第八章、网络安全基础

一、网络安全概述

网络安全的基本特征：相对性、时效性、相关性、不确定性、复杂性以及重要性等。
网络安全：指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的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。

网络安全通信的基本属性：

• 1、机密性：只有发送方和接收方能理解报文内容。
• 2、消息完整性：消息未被篡改，发生篡改一定会被检测到。
• 3、可访问与可用性：对授权用户提供有效服务。
• 4、身份认证：双方确认彼此的真实身份。

典型的网络安全威胁：

• 1、报文传输：主要包括窃听、插入、假冒、劫持等安全威胁。
• 2、拒绝服务DoS 、分布式拒绝服务DDoS：在网络安全威胁中，拒绝服务DoS是指通过向接收方恶意泛洪分组，淹没接收方，导致带宽耗尽，资源耗尽等过载资源情况。
• 3、映射：先探路，再攻击。Namp 是国外广为使用的端口扫描工具之一
• 4、分组“嗅探”：Wireshark是一个典型的分组嗅探软件。
• 5、IP欺骗：黑客利用IP地址进行欺骗攻击

二、数据加密

密码学：

• 密码编码学：指将密码变化的客观规律应用于编制密码来保守通信秘密
• 密码分析学：研究密码变化客观规律中的固有缺陷，并应用于破译密码以获取通信情报

通信加密模型、传统加密方式、对称密钥加密、非对称/公开密钥加密

 

密码分类：

1、密码体制的特点、出现的先后时间

• 1、传统加密方式
• 2、对称密钥加密
• 3、非对称 / 公开密钥加密

2、依据处理数据的类型

• 分组密码：又称块密码，将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为 n 的组，每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。
• 序列密码：又称流密码，利用密钥产生一个密钥流，然后对明文串分别加密的过程。解密时使用相同的密钥流，是加密的逆过程。

============传统加密方式===========

1、替代密码：凯撒密码
2、换位密码：列置换密码

凯撒密码：加密：K=3的含义就是明文的每个字母按照字母表顺序推后3位。

换位密码(置换密码)：列置换密码，根据一定规则重新排列明文，以便打破明文的结构特性。只改变明文结构，不改变内容。

 =============对称密钥加密============

无论是简单的替代密码还是换位密码，安全性都很低，很容易被攻破。现代密码学将替代密码和换位密码相结合，并利用复杂的加密过程，提高密码的安全性。

现代密码学：对称密钥加密和非对称密钥加密。

• 对称密钥加密：加密密钥和解密密钥是相同的。
• 非对称密钥加密(公开密钥加密系统)：加密密钥和解密密钥是不同的。

1、对称密钥加密

DES加密算法(Data Encryption Standard)：

• 1、加密：明文分为64位分组，使用56位的密钥，进行16轮加密。
• 2、三重DES：使用两个密钥，执行三次DES算法，密钥长度达到112位。

DES过时的原因：密钥长度太短，利用高性能计算机可在短时间内蛮力攻击破解

AES加密算法(Advanced Encryption Standard)：密钥长度：128/192/256位，AES 加密过程 4 种操作：字节替代、行移位、列混淆、轮密钥加；解密过程分别为对应的逆过程

AES加密算法的特点：

• 1）分组长度和密钥长度均可变
• 2）循环次数允许在一定范围内根据安全要求进行修正
• 3）安全、效率、易用、灵活
• 4）抗线性攻击和抗差分攻击的能力大大增强
• 5）如果1秒暴力破解DES，则需要149万亿年破解AES

IDEA加密算法(International Data Encryption Algorithm)：密钥长度128位。

对称密钥加密面临一个最大问题是密钥分发问题
2、非对称 / 公开密钥加密

通信双方都有两个密钥：

• 公钥：任何人都可以得到
• 私钥：只有自己知道

加密过程：

• 1、Alice用Bob的公钥加密明文，发送。
• 2、Bob收到密文后，用自己的私钥解密得到明文。

非对称密钥加密(公开密钥加密)的算法：

• 典型的公开密钥加密算法：Diffie-Hellman算法和RSA算法；Diffie-Hellman算法：基于数学中素数原根理论。
• RSA算法：基于数论设计，安全性建立在大数分解的难度上；应用比较广泛，安全性高。

三、消息完整性与数字签名

消息完整性（报文认证）的目标

• 1、证明报文确实来自声称的发送方；
• 2、验证报文在传输过程中没有被篡改；
• 3、预防报文的时间、顺序被篡改；
• 4、预防报文持有期被篡改；
• 5、预防抵赖：如发送方否认已发送的消息或接收方否认己接收的消息

消息完整性检测方法：用散列函数，对报文m进行散列化。
典型的散列函数

• 第一种：MD5(Message-Digest Algorithm 5)：128位散列值。
• 第二种：SHA-1：作为散列数据的标准，SHA-1 可产生一个 160 位的散列值。SHA-1 是典型的用于创建数字签名的单向散列算法

