VPN技术的开放性预示着必须采用各种公开密码算法，这样算法的安全强度不能依赖于算法本身，只能依靠密钥的机密性。大规模部署VPN，也离不开自动密钥管理协议的支持。
1.RSA密码体制
RSA是一种根据它的发明者Rivest、Shamir和Adleman命 名的公开密钥算法。它方便了对称密钥加密中的密钥交换过程。
1976年，Diffie和Hellman为解决密钥管理问题，在他们的奠基性的工作《密码学的新方向》一文中，提出一种密钥交换协议，允许在不安全的媒体上通过通信双方交换信息，安全地传送秘密密钥。在此新思想的基础上，很快出现了非对称密钥密码体制，即公钥密码体制。在公钥体制中，加密密钥不同于解密密钥，加密密钥公之于众，谁都可以使用；解密密钥只有解密人自己知道。它们分别称为公开密钥和秘密密钥。在迄今为止的所有公钥密码体系中，RSA系统是最著名、使用最多的一种。
下面主要讲述RSA算法的基本要素。
RSA的安全性依赖于大数分解。公开密钥和私有密钥都是两个大素数（大于100个十进制位）的函数。下面描述密钥对是如何产生的。
1）选择两个大素数p和q，计算n=p×q，φ（n）=（p-1）×（q-1）。
2）随机选择和φ（n）互质的数d，要求d<φ（n）。
3）利用Euclid算法计算e，满足：e×d≡1mod（p-1）×（q-1），即d、e的乘积和1模φ（n）同余。
4）于是，数（n，e）是加密密钥，（n，d）是解密密钥。两个素数p和q不再需要，应该丢弃，不要让任何人知道。
加密信息m时，首先把m分成等长数据块m1，m2，…，mi，块长s，其中2s≤n，s尽可能的大。对应的密文：
ci=（mi）emod（n） （6-1）
解密时做如下计算：
mi=（Ci）dmod（n） （6-2）
RSA也可用于数字签名，方案是用式（6-1）签名，式（6-2）验证。具体操作时考虑到安全性和m信息量较大等因素，一般是先做HASH运算。
对于巨大的质数p和q，计算乘积n=p×q非常简便，而逆运算却非常难，这是一种“单向性”，相应的函数称为“单向函数”。任何单向函数都可以作为某一种公开密钥密码系统的基础，而单向函数的安全性也就是这种公开密钥密码系统的安全性。
RSA算法安全性的理论基础是大数的因子分解问题至今没有很好的算法，因而公开e和n不易求出p、q及d。RSA算法要求p和q是两个足够大的素数（例如100位十进制数）且长度相差比较小。
为了说明该算法的工作过程，下面给出一个简单例子，显然在这里只能取很小的数字，但是如上所述，为了保证安全，在实际应用上我们所用的数字要大得多。
【例】选取p=3，q=11，则n=33，φ（n）=（p-1）（q-1）=20。选取d=13（大于p和q的数，且小于φ（n），并与φ（n）互质，即最大公约数是1），通过e×13=1 mod 20，计算出e=17（大于p和q，与φ（n）互质）。
假定明文为整数M=8，则密文C为：
C=Memodn=817mod33=2251799813685248mod33=2
恢复原明文M为：
M=Cdmodn=213mod33=8192mod33=8
因为e和d互逆，公开密钥加密方法也允许采用这样的方式对加密信息进行“签名”，以便接收方能确定签名不是伪造的。
假设A和B希望通过公开密钥加密方法进行数据传输，A和B分别公开加密算法和相应的密钥，但不公开解密算法和相应的密钥。A和B的加密算法分别是ECA和ECB，解密算法分别是DCA和DCB，ECA和DCA互逆，ECB和DCB互逆。若A要向B发送明文P，不是简单地发送ECB（P），而是先对P施以其解密算法DCA，再用加密算法ECB对结果加密后发送出去。(www.xing528.com)
密文C为：C=ECB（DCA（P））
B收到C后，先后施以其解密算法DCB和加密算法ECA，得到明文P。
这样B就确定报文确实是从A发出的，因为只有当加密过程利用了DCA算法，用ECA才能获得P，只有A才知道DCA算法，任何人，即使是B也不能伪造A的签名。
2.Diffie-Hellman密钥交换协议
Diffie-Hellman密钥交换协议是W.Diffie和M.Hellman提出的，一种简化在非安全网络上交换秘密密钥的公开密钥加密算法。他们在1977年出版了第一个公开密钥加密的公开搜索。它的主要目的是简化在不安全网络上交换秘密会话密钥的过程。
它实质是一个通信双方进行密钥协定的协议：两个实体中的任何一个使用自己的私钥和另一实体的公钥，得到一个对称密钥，这一对称密钥其他实体都计算不出来。DH算法的安全性基于有限域上计算离散对数的困难性。离散对数的研究现状表明：所使用的DH密钥至少需要1024位，才能保证有足够的中、长期安全。
DH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。
DH密钥交换协议如下：首先，Alice和Bob双方约定两个大整数n和g，其中1<g<n，这两个整数无须保密，然后执行下面的过程：
1）Alice随机选择一个大整数x（保密），并计算X=gx mod n；
2）Bob随机选择一个大整数y（保密），并计算Y=gy mod n；
3）Alice把X发送给Bob，Bob把Y发送给Alice；
4）Alice计算K=Y x mod n；
5）Bob计算K=Xy mod n。
最后得出的K即是共享的密钥。
监听者Oscar在网络上只能监听到X和Y，但无法通过X和Y计算出x和y，因此，Oscar无法计算出K=gxy mod n。
3.OAKLEY密钥决定协议
Oakley描述了一系列的密钥交换模式，提供密钥交换和刷新功能。
4.SKEME：SecureKeyExchangeMechanism
Hugo Krawczik提出了“安全密钥交换机制（SKEME）”，SKEME描述了通用密钥交换技术，提供匿名性、防抵赖和快速刷新。
5.互联网安全联盟及密钥管理协议
互联网安全联盟及密钥管理协议（Internet Security Association and Key Management Proto-col，ISAKMP）是一个定义在主机之间交换密钥和协商安全参数的框架。ISAKMP定义密钥在非安全网络上交换的一般机制，ISAKMP定义的信息包括报文中消息的位置和通信过程发生的机制，但它不指明使用的协议和算法。
6.互联网密钥交换
互联网密钥交换（Internet Key Exchange，IKE）是一种实现密钥交换定义的协议。IKE是一种在ISAKMP框架下运行的协议。它是从其他密钥交换协议Oakley和SKEME中派生而来的。IKE用于在对等端之间认证密钥并在它们之间建立共享的安全策略。
IKE考虑了IPSec使用的所有算法交换秘密密钥的复杂性。通过将密钥管理函数替代普通的密钥管理协议，简化了将新的算法添加进IPSec栈的过程。IKE使用公开密钥加密算法在非安全网络上安全地交换密钥。
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