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1、计算机网络基础,第五部分 网络安全,什么是网络安全,网络安全从本质上说就是网络上的信息安全。 广义地说，凡是涉及网络上信息的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性的相关技术和理论，都是网络安全要研究的领域。 网络安全的一个通用定义：网络安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不受偶然的或者恶意的原因而遭到破坏、更改、泄露，系统连续可靠地正常运行，网络服务不中断。,主要内容,安全攻击、安全服务和安全机制 加密 消息鉴别 数字签名 公钥管理 通信安全：IPSec，VPN，防火墙 安全电子邮件,1. 安全攻击、安全机制和安全服务,安全攻击 任何损害信息安全的行为 安全机制 用于检测和预
2、防安全攻击或从安全攻击中恢复的任何机制 安全服务 用于增强信息系统安全性及信息传输安全性的服务 安全服务使用一种或多种安全机制来提供,安全攻击,被动攻击： 试图从系统中获取信息，但不影响系统资源。 两种类型： 偷听：为了获得正在传输的内容。 流量分析：从通信频度、消息长度等流量模式推断通信性质。 主动攻击： 试图改变系统资源或影响系统的操作。 四种类型： 伪装：一个实体假冒另一个实体。 重放：从网络中被动地获取一个数据单元，经过一段时间后重新发送到网络中。 消息修改：改变消息的部分内容、推迟发送消息或改变消息的发送顺序。 拒绝服务：阻止通信设施的正常使用或管理。,安全服务,鉴别：证实通信过程涉
3、及的另一方确实具有他们所声称的身份，确保通信是可信的。 访问控制：限制和控制通过通信链路对主机系统和应用访问的能力。 数据机密性：保护被传输的数据免遭被动攻击。 数据完整性：令接收方确信收到的消息与最初发出的消息是完全一样的。 不可否认性：防止发送方或接收方否认已发送或已接收了一个消息的事实。,安全机制,加密：使用数学算法对数据进行变换，使其不易理解。 数字签名：附加在一个数据单元后面的数据，允许接收者用来证明数据单元的起源及完整性。 访问控制：各种实施访问授权的机制。 数据完整性：用于保护数据单元或数据单元流完整性的各种机制。 鉴别交换：通过信息交换确信一个实体身份的机制。 流量填充：在数据
4、流间隙中插入比特，以挫败流量分析的企图。 选路控制：允许为某些数据选择特定的物理安全路由。,2. 加密技术,加密模型,加密算法的安全性,密码学的基本原则是必须假设破译者知道加密与解密的方法，因而算法是稳定和公开的，密钥是保密和经常改变的。 一个加密算法被称为是计算安全的，如果由该算法产生的密文满足以下两个条件之一： 破译密文的代价超过信息本身的价值 破译密文所需的时间超过信息的有效生命期 现代密码学中，密码的安全性是通过算法的复杂性和密钥的长度来保证的。,对称（秘密）密钥算法,对称密钥算法：加密密钥和解密密钥相同的密码算法。 数据加密标准DES (Data Encryption Standar
5、d) 每次处理64比特的明文块，输出64比特的密文块。 算法使用一个56比特的主密钥，包括16次迭代过程，每次迭代使用一个不同的48比特子密钥，子密钥从主密钥中生成。 DES是一种对称密钥算法，其加密和解密可使用相同的算法，两者的不同只是子密钥的次序刚好相反。 使用对称密钥算法要解决的主要问题是密钥的可靠传递。,3DES,DES的缺点：密钥长度不够长，迭代次数不够多。 3DES使用两个密钥进行三轮DES计算。,非对称（公开）密钥算法,算法思想：加密密钥与解密密钥不同，且从加密密钥推导不出解密密钥，因此加密密钥可以公开。 公开密钥算法必须满足的条件： 从计算上说，生成一对加密密钥和解密密钥是容易
