如果你在某個 VPN 應用程式的設定中查看，通常會見到一列協定選項。IPsec 是其中常見的一項，有時會寫成 IKEv2/IPsec。它也內建於 Windows、macOS 與 iOS，所以你可能在不自覺下已在使用它。
在 1990 年代，IETF 將它標準化為一套在不受信任網絡上保護 IP 流量的通用方式，從兩個辦公網路之間的永久連線，到單一使用者從外部連回企業網絡皆適用。消費者用的 IPsec VPN 將同樣的保護套用在你與伺服器之間：它把你的裝置連到由你的 VPN 供應者營運的伺服器，讓你的流量由該伺服器對外發送，而不是直接從你的裝置外洩。
什麼是 IPsec？
IPsec（Internet Protocol Security）是一組在 IP 網絡上保護資料傳輸的協定。它對每個封包進行加密、驗證封包來源，並檢查傳輸途中是否遭到竄改。
你的資料不是以單一整體穿越互聯網，而是被拆成許多小封包，每個封包外面包著地址資訊以便路由器轉送。IPsec 針對這些個別封包運作。
這個框架提供：
- 加密：每個封包內容都變成密文，網絡營運者或任何竊聽者都無法讀取。
- 完整性檢查：接收端確認資料是否完整無改動。
- 驗證：每一端都要證明自己就是所聲稱的機器，方法可用預共享金鑰（雙方事先共用的祕密密碼）或數位憑證（由受信任單位簽發的憑據）。
- 反重放保護：會拒絕攻擊者先前擷取再重放的封包。
建立在這些協定上的軟硬體即為 IPsec VPN。VPN 的軟體與網絡設備使用 IPsec 在公共網絡上建立受保護的連線。由於 IPsec 在網絡層運作，它能保護整部裝置的 IP 流量，而不只限於單一應用程式。
- IPsec 是一組在 IP 連線的網絡層上為流量提供加密與驗證的協定。
- IPsec VPN 會在兩端之間建立一條加密隧道，任何攔截者看到的都是經過混淆的資料。
- 目前常見配置以 ESP 處理加密，而 IKEv2 在資料傳輸前協商金鑰。
- 隧道模式會把整個原始封包包起來，這是大多數 VPN 連線使用的模式。
- 過時的演算法與舊有設定會削弱 IPsec 的安全性，儘管標準本身仍持續更新。
- 消費者用的 VPN 應用程式通常會為你處理加密設定。
實用的 IPsec 術語與定義
IPsec 的術語可能快速變得複雜。以下是你常遇到的關鍵詞與其意義：
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術語 |
定義說明 |
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密碼演算法（Cipher） |
用來加密資料的數學方法，例如 AES |
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密文（Ciphertext） |
經加密後的資料，沒有金鑰則不可讀取。 |
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Diffie–Hellman 金鑰交換 |
一種讓兩端在不直接傳送祕密的情況下，共同建立共享祕密金鑰的方法。 |
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封裝（Encapsulation） |
把一個封包放進另一個封包內，讓原始封包隱藏在內部。 |
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端點（Endpoint） |
連線兩端的任一系統。 |
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閘道器（Gateway） |
代表整個網絡處理流量的路由器或防火牆。 |
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IP 標頭 |
指示封包來源與目的地的位址包裝。 |
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NAT |
網絡地址轉換（NAT），說明家用路由器如何把一個公共地址分配給多部裝置使用。 |
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網絡層（Network layer） |
在應用程式之下，負責在地址間移動封包的那一層。 |
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封包（Packet） |
你的資料的一小塊，外面包著送達所需的地址資訊。 |
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有效載荷（Payload） |
封包內的內容，以區別於外層的地址包裝。 |
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預共享金鑰（Pre-shared key） |
