网络安全

计算机网络面临的安全性威胁

计算机网络上的通信面临以下的四种威胁：
(1) 截获——从网络上窃听他人的通信内容。
(2) 中断——有意中断他人在网络上的通信。
(3) 篡改——故意篡改网络上传送的报文。
(4) 伪造——伪造信息在网络上传送。
截获信息的攻击称为被动攻击，而更改信息和拒绝用户使用资源的攻击称为主动攻击，拒绝服务攻击(DOS)等。

对网络的被动攻击和主动攻击

• 在被动攻击中，攻击者只是观察和分析某一个协议数据单元 PDU 而不干扰信息流。
• 主动攻击是指攻击者对某个连接中通过的 PDU 进行各种处理。
  1、更改报文流
  2、拒绝报文服务
  3、伪造连接初始化

恶意程序(rogue program)
(1) 计算机病毒——会“传染”其他程序的程序，“传染”是通过修改其他程序来把自身或其变种复制进去完成的。
(2) 计算机蠕虫——通过网络的通信功能将自身从一个结点发送到另一个结点并启动运行的程序。
(3) 特洛伊木马——一种程序，它执行的功能超出所声称的功能。
(4) 逻辑炸弹——一种当运行环境满足某种特定条件时执行其他特殊功能的程序。

计算机网络安全的内容

一般的数据加密模型

密码编码学(cryptography)是密码体制的设计学，而密码分析学(cryptanalysis)则是在未知密钥的情况下从密文推演出明文或密钥的技术。密码编码学与密码分析学合起来即为密码学(cryptology)。

• 对称密钥密码体制
  常规密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。
  数据加密标准 DES 属于常规密钥密码体制，是一种分组密码。DES 的保密性仅取决于对密钥的保密。
  • 在加密前，先对整个明文进行分组。每一个组长为 64 位。
  • 然后对每一个 64 位 二进制数据进行加密处理，产生一组 64 位密文数据。
  • 最后将各组密文串接起来，即得出整个的密文。
    使用的密钥为 64 位（实际密钥长度为 56 位，有 8 位用于奇偶校验)。
• 公钥密码体制
  公钥密码体制使用不同的加密密钥与解密密钥，是一种“由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的”密码体制。最著名的公钥密码体制是RSA 体制，它基于数论中大数分解问题的体制。
  • 在公钥密码体制中，加密密钥(即公钥) PK 是公开信息，而解密密钥(即私钥或秘钥) SK 是需要保密的。加密算法 E 和解密算法 D 也都是公开的。
  • 虽然秘钥 SK 是由公钥 PK 决定的，但却不能根据 PK 计算出 SK。
  • 公钥算法的特点 :
    发送者 A 用 B 的公钥 PK_B 对明文 X 加密（E 运算）后，在接收者 B 用自己的私钥 SK_B 解密（D 运算），即可恢复出明文：
    
    加密和解密的运算可以对调
    

公钥密码体制

数字签名

数字签名必须保证以下三点：
(1) 报文鉴别——接收者能够核实发送者对报文的签名；
(2) 报文的完整性——发送者事后不能抵赖对报文的签名；
(3) 不可否认——接收者不能伪造对报文的签名。
现在已有多种实现各种数字签名的方法。但采用公钥算法更容易实现。

数字签名的实现

只有A掌握自己 的私钥，没有别人能产生这个密文。 B用A的PK签收报文 X后相信 是 A 签名发送的。
1、若 A 要抵赖曾发送报文给 B，B 可将明文和对应的密文出示给第三者。第三者很容易用 A 的公钥去证实 A 确实发送 X 给 B。
2、若 B 将 X 伪造成 X‘，则 B 不能在第三者前出示对应的密文。这样就证明了 B 伪造了报文。