6、的。 从计算上说，已知加密密钥，从明文计算出密文是容易的。 从计算上说，已知解密密钥，从密文计算出明文是容易的。 从计算上说，从加密密钥推出解密密钥是不可能的。 从计算上说，从加密密钥和密文计算出原始明文是不可能的。,公开密钥算法的使用,加密和解密： 每个希望接收秘密报文的用户生成一对加密密钥和解密密钥，并将加密密钥放在一个公开的文件中发布。 当A希望向B发送一个加密报文P时，A从公开的文件中查到B的加密密钥，用B的加密密钥加密报文P，发送给B。 B用自己的解密密钥解密报文。 公开密钥和私有密钥： 公开密钥：即加密密钥，由其他人用来发送加密信息。 私有密钥：即解密密钥，用来解密消息。 使用公开
7、密钥算法，避免了传递密钥的问题。,RSA算法,密钥计算方法： 选择两个大素数和（典型值为大于10100）； 计算 npq 和 z(p-1) (q-1) 选择一个与 z 互质的数，令其为 d 找到一个 e 使满足 ed1 (mod z) 公开密钥为 (e，n)，私有密钥为 (d，n) 加密方法： 将明文看成是一个比特串，将其划分成一个个数据块P，且有0Pn ；对每个数据块P，计算CPe (mod n)，C即为P的密文。 解密方法： 对每个密文块C，计算PCd (mod n)，P即为要求的明文。 RSA的安全性建立在难于对大数提取因子的基础上，至少到目前为止还没有什么破解的好方法。 RSA的缺点是
8、计算开销大，速度慢，一般仅用来加密少量数据，如用于鉴别、数字签名或发送一次性会话密钥。,3. 消息鉴别,一个消息被称为是可信的，如果它是真实的并且来自声称的源。 消息鉴别：允许通信各方检验收到的消息是否可信的过程。 消息鉴别涉及两个方面： 数据起源鉴别 数据完整性检查 消息摘要（数字指纹）：将一个散列函数作用到一个任意长的消息m上，生成一个固定长度的散列值H(m)，这个散列值称为消息摘要（message digest，MD）。,消息鉴别的实现,消息鉴别的实现： 发送方先计算报文的消息摘要，然后用与接收方共享的秘密密钥加密消息摘要，形成消息鉴别标签。 发送方先计算报文的消息摘要，然后用发送方的私
9、钥加密消息摘要。（这得到的其实是数字签名） 发送方用一个加密散列函数（cryptographic hash function）来计算消息摘要，即MD=H(KAB|m)。,散列函数,用于消息鉴别的散列函数H必须满足以下特性： H能够作用于任意长度的数据块，并生成固定长度的输出。 对于任意给定的数据块x，H(x)很容易计算。 对于任意给定的值h，要找到一个x满足H(x)=h，在计算上是不可能的。（单向性） 对于任意给定的数据块x，要找到一个yx并满足H(y)=H(x)，在计算上是不可能的。 要找到一对（x, y）满足H(y)=H(x)，在计算上是不可能的。 目前使用最多的两种散列函数： MD5：散
10、列码长度为128比特。 SHA-1：美国联邦政府的标准，散列码长度为160比特。,4. 数字签名,一个可以替代手写签名的数字签名必须满足以下三个条件： 接收方通过文件中签名能够鉴别发送方的身份。 发送方过后不能否认发送过签名的文件。 接收方不可能伪造文件的内容。,数字签名的实现,使用公开密钥算法进行数字签名，加密算法和解密算法还必须满足：E(D(P) = P。 发送方先计算报文的消息摘要，然后用自己的私钥加密消息摘要。,5. 公钥管理,使用公钥加密的问题：如何可靠地发布公钥？ 证书（certificate） 证书用来证明某个主体（如个人、公司等）拥有某个公钥，颁发证书的机构称为认证机构（Cer
11、tificate Authority，CA）。 证书本身不需要保密，可将证书放在任何可公开访问的地方。 证书上有CA的签名（对证书内容进行SHA-1散列，并用CA的私钥对消息摘要加密），因此任何人都无法篡改证书的内容。,公钥证书的验证,假设Bob获得了Alice的公钥证书，并且拥有签发该证书的CA的公钥，则Bob可以用以下方法鉴别证书： 用CA的公钥解开证书的签名，得到证书内容的消息摘要。 对收到的证书内容计算消息摘要，并与解密得到的消息摘要进行比较，两者相同表明这是Alice的公钥证书。,公钥基础设施PKI,公钥基础设施PKI （Public Key Infrastructure） PKI由
