机，非信任域成员的客户机、或者不运行Kerberos v5认证协议的主机进行身份认证。
三、预置共享密钥认证
IPSec也可以使用预置共享密钥进行认证。预共享意味着通信双方必须在IPSec策略设置中就共享的密钥达成一致。之后在安全协商过程中，信息在传输前使用共享密钥加密，接收端使用同样的密钥解密，如果接收方能够解密，即被认为可以通过认证。但在Windows 2000 IPSec策略中，这种认证方式被认为不够安全而一般不推荐使用。
四、公钥加密
IPSec的公钥加密用于身份认证和密钥交换。公钥加密，也被称为"不对称加密法"，即加解密过程需要两把不同的密钥，一把用来产生数字签名和加密数据，另一把用来验证数字签名和对数据进行解密。 使用公钥加密法，每个用户拥有一个密钥对，其中私钥仅为其个人所知，公钥则可分发给任意需要与之进行加密通信的人。例如：A想要发送加密信息给B，则A需要用B的公钥加密信息，之后只有B才能用他的私钥对该加密信息进行解密。虽然密钥对中两把钥匙彼此相关，但要想从其中一把来推导出另一把，以目前计算机的运算能力来看，这种做法几乎完全不现实。因此，在这种加密法中，公钥可以广为分发，而私钥则需要仔细地妥善保管。
五、Hash函数和数据完整性
Hash信息验证码HMAC（Hash message authentication codes）验证接收消息和发送消息的完全一致性（完整性）。这在数据交换中非常关键，尤其当传输媒介如公共网络中不提供安全保证时更显其重要性。 HMAC结合hash算法和共享密钥提供完整性。Hash散列通常也被当成是数字签名，但这种说法不够准确，两者的区别在于：Hash散列使用共享密钥，而数字签名基于公钥技术。hash算法也称为消息摘要或单向转换。称它为单向转换是因为： 1）双方必须在通信的两个端头处各自执行Hash函数计算； 2）使用Hash函数很容易从消息计算出消息摘要，但其逆向反演过程以目前计算机的运算能力几乎不可实现。 Hash散列本身就是所谓加密检查和或消息完整性编码MIC（Message Integrity Code），通信双方必须各自执行函数计算来验证消息。举例来说，发送方首先使用HMAC算法和共享密钥计算消息检查和，然后将计算结果A封装进数据包中一起发送；接收方再对所接收的消息执行HMAC计算得出结果B，并将B与A进行比较。如果消息在传输中遭篡改致使B与A不一致，接收方丢弃该数据包。 有两种最常用的hash函数： ·HMAC-MD5 MD5（消息摘要5）基于RFC1321。MD5对MD4做了改进，计算速度比MD4稍慢，但安全性能得到了进一步改善。MD5在计算中使用了64个32位常数，最终生成一个128位的完整性检查和。 ·HMAC-SHA 安全Hash算法定义在NIST FIPS 180-1，其算法以MD5为原型。 SHA在计算中使用了79个32位常数，最终产生一个160位完整性检查和。SHA检查和长度比MD5更长，因此安全性也更高。
六、加密和数据可靠性
IPSec使用的数据加密算法是DES--Data Encryption Standard（数据加密标准）。DES密钥长度为56位，在形式上是一个64位数。DES以64位（8字节）为分组对数据加密，每64位明文，经过16轮置换生成64位密文，其中每字节有1位用于奇偶校验，所以实际有效密钥长度是56位。 IPSec还支持3DES算法，3DES可提供更高的安全性，但相应地，计算速度更慢。
七、密钥管理
·动态密钥更新
IPSec策略使用"动态密钥更新"法来决定在一次通信中，新密钥产生的频率。动态密钥指在通信过程中，数据流被划分成一个个"数据块"，每一个"数据块"都使用不同的密钥加密，这可以保证万一攻击者中途截取了部分通信数据流和相应的密钥后，也不会危及到所有其余的通信信息的安全。动态密钥更新服务由Internet密钥交换IKE（Internet Key Exchange）提供，详见IKE介绍部分。 IPSec策略允许专家级用户自定义密钥生命周期。如果该值没有设置，则按缺省时间间隔自动生成新密钥。
·密钥长度
密钥长度每增加一位，可能的密钥数就会增加一倍，相应地，破解密钥的难度也会随之成指数级加大。IPSec策略提供多种加密算法，可生成多种长度不等的密钥，用户可根据不同的安全需求加以选择。
·Diffie-Hellman算法
