IPSec是一种端到端的确保IP层通信的安全体系，是一组协议，下面讨论是基于IPv4的讨论。AH协议与ESP协议是IPSec的两个核心协议，如下图所示。AH（Authentication Header）是验证头部协议，ESP（Encapsulating Security Payload）是封装安全载荷协议，从名字上来看AH主要用于验证IP头部，ESP主要用于加密。下面会详细介绍区别与联系。
区别与联系：构成元素→结构→功能，从构成元素，到协议的结构，再到功能来分析。（协议的三要素：语法、语义、时序）
| 区别与联系 | AH协议 | ESP协议 |
|---|---|---|
| 名字 | 验证头部协议 | 封装安全载荷协议 |
| IP协议封装的协议 | 是 | 是 |
| IP协议字段 | 51 | 50 |
| 下一头部 | 在最开始的8位，指明载荷类型（TCP\UDP\IP\IPSec） | ESP尾部，8位，语义与AH一致 |
| 载荷长度 | 8比特，表示以32比特为单位的AH头部长度减2 | 无此字段 |
| 保留字段 | 16bits，默认0，为保留用 | 无此字段 |
| SPI | 32比特，用于标识有相同IP地址和相同安全协议的不同SA。由SA的创建者定义，只有逻辑意义 | ESP头部，32位，语义与AH一致 |
| 序列号 | 32比特，一个单项递增的计数器，用于防止重放攻击，SA建立之初初始化为0，序列号不允许重复 | ESP头部，32位，语义与AH一致 |
| 认证数据 | 摘要或者指纹，用于认证，由SA初始化时指定的算法来计算，长度=整数倍32位比特，变长（通信双方必须采用相同的HMAC算法和密钥，认证数据是HMAC算法结果，被称为数据报的完整性校验值ICV，） | ESP验证数据，可选，选择ESP验证服务时使用，语义和AH一致（但具体验证区域不同） |
| 载荷数据 | 紧跟AH头部的载荷，变长，明文 | 可变长字段，包含实际的载荷数据，根据是否需要加密，该字段可以是密文或者明文 |
| 填充和填充长度 | 无 | 填充字段，0-255字节，大多数加密算法要求输入数据包含整数个分组，因此需要填充。填充长度，8bits，填充字段的长度。 |
| 报文格式 | AH头部+AH载荷 | ESP头部+ESP净荷+ESP尾部（填充、填充长度和下一个头字段）+ESP验证数据（可选） |
| 传输模式 | 保护IP载荷 | 保护IP载荷 |
| 传输模式验证区域 | IP头部+AH头部+TCP/UDP头部+数据（可变字段除外） | ESP头部+ TCP/UDP头部+数据+ESP尾部 |
| 传输模式加密区域 | 无 | ESP净荷+ESP尾部 |
| 隧道模式 | 保护整个IP包 | 保护整个IP包 |
| 隧道模式验证区域 | 新IP头部+AH头部+ IP头部+ TCP/UDP头部+数据（可变字段除外） | ESP头部+IP头部+TCP/UDP头部+数据+ESP尾部 |
| 隧道模式加密区域 | 无 | ESP净荷+ESP尾部 |
| 外出处理 | 查询SAD，产生或增加序列号，计算完整性校验值（ICV） | 如果验证，则和AH相同；如果进行加密，则还会加密分组；如果加密+验证，则计算ICV和加密都有 |
| 进入处理 | 重组分片，查询SAD并操作，查询SPD并检查，检查序列号（抗重放功能），认证检查数据完整性 | 如果验证，则和AH相同；如果加密，则还需解密操作；如果验证+加密，则计算ICV比较和解密都有 |
| 算法 | 验证 | 验证、加密（至少有一种） |
| 服务 | 无连接的数据完整性：通过哈希函数产生的校验来保证 数据源身份认证：通过计算校验码时加入一个共享密钥实现 防止重放攻击：AH报头的序列号可以防止重放攻击 | 除了AH已有的三种服务之外（可选），还提供数据包加密和数据流加密 |
| 与NAT的联系 | NAT会对IP头进行修改导致AH协议下的IPsec不能穿越NAT | 如果是NAT对IP头进行修改，ESP能适用于NAT。但如果NAT为IP地址映射+端口映射（端口改变），则ESP协议下的IPSec都不能适用NAT（考虑NAT-T） |
总结 ：ESP的验证灵活，不验证IP头部（传输模式）或新IP头部（隧道模式），这使得它能很好的兼容NAT。但是，这也使得接收端无法检测IP头部被修改的情况（只要保证校验和计算正确），故ESP的验证服务没有AH的验证服务强大。所以，AH主要用于验证IP头部，ESP主要用于加密，通常也会将两者嵌套使用。
注：IP协议字段（Protocol）8bits，使用IP服务的高层协议，1（ICMP），2（IGMP），4（IP），6（TCP），8（EGP），17（UDP），41（IPv6）,89（OSPF)。
参考：
[1]. 网络安全（第2版）胡道元等
[2]. https://blog.csdn.net/weixin_38387929/article/details/117586652 （详解: IPsec 穿越 NAT 之道）
[3]. https://blog.csdn.net/bytxl/article/details/16825251（AH协议与ESP协议简析）
