中科大郑烇、杨坚《计算机网络》课程 第八章笔记

计算机网络第八章

第 8 章 网络安全

本章目标：

• 网络安全原理:
  • 加密，不仅仅用于机密性
  • 认证
  • 报文完整性
  • 密钥分发
• 安全实践:
  • 防火墙
  • 各个层次的安全性：应用层，传输层，网络层和链路层

8.1 什么是网络安全？

机密性: 只有发送方和预订的接收方能否理解传输的报文内容

• 发送方加密报文
• 接收方解密报文

认证: 发送方和接收方需要确认对方的身份

报文完整性: 发送方、接受方需要确认报文在传输的过程中或者事后没有被改变

访问控制和服务的可用性: 服务可以接入 以及 对用户而言是可用的

朋友和敌人: Alice, Bob, Trudy

网络安全世界比较著名的模型

• Bob, Alice (lovers!) 需要安全的通信
• Trudy (intruder) 可以截获，删除和增加报文

网络中的坏蛋

Q: “bad guy”可以干什么?

A: 很多!

• 窃听: 截获报文
• 插入：在连接上插入报文
• 伪装: 可以在分组的源地址写上伪装的地址
• 劫持: 将发送方或者接收方踢出，接管连接
• 拒绝服务: 阻止服务被其他正常用户使用 (e.g.,通过 对资源的过载使用)
• …

谁有可能是Bob, Alice?

• … 现实世界中的Bobs和Alices!
• 电子交易中的Web browser/server (e.g.,在线 购买)
• 在线银行的client/server 
• DNS servers
• 路由信息的交换
• 其它例子?

8.2 加密原理

加密语言

• plaintext 纯文本
  ciphertext 密文

• 对称密钥密码学: 发送方和接收方的密钥相同

• 公开密钥密码学: 发送方使用接收方的公钥进行加密，接收 方使用自己的私钥进行解密

对称密钥加密

对称密钥密码: Bob和Alice共享一个对称式的密钥: K

• e.g., 密钥在单码替换加密方法中是替换模式
• Q: 但是Bob和Alice如何就这个密钥达成一致呢?

替换密码: 将一个事情换成另外一个事情

• 

Q: 破解这个密码的强度?

• brute force (how hard?)
• other?

对称密钥加密学: DES

DES: Data Encryption Standard

• US 加密标准[NIST 1993]
• 56-bit 对称密钥, 64-bit明文输入
• DES有多安全?
  • DES挑战: 56-bit密钥加密的短语 (“Strong cryptography makes the world a safer place”) 被解密，用了4个月的时间
  • 可能有后门
• 使DES更安全:
  • 使用3个key， 3重DES 运算
  • 密文分组成串技术

DES operation

初始替换
16 轮一样的函数应用 ，每一轮使用的不 同的48bit密钥
最终替换

块密码

• 一个循环：一个 输入bit影响8个 输出bit
• 多重循环: 每个输入比特影响所有的输出bit
• 块密码：DES, 3DES, AES

AES: Advanced Encryption Standard

• 新的对称密钥NIST标准(Nov. 2001) 用于替换 DES
• 数据128bit成组加密
• 128, 192, or 256 bit keys
• 穷尽法解密如果使用1秒钟破解 DES, 需要花 149万亿年破解AES

密码块链

• 密码块：如果输入 块重复，将会得到 相同的密文块
• 密码块链： 异或第i轮 输入 m(i), 与前一轮的密文, c(i-1) —— 与之前所有的 输入和原文 都有关系
  • c(0) 明文传输到接收端
  • what happens in “HTTP/1.1” scenario from above?

公开密钥密码学

对称密钥密码学

• 需要发送方和接收方对共享式对称密钥达成一 致
• Q: 但是他们如何第一次达成一致 (特别是他们永远不可能见面的情况下 )?

公开密钥密码学

• 完全不同的方法 [Diffie-Hellman76, RSA78]
• 发送方和接收方无需共享密钥
• 一个实体的公钥公诸于众
• 私钥只有他自己知道

公开密钥加密算法

要求:

RSA: 选择密钥

RSA: Rivest, Shamir, Adelson algorithm

RSA: 加密,解密

RSA: 为什么

RSA 例子:

RSA: 数字签名 —— 先解密（私钥） 在加密（公钥） 确认身份

下面的特性将在后面非常有用

结果一致!

解密的几种类型

• 加密算法已知，求密钥
• 加密算法和密钥均不知道
• 唯密文攻击
• 已知明文攻击
  • 已经知道部分密文和明文的对应关系
• 选择明文攻击
  • 攻击者能够选择一段明文，并得到密文

8.3 认证

• 目标: Bob需要Alice证明她的身份
• Protocol ap1.0: Alice说“I am Alice”

在网络上Bob看不到 Alice, 因此Trudy可以简单地声称她是 Alice

认证:重新尝试

• Protocol ap2.0: Alice 说 “I am Alice” ，在她发送的IP数据包 中包括了她的IP地址
  • Trudy可以生成一 个分组，包括伪造 的Alice的地址

• Protocol ap3.0: Alice 说 “I am Alice” ，而且传送她的密码来证明.
  • 重放攻击playback attack: Trudy记录 Alice 的 分组，事后向Bob重放

• Protocol ap3.1: Alice 说 “I am Alice” ，而且传送她的加密之后的密码来证明

  

目标: 避免重放攻击

• Nonce: 一生只用一次的整数 ® —— 一次性随机数(nonce):一个生命周期内只用1次的数R.
• ap4.0: 为了证明Alice的活跃性, Bob发送给Alice一个nonce, R. Alice 必须返回加密之后的R，使用双方约定好的key