要启动安全通讯，通信两端必须首先得到相同的共享密钥（主密钥），但共享密钥不能通过网络相互发送，因为这种做法极易泄密。 Diffie-Hellman算法是用于密钥交换的最早最安全的算法之一。DH算法的基本工作原理是：通信双方公开或半公开交换一些准备用来生成密钥的"材料数据"，在彼此交换过密钥生成"材料"后，两端可以各自生成出完全一样的共享密钥。在任何时候，双方都绝不交换真正的密钥。 通信双方交换的密钥生成"材料"，长度不等，"材料"长度越长，所生成的密钥强度也就越高，密钥破译就越困难。 除进行密钥交换外，IPSec还使用DH算法生成所有其他加密密钥。 AH报头字段包括： ·Next Header（下一个报头）： 识别下一个使用IP协议号的报头，例如，Next Header值等于"6"，表示紧接其后的是TCP报头。 ·Length（长度）： AH报头长度。 ·Security Parameters Index (SPI，安全参数索引)： 这是一个为数据报识别安全关联的 32 位伪随机值。SPI 值 0 被保留来表明"没有安全关联存在"。 ·Sequence Number（序列号）：从1开始的32位单增序列号，不允许重复，唯一地标识了每一个发送数据包，为安全关联提供反重播保护。接收端校验序列号为该字段值的数据包是否已经被接收过，若是，则拒收该数据包。 ·Authentication Data（AD，认证数据）： 包含完整性检查和。接收端接收数据包后，首先执行hash计算，再与发送端所计算的该字段值比较，若两者相等，表示数据完整，若在传输过程中数据遭修改，两个计算结果不一致，则丢弃该数据包。
编辑本段数据包结构
如图二所示，AH报头插在IP报头之后，TCP，UDP，或者ICMP等上层协议报头之前。一般AH为整个数据包提供完整性检查，但如果IP报头中包含"生存期（Time To Live）"或"服务类型（Type of Service）"等值可变字段，则在进行完整性检查时应将这些值可变字段去除。 图2 AH为整个数据包提供完整性检查
一、ESP协议结构
ESP（Encapsulating Security Payload）为IP数据包提供完整性检查、认证和加密，可以看作是"超级 AH"， 因为它提供机密性并可防止篡改。ESP服务依据建立的安全关联（SA）是可选的。然而，也有一些限制： ·完整性检查和认证一起进行。 ·仅当与完整性检查和认证一起时，"重播（Replay）"保护才是可选的。 ·"重播"保护只能由接收方选择。 ESP的加密服务是可选的，但如果启用加密，则也就同时选择了完整性检查和认证。因为如果仅使用加密，入侵者就可能伪造包以发动密码分析攻击。 ESP可以单独使用，也可以和AH结合使用。一般ESP不对整个数据包加密，而是只加密IP包的有效载荷部分，不包括IP头。但在端对端的隧道通信中，ESP需要对整个数据包加密。 如图三所示，ESP报头插在IP报头之后，TCP或UDP等传输层协议报头之前。ESP由IP协议号"50"标识。 图3 ESP报头、报尾和认证报尾 ESP报头字段包括： ·Security Parameters Index (SPI，安全参数索引)：为数据包识别安全关联。 ·Sequence Number（序列号）：从1开始的32位单增序列号，不允许重复，唯一地标识了每一个发送数据包，为安全关联提供反重播保护。接收端校验序列号为该字段值的数据包是否已经被接收过，若是，则拒收该数据包。 ESP报尾字段包括： ·Padding（扩展位）：0-255个字节。DH算法要求数据长度（以位为单位）模512为448，若应用数据长度不足，则用扩展位填充。 ·Padding Length（扩展位长度）：接收端根据该字段长度去除数据中扩展位。 ·Next Header（下一个报头）：识别下一个使用IP协议号的报头，如TCP或UDP。 ESP认证报尾字段： ·Authentication Data（AD，认证数据）： 包含完整性检查和。完整性检查部分包括ESP报头、有效载荷（应用程序数据）和ESP报尾。见图四。 图4 ESP的加密部分和完整性检查部分 如上图所示，ESP报头的位置在IP报头之后，TCP，UDP，或者ICMP等传输层协议报头之前。如果已经有其他IPSec协议使用，则ESP报头应插在其他任何IPSec协议报头之前。ESP认证报尾的完整性检查部分包括ESP报头、传输层协议报头，应用数据和ESP报尾，但不包括IP报头，因此ESP不能保证IP报头不被篡改。ESP加密部分包括上层传输协议信息、数据和ESP报尾。
二、ESP隧道模式和AH隧道模式
以上介绍的是传输模式下的AH协议和ESP协议，ESP隧道模式和AH隧道模式与传输模式略有不同。 在隧道模式下，整个原数据包被当作有效载荷封装了起来，外面附上新的IP报头。其中"内部"IP报头（原IP报头）指定最终的信源和信宿地址，而"外部"IP报头（新IP报头）中包含的常常是做中间处理的安全网关地址。 与传输模式不同，在隧道模式中，原IP地址被当作有效载荷的一部分受到IPSec的安全保护，另外，通过对数据加密，还可以将数据包目的地址隐藏起来，这样更有助于保护端对端隧道通信中数据的安全性。 ESP隧道模式中签名部分（完整性检查和认证部分）和加密部分分别如图所示。ESP的签名不包括新IP头。 图5 ESP隧道模式 下图标示出了AH隧道模式中的签名部分。AH隧道模式为整个数据包提供完整性检查和认证，认证功能优于ESP。但在隧道技术中，AH协议很少单独实现，通常与ESP协议组合使用。 图6 AH隧道模式

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