具有保密性的数字签名

鉴别

在信息的安全领域中，对付被动攻击的重要措施是加密，而对付主动攻击中的篡改和伪造则要用鉴别(authentication) 。
报文鉴别使得通信的接收方能够验证所收到的报文（发送者和报文内容、发送时间、序列等）的真伪。
使用加密就可达到报文鉴别的目的。但在网络的应用中，许多报文并不需要加密。应当使接收者能用很简单的方法鉴别报文的真伪。
报文鉴别
许多报文并不需要加密但却需要数字签名，以便让报文的接收者能够鉴别报文的真伪。
然而对很长的报文进行数字签名会使计算机增加很大的负担（需要进行很长时间的运算），当我们传送不需要加密的报文时，应当使接收者能用很简单的方法鉴别报文的真伪。

• 报文摘要 MD(Message Digest)
  • A 将报文 X 经过报文摘要算法运算后得出很短的报文摘要 H。然后然后用自己的私钥对 H 进行 D 运算，即进行数字签名。得出已签名的报文摘要 D(H)后，并将其追加在报文 X 后面发送给 B。
    B 收到报文后首先把已签名的 D(H) 和报文 X 分离。然后再做两件事。
    (1) 用A的公钥对 D(H) 进行E运算，得出报文摘要 H 。
    (2) 对报文 X 进行报文摘要运算，看是否能够得出同样的报文摘要 H。如一样，就能以极高的概率断定收到的报文是 A 产生的。否则就不是。
  • 报文摘要的优点
    仅对短得多的定长报文摘要 H 进行数字签名要比对整个长报文进行数字签名要简单得多，所耗费的计算资源也小得多。但对鉴别报文 X 来说，效果是一样的。也就是说，报文 X 和已签名的报文摘要 D(H) 合在一起是不可伪造的，是可检验的和不可否认的。
  • 报文摘要算法
    报文摘要算法就是一种散列函数。这种散列函数也叫做密码编码的检验和。
    报文摘要算法是精心选择的一种单向函数。可以很容易地计算出一个长报文 X 的报文摘要 H，但要想从报文摘要 H 反过来找到原始的报文 X，则实际上是不可能的。
    若想找到任意两个报文，使得它们具有相同的报文摘要，那么实际上也是不可能的。
    
• 实体鉴别
  报文鉴别是对每一个收到的报文都要鉴别报文的发送者，而实体鉴别是在系统接入的全部持续时间内对和自己通信的对方实体只需验证一次。
  • 最简单的实体鉴别过程
    A 发送给 B 的报文的被加密，使用的是对称密钥 KA_B。
    B 收到此报文后，用共享对称密钥 KA_B进行解密，因而鉴别了实体 A 的身份。

入侵者 C 可以从网络上截获 A 发给 B 的报文。C 并不需要破译这个报文（因为这可能很花很多时间）而可以直接把这个由 A 加密的报文发送给 B，使 B 误认为 C 就是 A。然后 B 就向伪装是 A 的 C 发送应发给 A 的报文。
这就叫做重放攻击(replay attack)。C 甚至还可以截获 A 的 IP 地址，然后把 A 的 IP 地址冒充为自己的 IP 地址（这叫做 IP 欺骗），使 B 更加容易受骗。

为了对付重放攻击，可以使用不重数(nonce)。不重数就是一个不重复使用的大随机数，即“一次一数”。

中间人攻击

中间人攻击说明
A 向 B 发送“我是 A”的报文，并给出了自己的身份。此报文被“中间人” C 截获，C 把此报文原封不动地转发给 B。B 选择一个不重数 RB 发送给 A，但同样被 C 截获后也照样转发给 A。
中间人 C 用自己的私钥 SK_C 对 RB 加密后发回给 B，使 B 误以为是 A 发来的。A 收到 RB 后也用自己的私钥 SK_A 对 RB 加密后发回给 B，中途被 C 截获并丢弃。B 向 A 索取其公钥，此报文被 C截获后转发给 A。
C 把自己的公钥 PK_C冒充是 A 的发送给 B，而 C 也截获到 A 发送给 B 的公钥 PK_A。
B 用收到的公钥 PK_C（以为是 A 的）对数据加密发送给 A。C 截获后用自己的私钥 SK_C 解密，复制一份留下，再用 A 的公钥 PK_A对数据加密后发送给 A。A 收到数据后，用自己的私钥 SKA 解密，以为和B进行了保密通信。其实，B发送给A的加密数据已被中间人 C 截获并解密了一份。但 A 和 B 却都不知道。