这个协议的缺点是需要共享秘钥！

认证: ap5.0

ap4.0 需要双方共享一个对称式的密钥

• 是否可以通过公开密钥技术进行认证呢?

ap5.0: 使用nonce,公开密钥加密技术

ap5.0: 安全漏洞 —— 中间攻击

中间攻击: Trudy 在 Alice (to Bob)和 Bob之间 (to Alice)

Trudy 用自己的私钥加密 R
传给Bob 公钥

Trudy 截获 Alice 的信息 和 公钥，用Alice 的 公钥 解密 她的 私钥

Bob 与 Alice 之间的信息全被 Trudy 截获

1、怎样可靠地拿到一个实体的公钥 —— 公开密钥
2、拿到公钥之后怎样验证对方的身份 —— 利用对称密钥

8.4 报文完整性

ap5.0: 安全漏洞

中间攻击: Trudy 在 Alice (to Bob)和 Bob之间 (to Alice)

• 难以检测:
  • Bob收到了Alice发送的所有报文, 反之亦然. (e.g., so Bob, Alice一个星期以后相见，回忆起以前的会话)
  • 问题时Trudy也接收到了所有的报文!

数字签名

数字签名类比于手写签名

• 发送方 (Bob) 数字签署了文件, 前提是他(她)是文件 的拥有者/创建者.
• 可验证性，不可伪造性，不可抵赖性
  • 谁签署：接收方 (Alice)可以向他人证明 是 Bob, 而不是其他 人签署了这个文件 (包括Alice)
  • 签署了什么：这份文件，而不是其它文件

简单的对ｍ的数字签名：

• Bob使用他自己的私钥对m进行了签署 ，创建数字签名 K_B (m)

报文摘要

对长报文进行公开密钥加密 算法的实施需要耗费大量的时间

• Goal: 固定长度，容易计算的 “fingerprint”

  • 对m使用散列函数H，获得 固定长度的 报文摘要 H(m).

• 散列函数的特性：

  • 多对1
  • 结果固定长度
  • 给定一个报文摘要x, 反向计算出原报文在计算上是不可行的x = H(m)

• 假设Alice收到报文m, 以及数字签名KB (m)

• Alice 使用Bob的公钥KB 对KB (m)进行验证， 判断 KB (KB (m) ) = m是否成立.

• 如 KB (KB (m) ) = m成立, 那么签署这个文件的人一定拥有 Bob的私钥. + + - - -

Alice 可以验证: —— 只有Bob有自己的私钥

• Bob 签署了m.
• 不是其他人签署了m.
• Bob签署了m 而不是m’.

不可抵赖性:

• Alice可以拿着m,以及数字签名KB (m)到法庭上， 来证明是Bob签署了这个文件 m.

Internet校验和: 弱的散列函数 （容易冲突）

Internet 校验和拥有一些散列函数的特性:

• 产生报文m的固定长度的摘要 (16-bit sum)
• 多对1的

但是给定一个散列值，很容易计算出另外一个报文具有同样的散列值:

数字签名 = 对报文摘要进行数字签署

Bob 发送数字签名的报文:

Alice校验签名和报文完整性:

8.5 密钥分发和证书

散列函数算法

• MD5散列函数(RFC 1321)被广泛地应用
  • 4个步骤计算出128-bit的报文摘要
  • 给定一个任意的128-bit串x, 很难构造出一个报文m 具有相同的摘要x.
• SHA-1也被使用.
  • US标准 [NIST, FIPS PUB 180-1]
  • 160-bit报文摘要

可信赖中介

对称密钥问题

• 相互通信的实体如何分享对
  称式的密钥?

解决办法: —— 可信赖中介

• trusted key distribution center (KDC) 在实体之间扮演可信赖中介的角色

公共密钥问题 —— 可信赖的CA 证书

• 当Alice获得Bob的公钥 (from web site, e-mail, diskette), 她如何知道就 是Bob的public key, 而不 是Trudy的?

解决办法:

• 可信赖的certification authority (CA)

Key Distribution Center (KDC)

• Alice, Bob 需要分享对称式密钥。
• KDC: 服务器和每一个注册用户都分享一个对称式的密钥 (many users)
• Alice, Bob在和KDC通信的时候，知道他们自己的对称式 密钥 KA-KDC、KB-KDC.

共享R1，使用R1作为对称式的会话密钥

Certification Authorities

• Certification authority (CA): 将每一个注册实体E和他的公钥捆绑.

• E (person, router) 到CA那里注册他的公钥.

  • E 提供给CA，自己身份的证据 “proof of identity”
  • CA创建一个证书，捆绑了 实体信息和他的公钥.
  • Certificate包括了E的公钥，而且是被CA签署的（被CA用自己的私钥加了密的） – CA说 “this is E’s public key”

当Alice需要拿到Bob公钥

• 获得Bob的证书certificate (从Bob或者其他地方).
• 对Bob的证书，使用CA的公钥来验证

证书包括:

8.6 各个层次的安全性

SSL

SSL: 3阶段

IPsec: 网络层次的安全性

ESP 协议

8.6 访问控制：防火墙

8.7 攻击和对策

网络安全 (总结)

• 基本原理
  • 加密 (对称和公开)
  • 报文完整性
  • 端节点的认证（鉴别）
• 在多种安全场景中使用
  • 安全电子邮件
  • 安全传输层 (SSL)
  • IP sec
  • 802.11
• 运行中的安全性: firewalls and IDS