第八章 网络安全基础

网络安全概述

基本概念

• 网络安全通信的基本属性：
  • 机密性；只有发送方与预定接收方能够理解报文内容
  • 消息完整性；发送方和接收方希望确保信息未被篡改，或发生篡改一定会被检测到
  • 可访问性与可用性；可访问与可用性是网络信息可悲授权实体访问并按需求使用的特性
  • 身份认证；发送方与接收方希望确认彼此的真实身份
• 网络安全：网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然或者恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄露，系统连续可靠正常地运行，网络服务不中断

网络安全威胁

• 窃听：报文传输过程中窃听信息，或偶去报文信息
• 插入：攻击者主动在连接中插入信息，混淆信息，让接收者收到虚假信息
• 假冒：可以伪造分组中的源地址
• 劫持：通过移除/取代发送方或接收方“接管”连接
• 拒绝服务Dos和分布式DDos等；拒绝：阻止服务器为其他用户提供服务；DDos：利用多个源主机协同淹没对方
• 映射：在发起攻击前先“探路”，找出网络上在运行说明服务，利用ping命令确定网络上的主机的地址，最后使用端口扫描的方法一次尝试与每个端口建立TCP连接
• 嗅探：通过混杂模式网络接口卡，可以接收或记录所有广播介质上的分组/帧，可以读到所有未加密数据
• IP欺骗：直接由应用生成“原始”IP分组，设置分组的源IP地址字段为任意值，接收方无法判断源地址是否被欺骗，可能导致错误述的接收，或者隐藏网络安全攻击身份

数据加密

• M是可能明文的有限集称为明文空间
• C是可能密文的有限集称为密文空间
• K是一切可能密钥构成的有限集称为密钥空间
• E为加密算法，对于任一密钥，都能够有效计算
• D为解密算法，对于任一密钥，都能够有效计算

传统加密方式

• 加密方法分为替代密码和换位密码：
  • 替代密码；典型：凯撒密码——将字母按顺序后推3位（不算本身往后推三）
  • 换位密码；也称置换密码，基本流程如下：将明文按照密钥长度进行分组并按行排列，不足用x补充，按密钥规定顺序将分组按序输出；书中示例如下：

对称密钥加密

• 对称密钥加密系统可分为分组密码和流密码
• 常见分组密码：
  • DES：使用56位密钥，明文为64位分组序列，共进行16轮的加密，每轮加密都会进行复杂的替换和置换操作，并且每轮加密都会使用一个由56位密钥导出的48位子密钥，最终输出与明文等长的64位密钥
  • 三重DES：加密时采用加密-解密-加密
  • AES：涉及操作——字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加；特点——分组长度和密钥长度可变、循环次数允许在一定范围内根据安全要求进行修正、汇聚了安全、效率、易用、灵活等优点、抗线性攻击和抗差攻击的能力大大增强、如果1s暴力破解DES，则需要149万亿年破解AES
  • IDEA加密算法：分组长度为64位的分组密码算法、密钥长度位128位，同一个算法可用于加密也可以解密

非对称/公开密钥加密

• RSA：目前应用较广泛的公开密钥算法，算法安全性高，计算量大，除RSA外还有Diffie-Hellman算法

• Alice用BOb公有密钥和加密算法加密成密文传输给Bob
• Bob用Bob的私钥和解密算法解密Alice加密的密文
• Bob私钥加密可以用Bob公钥解密

消息完整性和数字签名

报文/消息完整性，也成为报文/消息认证其主要目标：证明报文确实来自声称的发送方；验证报文在传输过程中没有被篡改；预防报文的时间、顺序被篡改、预防报文持有期被篡改；预防抵赖

消息完整性检测方法

• 密码散列函数的主要特性：一般的散列函数具有算法公开、能够快速计算、对任意长度报文进行多对一映射均能产生定长输出、对于任意报文无法预知其散列值、不同报文不能产生相同的散列值
• 典型散列函数：
  • MD5——得到128位散列值
  • SHA-1——产生160位的散列值，典型的用于创建数字签名的单向散列算法

报文认证

• 报文认证：使消息的接收者能够检验收到的消息是否是真实的认证方法
• 简单报文验证工作原理如下：
  
• 报文认证码MAC工作原理如下图所示：
  

注：MAC发送方和接收方共享一个认证密钥

数字签名

• 消息认证使接收方能验证发送方以及所发消息内容是否被篡改过
• 数字签名多用于身份指明
• 数字签名的要求：
  • 接收方能够确认或证实发送方的签名，但不能伪造
  • 发送方发出签名的消息给接收方后，并不能再否认它所签发的消息
  • 接收方对已收到的签名消息不能否认，既有收报认证
  • 第三者可以确认收发双方之间的消息传送，并不能伪造这一过程
• 简单数字签名：数字签名用私有密钥加密，认证用公开密钥解密