12、多个要素组成，包括用户、CA、证书和目录等，PKI提供了一种组织这些要素的方法。 PKI的一种最简单形式：分级CA结构。 信任锚：信任锚是信任的始点，系统中所有的实体都以根CA的公钥作为它们的信任锚，信任锚必须通过安全的带外方式来安装。 信任链（证书路径）：从叶结点到根CA的证书系列。 谁可以运行根CA：实践中采用分布式的信任结构，用户可以自行决定信任哪个根CA，所有根CA间可以进行交叉认证。 证书存放在哪里：使用DNS作为证书目录，或使用专门的目录服务器存放证书。,分级CA结构,(a) A hierarchical PKI. (b) A chain of certificates.,6. 通
13、信安全,IP安全协议（IPSec） 虚拟专用网VPN 防火墙,6.1 IP安全协议,IPSec是指IETF公布的一组安全IP协议集。 IPSec提供了一个用于集成多种安全服务、加密算法及安全控制粒度的安全体系结构框架； IPSec提供的安全服务主要包括访问控制、数据完整性、数据起源认证、抗重放攻击、机密性等；安全服务全都基于对称密钥加密以获得高性能。 IPSec的安全机制都是独立于算法的，这样在选择和改变算法是坏会影响其它部分的实现。 IPSec提供多种安全控制粒度：一条TCP连接上的通信，一对主机间的通信，一对安全路由器之间的所有通信。,IPSec的组成,从技术上说，IPSec主要包括两个部
14、分: IPSec安全协议：包括AH和ESP两个安全协议，定义了用于安全通信的IP扩展头和字段以提供机密性、完整性和源鉴别服务。 密钥管理协议：定义了通信实体间进行身份鉴别、协商加密算法以及生成共享会话密钥的方法。 将以上两部分绑定在一起的是称为安全关联（security association，SA）的抽象。,安全关联SA,SA是通信对等实体之间对某些要素的协定，如使用的安全协议、协议的操作模式、使用的密码算法、密钥及密钥的生存期等。 SA是两个通信端点间的一个单工连接，由一个安全参数索引（SPI）唯一标识，如果在两个方向都需要安全通信，则需要建立两个SA。SPI携带在数据包中，由数据包的处理
15、进程用来查找密钥及相关信息。 SA可以建立在一对主机之间、一台主机与一个安全网关之间、或一对安全网关之间。,AH协议和ESP协议,Authentication Header（AH）： 只提供消息鉴别服务，即可以验证消息的起源和完整性，但不提供机密服务。 Encapsulating Security Payload（ESP） 数据包载荷被加密，可提供机密服务。 也提供消息鉴别服务，可以验证消息的起源和完整性。,6.2 虚拟专用网VPN,专用网,虚拟专用网,虚拟专用网的实现,VPN的典型结构： 在每个局域网上设置一个安全网关，在每一对安全网关间执行IPSec。 系统建立时，每一对安全网关协商它们的
16、SA参数，此后在它们之间传输的数据流就绑定到这个SA上。 VPN的优点： 可以在一对局域网间提供完整性控制及机密服务，甚至对流量分析也有相当的抵御能力； 防火墙、VPN和IPSec是实践中最常见的组合。,6.3 防火墙,防火墙：在可信的内部网络（专用网络）与不可信的外部网络（公用网络）之间执行访问控制策略的一个或一组系统（包括硬件和软件），目的是保护内部网络免受来自外部网络的攻击。 防火墙提供可控的通信过滤服务。 防火墙的设计目标： 所有进出网络的流量必须通过防火墙； 只允许合法的流量通过防火墙； 从理论上说，防火墙是穿不透的。,防火墙的典型结构,由两个分组过滤路由器和一个应用网关组成： 分组过滤路由器：利用 IP头及传输层报头的某些域过滤分组； 应用网关：根据应用层的信息（应用层协议的域、报文内容等）过滤分组； 两个分组过滤路由器分别位于外网和内网上并通过应用网关相连，迫使每个分组必须通过应用网关的检查； 应用网关通常运行在一个独立的计算机系统（称堡垒主机）上，堡垒主机必须是非常安全的。,防火墙典型结构,防火墙的基本机制,分组过滤： 分组过滤路由器按照配置的访问控制列表（ACL）转发或丢弃分组。 分组过滤通常基于分组的以下域进行：源/目的IP地址，源/目的传输层端口，协议字段。 优点：运行速度快 缺点： 控制粒度粗，无法基于用户的身份或消息的内容进行过滤 内部主机地址暴露,
