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'CH7-网络安全解析 第7章网络安全7.1网络安全问题概述7.2两类密码体制7.3数字签名7.4鉴别7.5密钥分配7.6因特网使用的安全协议7.7链路加密与端到端加密7.8防火墙 最早的密码在古希腊，人们用一条带子缠绕在一根木棍上，沿木棍纵轴方向写好明文，解下来的带子上就只有杂乱无章的密文字母。解密者只需找到相同直径的木棍，再把带子缠上去，沿木棍纵轴方向即可读出有意义的明文。公元前1世纪，恺撒密码被用于高卢战争中，这是一种简单易行的单字母替代密码。在战前，恺撒设计了一种对重要的军事信息进行加密的方法，即使这些信息被截获，敌方也不一定能看懂。其实，恺撒密码字母移位的位数就是一种简单易行的单字母替代密码。 在20世纪20年代，由工程师阿瑟·歇尔皮斯(ArthurScherbius)发明，在第二次世界大战中被纳粹党使用的英格玛机使用了多电机转子，创造出了那时世界上最为复杂的编码。但是在战争初期联盟国就成功破译了英格玛，这多亏了研究人员在英国布莱奇利公园(BletchleyPark)进行了杰出和不停歇的编码破译工作。在英格玛反编码过程中还发明了一个新的编码，即Ultra。英格玛密码机 二战期间盟军使用的密码机 7.1网络安全问题概述7.1.1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。 对网络的被动攻击和主动攻击截获篡改伪造中断被动攻击主动攻击目的站源站源站源站源站目的站目的站目的站 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。更改报文流拒绝报文服务伪造连接初始化 (1)防止析出报文内容；(2)防止通信量分析；(3)检测更改报文流；(4)检测拒绝报文服务；(5)检测伪造初始化连接。计算机网络通信安全的目标 (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。恶意程序(rogueprogram) 7.1.2计算机网络安全的内容保密性安全协议的设计访问控制 明文X截获密文Y7.1.3一般的数据加密模型加密密钥K明文X密文Y截取者篡改ABE运算加密算法D运算解密算法因特网解密密钥K 一些重要概念密码编码学与密码分析学合起来即为密码学(cryptology)。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。如果不论截取者获得了多少密文，但在密文中都没有足够的信息来唯一地确定出对应的明文，则这一密码体制称为无条件安全的，或称为理论上是不可破的。如果密码体制中的密码不能被可使用的计算资源破译，则这一密码体制称为在计算上是安全的。 7.2两类密码体制7.2.1对称密钥密码体制所谓常规密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。这种加密系统又称为对称密钥系统。 数据加密标准DES数据加密标准DES属于常规密钥密码体制，是一种分组密码。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)。 DES算法的处理流程 DES的保密性DES的保密性仅取决于对密钥的保密，而算法是公开的。尽管人们在破译DES方面取得了许多进展，但至今仍未能找到比穷举搜索密钥更有效的方法。DES是世界上第一个公认的实用密码算法标准，它曾对密码学的发展做出了重大贡献。目前较为严重的问题是DES的密钥的长度。现在已经设计出来搜索DES密钥的专用芯片。 7.2.2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。公钥密码体制的产生主要是因为两个方面的原因，一是由于常规密钥密码体制的密钥分配问题，另一是由于对数字签名的需求。现有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，由美国三位科学家Rivest,Shamir和Adleman于1976年提出并在1978年正式发表的。 加密密钥与解密密钥在公钥密码体制中，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。 应当注意任何加密方法的安全性取决于密钥的长度，以及攻破密文所需的计算量。在这方面，公钥密码体制并不具有比传统加密体制更加优越之处。由于目前公钥加密算法的开销较大，在可见的将来还看不出来要放弃传统的加密方法。公钥还需要密钥分配协议，具体的分配过程并不比采用传统加密方法时更简单。 公钥算法的特点发送者A用B的公钥PKB对明文X加密（E运算）后，在接收者B用自己的私钥SKB解密（D运算），即可恢复出明文：(7-4)解密密钥是接收者专用的秘钥，对其他人都保密。加密密钥是公开的，但不能用它来解密，即(7-5) 公钥算法的特点（续）加密和解密的运算可以对调，即在计算机上可容易地产生成对的PK和SK。从已知的PK实际上不可能推导出SK，即从PK到SK是“计算上不可能的”。加密和解密算法都是公开的。（7-6） 公钥密码体制密文YE运算加密算法D运算解密算法加密解密明文X明文XABB的私钥SKB密文Y因特网B的公钥PKB 7.3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。 密文数字签名的实现D运算明文X明文XABA的私钥SKA因特网签名核实签名E运算密文A的公钥PKA 数字签名的实现因为除A外没有别人能具有A的私钥，所以除A外没有别人能产生这个密文。因此B相信报文X是A签名发送的。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。反之，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核实签名解密加密签名E运算D运算明文X明文XABA的私钥SKA因特网E运算B的私钥SKBD运算加密与解密签名与核实签名B的公钥PKBA的公钥PKA密文 7.4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。 鉴别与授权不同鉴别与授权(authorization)是不同的概念。授权涉及到的问题是：所进行的过程是否被允许（如是否可以对某文件进行读或写）。 7.4.1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(MessageDigest)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。用A的公钥对D(H)进行E运算，得出报文摘要H。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。 报文摘要的实现A比较签名核实签名报文XHD运算D(H)A的私钥报文XD(H)B报文摘要报文XD(H)发送E运算H签名的报文摘要H报文摘要运算A的公钥报文摘要运算报文摘要报文摘要因特网 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。报文摘要算法是防止报文被人恶意篡改。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。 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。 7.4.2实体鉴别实体鉴别和报文鉴别不同。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KAB。B收到此报文后，用共享对称密钥KAB进行解密，因而鉴别了实体A的身份。ABA,口令KAB 明显的漏洞入侵者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(replayattack)。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。 使用不重数为了对付重放攻击，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”。 