散列函数的特性：

• 1、散列函数算法公开
• 2、快速计算
• 3、对任意长度报文进行散列产生定长输出
• 4、对于任意报文无法预知其散列值
• 5、不同报文不会产生相同的散列值
• 6、单向性

================报文认证=======================

• 消息完整性检测一个重要目的：完成报文认证的任务。
• 报文认证：使消息的接受者能够检验收到的消息是否是真实的方法。

报文（消息）认证的目的：

• ①消息源的认证，即验证消息的来源是真实的；
• ②消息的认证，即验证消息在传送过程中未被篡改。

报文摘要：对报文m应用散列函数H，得到固定长度的散列码。

 A、报文认证的第一种方式：简单报文验证

• 发送方对报文m应用散列函数，得到固定长度的散列码H(m)，获得报文摘要h，将扩展报文(m,h)发送给接收方
• 接收方收到扩展报文后，提取出报文m和报文摘要h，同样对报文m应用散列函数H获得新的报文摘要H(m)，将H(m)和h比较。
• 若相同，报文认证成功。否则报文认证失败。

简单报文认证缺点：无法达到对消息源认证

B、报文认证的另外一种方式：报文认证码MAC（Message Authentication Code）

• 发送方和接收方共享一个认证密钥s，发送方对报文m和认证密钥s应用散列函数H得到报文认证码h，将扩展报文(m,h)发送给接收方。
• 接收方收到扩展报文后，提取出报文m和报文认证码h，对报文m和认证密钥s应用散列函数H获得新的报文认证码H(m+s)，将H(m+s)与h比较。
• 若相等，则报文认证成功。否则失败

报文认证码MAC的不足：无法保证消息在接收方没有被篡改。

==============数字签名==============

数字签名：在公开密码体制中，一个主体使用自己的私钥加密消息，得到的密文。密文可以使用该主体的公钥解密，恢复成原来的消息。如此生成的“密文”对该消息提供认证服务。

数字签名应满足：
1、接收方能够确认发送方的签名，但不能伪造。
2、发送方发出签名的消息给接收方后，就不能再否认他所签发的消息。
3、接收方对已收到的签名消息不能否认，有收报认证。
4、第三者可以确认收发双方之间的消息传送，但不能伪造这一过程。

1、数字签名的一种方式：简单数字签名

• Bob利用自己的私钥对报文m加密，创建签名报文。将扩展报文(报文，签名报文)发送给Alice。
• Alice收到扩展报文。利用Bob的公钥解密签名报文，并检验解密后的签名报文和报文m是否一致。
• 若一致，则签名m的一定是Bob的私钥。

2、数字签名的另外一种方式：签名报文摘要

• Bob对报文m应用散列函数H生成报文摘要H(m)，然后Bob通过其私钥对报文摘要进行加密生成加密的报文摘要，将扩展报文(报文，加密的报文摘要)发送给Alice。
• Alice收到报文m以及加密的报文摘要。Alice利用Bob的公钥解密加密的报文摘要，并对m应用散列函数生成新的报文摘要。
• 如果两者一致，则签名报文m的一定是Bob的私钥。

四、身份认证

身份认证：身份鉴别。一个实体经过计算机网络向另一个实体证明其身份的过程。
1、基于共享对称密钥的身份认证；
2、基于公开密钥的身份认证；

基于共享对称密钥的身份认证

• 1、Alice向Bob发送报文“我是Alice”
• 2、Bob选择一个一次性随机数R，然后把这个值发送给Alice
• 3、Alice使用她与Bob共享的对称秘密密钥加密这个一次性随机数，然后把加密的一次性随机数发回给Bob。
• 4、Bob解密收到的报文。

基于公开密钥的身份认证

• 1、Alice向Bob发送报文“我是Alice”
• 2、Bob选择一个一次性随机数R，然后把这个值发送给Alice
• 3、Alice使用她的私钥来加密R，然后把加密的一次性随机数发回给Bob。
• 4、Bob向Alice索要她的公钥。
• 5、Alice向Bob发送自己的公钥。
• 6、Bob利用Alice的公钥解密收到的报文。

五、密钥分发中心(KDC)与证书认证(CA)

对称密钥分发的典型解决方案：通信各方建立一个大家都信赖的密钥分发中心(Key Distribution Center , KDC)；解决对称密钥安全可靠的分发。

密钥分发中心(Key Distribution Center , KDC)：解决对称密钥安全可靠的分发

证书认证机构（CA）：解决非对称密钥问题

• 要使公钥密码有效，需要证实你拥有的公钥，实际上就是要与你通信的实体的公钥。
• 将公钥与特定的实体绑定，通常由认证中心（Certification Authority,CA）完成。

认证中心（Certification Authority,CA）的作用：

• 1）CA可以证实一个实体的真实身份。
• 2）一旦CA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，其中包含该实体的公钥及其全局唯一的身份识别信息等，并由CA对证书进行数字签名。