密钥分配

密钥管理包括：密钥的产生、分配、注入、验证和使用。本节只讨论密钥的分配。
密钥分配是密钥管理中最大的问题。密钥必须通过最安全的通路进行分配。
目前常用的密钥分配方式是设立密钥分配中心 KDC (Key Distribution)，通过 KDC 来分配密钥。

• 对称密钥的分配

• 公钥的分配
  需要有一个值得信赖的机构——即认证中心CA (Certification Authority)，来将公钥与其对应的实体（人或机器）进行绑定(binding)。
  认证中心一般由政府出资建立。每个实体都有CA 发来的证书(certificate)，里面有公钥及其拥有者的标识信息。此证书被 CA 进行了数字签名。任何用户都可从可信的地方获得认证中心 CA 的公钥，此公钥用来验证某个公钥是否为某个实体所拥有。有的大公司也提供认证中心服务。

因特网使用的安全协议

网络层安全协议

网络层保密是指所有在 IP 数据报中的数据都是加密的。

• 安全关联 SA(Security Association)
  在使用 AH 或 ESP 之前，先要从源主机到目的主机建立一条网络层的逻辑连接。此逻辑连接叫做安全关联 SA。IPsec 就把传统的因特网无连接的网络层转换为具有逻辑连接的层。
  • 安全关联是一个单向连接。它由一个三元组唯一地确定，包括：
    (1) 安全协议（使用 AH 或 ESP）的标识符
    (2) 此单向连接的源 IP 地址
    (3) 一个 32 位的连接标识符，称为安全参数索引 SPI (Security Parameter Index)
  • 对于一个给定的安全关联 SA，每一个 IPsec 数据报都有一个存放 SPI 的字段。通过此 SA 的所有数据报都使用同样的 SPI 值。
• IPsec 中最主要的两个部分
  • 鉴别首部 AH (Authentication Header)： AH鉴别源点和检查数据完整性，但不能保密。
    在使用鉴别首部协议 AH 时，把 AH 首部插在原数据报数据部分的前面，同时把 IP 首部中的协议字段置为 51。
    在传输过程中，中间的路由器都不查看 AH 首部。当数据报到达终点时，目的主机才处理 AH 字段，以鉴别源点和检查数据报的完整性。
  • 封装安全有效载荷 ESP (Encapsulation Security Payload)：ESP 比 AH 复杂得多，它鉴别源点、检查数据完整性和提供保密
    使用 ESP 时，IP 数据报首部的协议字段置为 50。当 IP 首部检查到协议字段是 50 时，就知道在 IP 首部后面紧接着的是 ESP 首部，同时在原 IP 数据报后面增加了两个字段，即 ESP 尾部和 ESP 数据。
    在 ESP 首部中有标识一个安全关联的安全参数索引 SPI (32 位)，和序号(32 位)。在 ESP 尾部中有下一个首部（8 位，作用和 AH 首部的一样）。ESP 尾部和原来数据报的数据部分一起进行加密，因此攻击者无法得知所使用的运输层协议。
• 安全套接层 SSL
  SSL 是安全套接层 (Secure Socket Layer)，可对万维网客户与服务器之间传送的数据进行加密和鉴别。
  • SSL 在双方的联络阶段协商将使用的加密算法和密钥，以及客户与服务器之间的鉴别。
  • 在联络阶段完成之后，所有传送的数据都使用在联络阶段商定的会话密钥。
    SSL 不仅被所有常用的浏览器和万维网服务器所支持，而且也是运输层安全协议 TLS (Transport Layer Security)的基础。
  • 在发送方，SSL 接收应用层的数据（如 HTTP 或 IMAP 报文），对数据进行加密，然后把加了密的数据送往 TCP 套接字。在接收方，SSL 从 TCP 套接字读取数据，解密后把数据交给应用层。
  • SSL 提供以下三个功能
    (1) SSL 服务器鉴别 允许用户证实服务器的身份。具有 SSL功能的浏览器维持一个表，上面有一些可信赖的认证中心 CA (Certificate Authority)和它们的公钥。
    (2) 加密的 SSL 会话 客户和服务器交互的所有数据都在发送方加密，在接收方解密。
    (3) SSL 客户鉴别 允许服务器证实客户的身份。
• 安全电子交易 SET (Secure Electronic Transaction)
  安全电子交易 SET 是专为在因特网上进行安全支付卡交易的协议。
  SET 的主要特点是：
  (1) SET 是专为与支付有关的报文进行加密的。
  (2) SET 协议涉及到三方，即顾客、商家和商业银行。所有在这三方之间交互的敏感信息都被加密。
  (3) SET 要求这三方都有证书。在 SET 交易中，商家看不见顾客传送给商业银行的信用卡号码。