• 签名报文摘要工作流程如下：

身份认证

• 为了预防重放攻击，比较有效的方式是引入一次性随机数

• 在一次性随机数上利用公钥加密技术

存在的安全漏洞（“传话人危机”）示意图如下：

密钥分发中心与证书认证机构

密钥分发中心

• 通信发起方生成会话密钥

• 由KDC为双方生成通信的会话密钥
  

证书认证机构

• 认证中心（CA）的作用：
  • 证实一个实体的真实身份
  • 一旦验证了某个实体的身份，CA会生成一个把其身份和实体的公钥绑定起来的证书

防火墙与入侵检测系统

防火墙基本概念

• 防火墙发挥作用的基本前提：保证从外部不到内部和从内部到外部的所有流量都经过防火墙，并且仅被授权的流量允许通过，防火墙能够限制对授权流量的访问

防火墙分类

• 无状态分组过滤器；部署在内部和网络边缘路由器上的防火墙；进行过滤是基于以下参数进行决策：IP数据报的源IP地址和目的IP地址、TCP/UDP报文段的源端口号和目的端口号、ICMP报文类型、TCP报文段的SYN和ACK标志位等
• 有状态分组过滤器
• 应用网关；二者结合

入侵检测系统IDS

• 入侵检测系统：当观察到的潜在的恶意流量时，能够产生警告的设备或系统，IDS不仅仅针对TCP/IP首部进行操作，而且会进行深度包检测，并检测多数据之间的相关性

网络安全协议

安全电子邮件

• 电子邮件对网络安全的需求主要有以下方面：
  • 机密性；真正接收方才可以阅读邮件
  • 完整性；邮件传输过程中不被篡改
  • 身份认证性；发送方不能被假冒，接收方能够确认发送方的身份
  • 抗抵赖性；发送方无法抵赖
• 安全电子邮件标准——1991、PGP标准
• PGP加密过程：

• PGP解密过程：

安全套接字层SSL

• HTTP协议使用SSL进行安全通信时称为HTTPS
• 简化SSL主要包括内容：
  • 发送方和接收方利用各自证书、私钥认证、鉴别彼此，并交换共享密钥
  • 密钥派生或密钥导出，发送方和接收方利用共享密钥派生出一组密钥
  • 数据传输，将传输数据分割为一系列记录，加密后传输
  • 连接关闭，通过发送特殊消息，安全关闭连接，不能留有漏洞被攻击方利用
• SSL协议栈：

• SSL握手过程：
  • 客户发送其支持的算法列表 ，以及客户一次随机数nonce,服务器从算法列表中选择算法，并发给客户自己的选择，公钥证书和服务器端一次随机数nonce
  • 客户验证证书，提取服务器公钥，生成预主密钥，并利用服务器中的公钥加密预主密钥，发送给服务器，实现密钥的分发
  • 客户与服务器基于预主密钥和一次随机数，分别独立计算加密密钥和MAC密钥
  • 客户发送一个针对所有握手消息的MAC，并将此MAC发送给服务器
  • 服务器发送一个针对所有握手消息的MAC，并将此MAC发送给客户

虚拟专用网VPNN和IP安全协议IPec

• PN——基于专属的网络设备、链路或协议等建立的专门服务与特定组织机构的网络
• VPN关键技术——隧道技术、数据加密、身份认证、密钥管理、访问控制和网络管理等
• 隧道协议包括协议：
  • 乘客协议：确定封装对象属于哪个协议
  • 封装协议：确定遵循哪一种协议进行封装，需要加什么字段
  • 承载协议：确定最后的对象会放入哪类公共网络
• VPN技术的实现技术IPSec是最安全、使用最广的技术
• IPSec两种典型传输模式：传输模式和隧道模式
• 安全关联SA建立需要维护的参数：
  • 安全参数索引（SPI）；32位唯一标识
  • 序列号；用于抗重放攻击
  • 抗重放窗口；接收方利用滑动窗口检测恶意主机重放数据报
  • 生存周期；使用周期
  • 运行模式；分为传输模式和隧道模式
  • IPSec隧道源和目的地址；只在隧道模式下才有这两个参数
• AH协议和ESP是IPSec的核心
  • 传输模式AH
  • 隧道模式AH
  • 传输模式ESP
  • 隧道模式ESP
• IPSec密钥交换IKE主要包括内容如下：
  • 互联网安全关联与密钥管理协议（ISAKMP）
  • 密钥交换协议OAKELY
  • 共享和密钥更新技术SKEME