主模式被设计成将 密钥交换信息 与 身份认证信息 相分离的一种交换技术。通过这种分离，得以将 交换的身份信息 进行加密保护，从而保证身份信息在传输过程中的安全性。

主模式总共需要经过 3 个步骤，共6条消息，来完成第一阶段的协商，最终建立 IKE SA。
这 3 个步骤分别是：模式协商；DH 交换、Nonce 交换；对对方身份的验证；

主模式的特点包括 身份保护 以及 对ISAKMP协商能力的完全利用。其中，身份保护在对方希望隐藏自己的身份时显得尤为重要。在我们讨论野蛮模式时，若使用预共享密钥方法验证，协商能力的完全利用与否也会凸显出其重要性。

交互过程

在消息1、2发送之前，协商发起者和响应者必须计算产生自己的cookie，用于唯一标识每个单独的协商交换，cookie使用源/目的IP地址、随机数字、日期、时间进行 MD5 运算得出，并且放入消息1的ISAKMP中，用以标识单独的一个协商交换。

在第一次交换中

需要交换双方的 cookie 和 SA 载荷

在 SA 载荷中，携带需要协商的 IKE SA 的各项参数，包括：IKE的散列类型、加密算法、认证算法、IKE SA 的协商时间限制、……

第一次交换后，第二次交换前，通信双方需要生成用于产生Diffie-Hellman共享密钥的DH值。生成方法是双方各自生成一个随机数字，通过DH算法对随机数字进行运算，得出一个DH值Xa和Xb（Xa是发起放的DH值，Xb是响应者的DH值），然后双方再根据DH算法运算得出一个临时值Ni和Nr。

在第二次交换中

双方交换各自的密钥交换载荷（即 DH 交换）以及临时值载荷（即nonce交换）。

其中密钥交换载荷包含了Xa和Xb，临时值交换包含了Ni和Nr。

双方交换了临时值载荷Ni和Nr之后，配合事先预置好的预共享密钥，再通过为随机函数运算便可产生一个密钥SKEYID，这个密钥使后续所有密钥生成的基础。随后，通过自己算出来的DH值、交换得到的DH值以及SKEYID进行运算便可产生一个只有双方才知道的共享密钥SKEYID_d。此共享密钥并不进行传输，传输的只是是DH值以及临时值，因此即使第三方得到了这些材料也无法计算出共享密钥。

在第二次交换完成之后，双方所需的计算材料都已经交换完毕，此时，双方就可以将所有的密钥计算出来，并使用该密钥对随后的IKE消息提供安全保护。这些密钥包括：SKEYID_a、SKEYID_e 、SKEYID_a 用来为IKE消息提供完整性以及数据源身份验证等安全服务；SKEYID_e则用于对IKE消息进行加密。

在第三次交换中

是对 标识载荷 和 散列载荷 进行交换。

标识载荷包含 发起者的标识信息、IP-ADDR 或主机名，
散列载荷包含上一过程中产生的三组密钥进行 HASH 运算得出的值。

此时，这两个载荷是通过 SKEYID_e 进行加密的，如果双方的载荷相同，那么认证成功。

至此，IKE Phase 1 主模式预共享密钥交换也就完成了。

实验观察

实验拓扑：

交互抓包（./ipsec-main-mode.pcapng）：