应用层的安全协议

• PGP (Pretty Good Privacy)
  PGP 是一个完整的电子邮件安全软件包，包括加密、鉴别、电子签名和压缩等技术。
• PEM(Privacy Enhanced Mail)
  PEM 是因特网的邮件加密建议标准
  PEM 有比 PGP 更加完善的密钥管理机制。由认证中心发布证书，上面有用户姓名、公钥以及密钥的使用期限。每个证书有一个唯一的序号。证书还包括用认证中心秘钥签了名的 MD5 散列函数。

链路加密与端到端加密

• 链路加密

  

  在采用链路加密的网络中，每条通信链路上的加密是独立实现的。通常对每条链路使用不同的加密密钥。
  相邻结点之间具有相同的密钥，因而密钥管理易于实现。链路加密对用户来说是透明的，因为加密的功能是由通信子网提供的。

  由于报文是以明文形式在各结点内加密的，所以结点本身必须是安全的。
  所有的中间结点(包括可能经过的路由器)未必都是安全的。因此必须采取有效措施。
  链路加密的最大缺点是在中间结点暴露了信息的内容。在网络互连的情况下，仅采用链路加密是不能实现通信安全的。

• 端到端加密

  

  端到端加密是在源结点和目的结点中对传送的 PDU 进行加密和解密，报文的安全性不会因中间结点的不可靠而受到影响。 注意：在端到端加密的情况下，PDU 的控制信息部分(如源结点地址、目的结点地址、路由信息等)不能被加密，否则中间结点就不能正确选择路由。

防火墙(firewall)

防火墙是由软件、硬件构成的系统，是一种特殊编程的路由器，用来在两个网络之间实施接入控制策略。接入控制策略是由使用防火墙的单位自行制订的，为的是可以最适合本单位的需要。
防火墙内的网络称为“可信赖的网络”(trusted network)，而将外部的因特网称为“不可信赖的网络”(untrusted network)。防火墙可用来解决内联网和外联网的安全问题。

• 防火墙的功能有两个：阻止和允许。
  • “阻止”就是阻止某种类型的通信量通过防火墙（从外部网络到内部网络，或反过来）。
  • “允许”的功能与“阻止”恰好相反。
    防火墙必须能够识别通信量的各种类型。不过在大多数情况下防火墙的主要功能是“阻止”。
• 防火墙技术一般分为两类
  • 网络级防火墙——用来防止整个网络出现外来非法的入侵。属于这类的有分组过滤和授权服务器。前者检查所有流入本网络的信息，然后拒绝不符合事先制订好的一套准则的数据，而后者则是检查用户的登录是否合法。
  • 应用级防火墙——从应用程序来进行接入控制。通常使用应用网关或代理服务器来区分各种应用。例如，可以只允许通过访问万维网的应用，而阻止 FTP 应用的通过。