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IPSec 安全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，包括认证报头（Authentication Header， AH）协议、封装安全载荷（Encapsulating Security Payload， ESP）协议、密钥管理（Internet Key Exchange， IKE）协议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。
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认证报头（Authentication Header， AH）协议为IP通信提供数据源认证、数据完整性和反重播保证，它能保护通信免受窜改，但不能防止窃听，适用于传输非机密数据。AH的工作原理是在每一个数据包上添加一个身份验证报头。此报头包含一个带密钥的Hash散列，可以将其当作数字签名，但它不使用证书，此Hash散列在整个数据包中计算，因此对数据的任何更改将致使散列无效，这样就提供了完整性保护。但是AH不提供保密服务。IPSec支持的认证算法有HMAC-MD5、HMAC-SHA1。
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封装安全载荷（Encapsulating Security Payload， ESP）协议为IP数据包提供完整性检查、认证和加密，它提供机密性并可防止窜改。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，它必须与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进行时，重播（Replay）保护才是可选的。重播保护只能由接收方选择。
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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，入侵者就可能伪造报文以发动密码分析攻击。
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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。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。
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密钥管理（Internet Key Exchange， IKE）协议是Internet工程任务组（IETF）制定的安全关联标准法和密钥交换解决方案，它提供一种方法供两台计算机建立安全关联（Security Association， SA）。SA对两台计算机之间的策略协议进行编码，指定它们将使用哪些算法和什么样的密钥长度，以及实际的密钥本身。IKE主要完成两个任务：安全关联的集中化管理，减少连接时间；密钥的生成和管理。
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IPSec可以在端系统或者安全网关中实现，也可以在现有的IP实现中集成IPSec，这种方法需要能够修改现有IP实现的源码;BITS（Bump In The Stack）实现方式是在已有的IP协议栈中实现IPSec，使之存在于IP协议和网络驱动器之间;BITW（Bump In The Wire）实现方式是在外部的加密机中实现IPSec，从而在两个路由器或两个主机之间形成安全隧道。
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IPSec的一个重要实现方式是基于VPN（Visual Private Network）的加密机制，由IPSec构成的加密IP隧道，提供了不同介质和地域网间的安全透明连接。
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