雙方事先設定的祕密密碼，用以證明身分。 |
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安全聯盟（Security association） |
雙方為某條隧道同意的設定與金鑰記錄。 |
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VPN 用戶端 |
安裝在你裝置上，用來建立與管理連線的應用程式。 |
IPsec VPN 的運作原理為何？
IPsec VPN 通常在四個快速階段建立受保護隧道：兩端先互相驗證，協商加密參數，接著對每個外發封包加密並封裝；接收端再檢查是否遭到竄改，然後解密。
- 驗證與協商： 雙方先證明彼此身分，然後就將使用的加密與完整性演算法，以及對應金鑰達成共識。
- 隧道建立：在參數達成共識後，雙方開啟受保護連線，並把約定設定記錄為安全聯盟，成為該隧道的共用規則書。
- 加密與傳輸：外發封包在離開你的裝置前會被加密與封裝，之後像一般流量一樣穿越互聯網。
- 目的端解密：接收端檢查封包是否遭竄改，然後解密並交付原始資料。
Internet Key Exchange（IKE）負責前兩個階段，而 IKEv2 是目前常見的版本。那段協商通常使用 UDP 埠 500。若你的裝置位於會執行網絡地址轉換（NAT）的路由器後方，雙方會改用 NAT‑T（NAT 穿透）將金鑰交換與後續加密流量包在 UDP 埠 4500 內，以便原封不動通過路由器。
IPsec 的用途為何？
IPsec 用來保護必須經過公共互聯網的流量。最常見的用途包括：遠端員工透過公司閘道器連回辦公網絡、公司據點之間的永久連線，以及那些以 IKEv2/IPsec 保護在公共 Wi‑Fi 上瀏覽的 VPN 應用程式。
站對站與遠端存取IPsec VPNs
站對站 IPsec VPN 把整個網絡連起來。例如公司總部和倉庫在城內不同地點，兩端各放一台閘道器，隧道就在兩者之間。倉庫內的列印機無需在列印機上安裝任何 VPN 軟體，因為閘道器會替整個內部網段處理加密。
遠端存取 IPsec VPN 則把單一裝置連到整個網絡。筆電上的用戶端軟體形成隧道的一端，辦公網路的閘道器形成另一端，因此隧道啟動時，無論你在酒店房間還是外地，都能存取那台伺服器。
IPsec 使用哪些協定？
IPsec 是一套由多項協定組成：
- ESP（Encapsulating Security Payload）： 對有效載荷進行加密與驗證。
- AH（Authentication Header）：檢查有效載荷與大部分 IP 標頭的完整性，但不加密內容。
- IKE（Internet Key Exchange）： 協商參數並建立金鑰。
你可能在 VPN 設定中看到「IKEv2/IPsec」，看起來像是在兩個協定間選擇。但事實並非如此：IKEv2 是用來建立連線，而 IPsec 則保護通過該連線的流量。
為何你多半只會看到 ESP
ESP 是目前 IPsec VPN 中保護流量的方式。AH 會讓你的資料保持可讀，攻擊者一旦擷取封包就能查看，因為它只提供封包來源與完整性的證明，而不加密內容。
AH 在網絡地址轉換（NAT）存在時也會失效，因為它保護 IP 標頭的部分，而 NAT 會改寫那些欄位。家用路由器與行動網絡都使用 NAT，所以 AH 很少被採用。
IPsec 的隧道模式與傳輸模式有何不同？
隧道模式會把整個原始封包（包含標頭）包入新封包內。傳輸模式僅加密有效載荷，保留原始 IP 標頭可見，較適合資料中心內伺服器之間的直接通訊。
單詞 tunnel（隧道）在此有雙重含義，容易造成混淆。IPsec 隧道是兩端之間的受保護連線，而隧道模式則是關乎每個封包要包覆多少內容的另一個決定。
觀察者在隧道模式的連線中看到的是兩端之間的流量，而非被隱藏在內的地址；在傳輸模式中，來源與目的地址仍然可見，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，並新增外層標頭 |
原始標頭保留並可見 |
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典型用途 |
VPN 連線於裝置與網絡之間 |
主機對主機的直接通訊 |
IPsec 的優點與缺點為何？
自 1990 年代起 IPsec 一直被部署使用，其利弊已廣為論述。
IPsec 的優點
- 強大的加密與驗證。現行配置通常將像 的密碼演算法與憑證或預共享金鑰驗證配對，因此每一端在資料移動前都能先證明身分。
- 在網絡層提供覆蓋。電郵用戶端、檔案傳輸與備份會與瀏覽器流量一樣走在受保護的路徑上。
- 應用程式無關性。軟體不需要知道 VPN 的存在，這就是為何數十年歷史的商業應用程式可以在不修改的情況下透過 IPsec 運作。
- 有公開標準。由 IETF 定義的規範使得一個廠商的防火牆通常能與另一廠商的閘道器建立隧道。