方式一：通信发起方生成会话密钥

• 1、Alice和Bob进行保密通信。Alice随机选择一个会话秘钥。用Alice和KDC之间长期的共享密钥加密会话秘钥，发送给KDC。
• 2、KDC得到后，解密获得会话密钥，以及所希望通信方Bob。KDC利用其和Bob的长期共享密钥加密密钥，发送给Bob。
• 3、Bob解密，获得会话秘钥，并且得知期望和自己通信的是Alice。

方式二：KDC为Alice、Bob生成通信的会话秘钥

• 1、Alice在希望和Bob通信时，首先向KDC发送请求消息。
• 2、KDC收到请求消息后，随机选择一个会话秘钥，并将会话秘钥分别用和
• Alice、Bob的长期共享密钥加密，再分别发送给Alice、Bob。
• 3、Alice、Bob收到KDC的密文后，分别解密，获得会话秘钥。

六、防火墙与入侵检测系统

概念：防火墙是能够隔离组织内部网络与公共互联网，允许某些分组通过，而阻止其他分组进入或离开内部网络的软件、硬件或者软件硬件结合的一种设施。

防火墙的分类

• 1、无状态分组过滤器：典型部署在内部网络和网络边缘路由器上的防火墙。路由器逐个检查数据报，根据访问控制表(Access Control Lists ,ACL)实现防火墙规则。
• 2、有状态分组过滤器：跟踪每个TCP连接建立、拆除，根据状态确定是否允许分组通过。
• 3、应用网关：应用网关实现授权用户通过网关访问外部网络的服务。

入侵检测系统(Intrusion Detection System,IDS)是当观察到潜在的恶意流量时，能够产生警告的设备或系统。

七、网络安全协议

自顶向下各层解决安全性的实例协议

• 1、安全电子邮件（应用层）
• 2、安全套接字层SSL（传输层）
• 3、虚拟与用网VPN和IP安全协议IPSec（网络层）

1、安全电子邮件(电子邮件对网络安全的需求):

• 1、机密性
• 2、完整性
• 3、身份认证性
• 4、抗抵赖性

安全电子邮件标准：PGP标准(Pretty Good Privacy)

• PGP提供的服务：邮件加密；报文完整性；数字签名；
• 加密算法：公钥加密算法(如RSA)、对称加密算法(如3DES)、散列算法(如SHA-1)

2、  网络安全协议

安全套接字层SSL

• 1、一般Web服务器越强大，包含安全漏洞的概率越高。
• 2、Web浏览器也会遇到各种各样的安全威胁。
• 3、普通Web应用的应用层数据，在传输过程中都已明文形式传输，可能受到攻击
• 4、在电子商务背景下，提出HTTP安全电子商务交易协议；
• 5、在传输层之上构件一个安全层：安全套接字层(Secure Socket Layer,SSL)、传输层安全(Transport Layer Security,TLS)

SSL可以提供的服务：机密性、完整性、身份认证等安全服务。

SL协议栈(协议的总和)：SSL是介于TCP和HTTP等应用层协议之间的一个可选层，大多数应用层；协议直接建立在SSL协议之上，SSL是两层协议。
SSL协议栈：

SSL握手协议：在插、握手过程中需要用到SSL握手协议、SSL更改密码规格协议、SSL警告协议。主要作用：协商密码组和建立密码组；服务器认证与鉴别和客户认证与鉴别

SSL警告协议：为对等实体传递SSL警告或终止当前连接。包含两个字段：警告级别和警告代码。

SSL记录协议：描述了信息交换过程中的消息格式，前面3个协议需要记录协议进行封装与传输。
3、虚拟专用网VPN和IP安全协议IPSec

虚拟与用网VPN：建立在公共网络上的安全通道，是用户通过公用网络建立的临时的、安全的连接；实现进程用户、分支机构、业务伙伴等与机构总部网络的安全连接，从而构建针对特定组织机构的专用网络。虚拟转用网最重要的特点就是虚拟。虚拟转用网一般指的是构建在Internet上能够自我管理的专用网络；关键技术：隧道技术，如IPSec。
VPN涉及的关键技术：隧道技术（核心） 、数据加密 、身份认证、密钥管理 、访问控制、 网络管理

隧道：通过Internet提供的点对点的数据传输的安全通道。通过数据加密保证安全；数据进入隧道时，由VPN封装成IP数据报，通过隧道在Internet上传输；离开隧道后，进行解装，数据便不再受VPN保护。

IPSec体系简介：IPSec是网络层使用最广泛的安全协议，但IPSec不是一个单一的协议，而是一个安全体系；主要包括：封装安全载荷协议( ESP)、认证头( AH)协议

IPSec传输模式：传输模式和隧道模式

• 1、传输模式：主机模式。IPSec数据报的发送和接收都由端系统完成。
• 2、隧道模式：将IPSec的功能部署在网络边缘的路由器上，路由器之间建立安全隧道，数据报在其中封装传输。

传输模式和协议组合

• 1、传输模式AH
• 2、隧道模式AH
• 3、传输模式ESP
• 4、隧道模式ESP：最广泛和最重要的IPSec形式。