IPsec 的缺點
- 設定複雜。雙端要吻合的設定眾多，包括加密演算法、金鑰壽命與識別子。任何一處不匹配都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，這可能在 MTU 較小的連線上造成分段。
- 與防火牆及 NAT 的相容性。部分網絡會封鎖 IPsec 所依賴的埠，或不當處理地址轉換，導致連線無法建立。
若沒有網絡工程師在場處理，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？
若以現代設定配置，IPsec 是安全的；但並非每個部署都如此。較舊的設備可能仍執行已過時的演算法或舊版金鑰交換，導致不同連線的保護程度有差異。
大多數現行部署會將 AES 用於加密，並搭配 HMAC-SHA-2 做完整性驗證。HMAC-SHA-2 使用祕密金鑰產生資料的短指紋，一旦被竄改就會立刻顯現。
舊有配置有時仍使用 DES 或 MD5，這兩者現在都不被視為安全。有些舊硬體還提供 768 或 1024 位元的 Diffie–Hellman 群組。Diffie–Hellman 是讓兩端在不傳送祕密的情況下協定共享金鑰的方法，而群組大小決定所用數值的強度；較小的群組對攻擊的抵抗力較弱，因此現代配置改用更強的 Diffie–Hellman 群組以取代舊設備上的較小群組。
金鑰交換也是需要檢查的重點。IKEv1（1998 年發布）在某些模式下有已知弱點，其中最嚴重的是 aggressive mode（快速模式），它用縮短的握手換取速度，這會讓攻擊者在擷取協商內容後在自己的機器上暴力嘗試猜測共享密碼，而且沒有嘗試次數限制。此外還有降級攻擊（downgrade attack）的風險：有人可能會竄改初始協商，讓雙方降回至他們仍然支援但已不安全的舊式加密。IETF 已在 2023 年正式將 IKEv1 標示為歷史(historic)地位並予以棄用。
IKEv2 的協商更為安全且重鍵（rekey）的處理更佳，重鍵是會話期間定期更換新金鑰的機制。它也加入了 MOBIKE，可在你的裝置 IP 位址改變時維持已建立的隧道，例如手機從 Wi‑Fi 切換到行動數據時能保持連線不中斷。
作為家庭使用者，你不會自行選擇所有這些設定。你的 VPN 應用程式或你僱主的 IT 團隊會處理。重要的是確保軟體是最新且持續獲得更新，因為這能維持演算法與金鑰交換機制的現代性。
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IPsec 與 SSL VPNs 有何不同？
IPsec 可以賦予裝置對遠端網絡的網絡層存取，流量會依 VPN 的設定經由受保護隧道路由。以瀏覽器為基礎的 SSL VPN 通常只會提供對選定資源（例如內部網站）的存取。
IPsec 在較低的網絡層運作，因此能保護裝置發出的所有流量。SSL VPNs 則在較高層運作，使用 TLS 等技術來加密你與銀行網站的連線。因此當 IPsec 隧道啟動時，該裝置的行為就像直接插在遠端網絡上一樣。瀏覽器型 SSL VPN 則相反，它開啟一個到既定資源（例如內聯網頁面或單一內部應用程式）的入口，而裝置本身並不加入該網絡。也有些 SSL VPNs 會執行用戶端程式並像 IPsec 一樣承載全部流量，所以入口式並不是唯一類型。
IPsec 需要雙端匹配的設定，即便作業系統已內建用戶端；而瀏覽器型 SSL VPN 常常無需安裝即可運作，其流量走在使用於 HTTPS 的 TCP 埠 443 上，這個埠通常在網絡與防火牆間被允許通過。因此在酒店或機場等限制較多的 Wi‑Fi 上，瀏覽器型 SSL VPNs 可能較容易使用。
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FAQs
IPsec 使用哪些埠？
IKE 在 UDP 埠 500 上運作，而 NAT‑T（NAT 穿透）會把金鑰交換與後續加密流量轉移到 UDP 埠 4500。ESP 與 AH 並不是埠，而是協定號碼 50 與 51。防火牆必須允許這些，否則隧道無法建立。
IPsec 會令我的連線變慢嗎？
會，有一點點。對每個封包進行加密會消耗一些運算資源（CPU），而流量也會經由 VPN 伺服器轉送。大部分人在瀏覽或串流時不會察覺到明顯差異。伺服器距離所增加的延遲對速度的影響通常遠大於協定本身。
IPsec 會如何影響 MTU 與 MSS？
IPsec 大約每個封包增加 50 到 70 個位元組，這可能導致封包分段。管理員會限制 TCP 的 MSS 以作補償，但沒有統一標準數值：實際數字取決於所用加密、是否啟用 NAT‑T，以及底層鏈路的 MTU。
IPsec 使用對稱還是非對稱加密？
兩者皆用。IKE 使用非對稱密碼學（Diffie–Hellman 金鑰交換），讓雙方在不傳送祕密的情況下協定共享祕密。該共享祕密隨後會作為對稱密碼（通常為 AES）的密鑰，以保護流量。