使用不重数进行鉴别ABA,RARBKABRARBKAB,时间 中间人攻击AB我是A中间人C我是ARBRBSKC请把公钥发来PKCRBRBSKA请把公钥发来PKADATAPKCDATAPKA时间 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SKC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SKA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PKC冒充是A的发送给B，而C也截获到A发送给B的公钥PKA。B用收到的公钥PKC（以为是A的）对数据加密发送给A。C截获后用自己的私钥SKC解密，复制一份留下，再用A的公钥PKA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。 7.5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(KeyDistribution)，通过KDC来分配密钥。 7.5.1对称密钥的分配目前常用的密钥分配方式是设立密钥分配中心KDC(KeyDistributionCenter)。KDC是大家都信任的机构，其任务就是给需要进行秘密通信的用户临时分配一个会话密钥（仅使用一次）。用户A和B都是KDC的登记用户，并已经在KDC的服务器上安装了各自和KDC进行通信的主密钥（masterkey）KA和KB。“主密钥”可简称为“密钥”。 对称密钥的分配AB密钥分配中心KDCA,B,KABKB……用户专用主密钥用户主密钥AKABKBA,B,KABKABKBKA,时间A,B ABKerberosAASTGSTKAB,A,KABKBT+1KABA,KSTKS,B,KTGA,KABKB,B,KABKSKTGKAA,KSKS, 7.5.2公钥的分配需要有一个值得信赖的机构——即认证中心CA(CertificationAuthority)，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。 7.6因特网使用的安全协议7.6.1网络层安全协议IPsec在IP层提供安全服务，它使系统能按需选择安全协议，决定服务所使用的算法及放置需求服务所需密钥到相应位置。IPsec用来保护一条或多条主机与主机间、安全网关与安全网关间、安全网关与主机间的路径。IPsec能提供的安全服务集包括访问控制、无连接的完整性、数据源认证、拒绝重发包（部分序列完整性形式）、保密性和有限传输流保密性。因为这些服务均在IP层提供，所以任何高层协议均能使用它们，例如TCP、UDP、ICMP、BGP等等。 IPsec中最主要的两个部分鉴别首部AH(AuthenticationHeader)：AH鉴别源点和检查数据完整性，但不能保密。封装安全有效载荷ESP(EncapsulationSecurityPayload)：ESP比AH复杂得多，它鉴别源点、检查数据完整性和提供保密。 安全关联SA(SecurityAssociation)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。 安全关联的特点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(SecurityParameterIndex)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。 2.鉴别首部协议AH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。IP首部AH首部TCP/UDP报文段协议=51 AH首部(1)下一个首部(8位)。标志紧接着本首部的下一个首部的类型（如TCP或UDP）。(2)有效载荷长度(8位)，即鉴别数据字段的长度，以32位字为单位。(3)安全参数索引SPI(32位)。标志安全关联。(4)序号(32位)。鉴别数据字段的长度，以32位字为单位。(5)保留(16位)。为今后用。(6)鉴别数据(可变)。为32位字的整数倍，它包含了经数字签名的报文摘要。因此可用来鉴别源主机和检查IP数据报的完整性。 3.封装安全有效载荷ESP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)。 3.封装安全有效载荷ESP（续）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。ESP鉴别和AH中的鉴别数据是一样的。因此，用ESP封装的数据报既有鉴别源站和检查数据报完整性的功能，又能提供保密。 在IP数据报中的ESP的各字段IP首部ESP首部TCP/UDP报文段使用ESP的IP数据报原数据报的数据部分ESP尾部ESP鉴别加密的部分鉴别的部分协议=50 7.6.2运输层安全协议1.安全套接层SSLSSL是安全套接层(SecureSocketLayer)，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(TransportLayerSecurity)的基础。 SSL的位置TCP应用层SSL运输层HTTPIMAPSSL功能标准套接字在发送方，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(CertificateAuthority)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。 2.安全电子交易SET(SecureElectronicTransaction)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。 7.6.3应用层的安全协议1.PGP(PrettyGoodPrivacy)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。PGP并没有使用什么新的概念，它只是将现有的一些算法如MD5，RSA，以及IDEA等综合在一起而已。虽然PGP已被广泛使用，但PGP并不是因特网的正式标准。 2.PEMPEM的功能和PGP的差不多，都是对基于RFC822的电子邮件进行加密和鉴别。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。 7.7链路加密与端到端加密7.7.1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。D1E2明文X结点1D2E3明文X结点2Dn明文X用户BE1明文X用户AE1(X)链路1E2(X)链路2En(X)链路nE3(X)密文密文密文密文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。 链路加密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。 7.7.2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。结点1结点2DK明文X结点nEK明文X结点0EK(X)链路1EK(X)链路2EK(X)链路n端到端链路传送的都是密文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。 7.8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”(trustednetwork)，而将外部的因特网称为“不可信赖的网络”(untrustednetwork)。防火墙可用来解决内联网和外联网的安全问题。 防火墙在互连网络中的位置G内联网可信赖的网络不可信赖的网络分组过滤路由器R分组过滤路由器R应用网关外局域网内局域网防火墙因特网 防火墙的功能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(1)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。(2)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。 1.写出欧姆定律的文字表述。2.写出欧姆定律的公式及其两个变形公式。3.又表中的数据可知:当_____一定时，导体中的_____跟_______成_____比。电阻/Ω电压/V电流/A10Ω1V0.1A2V0.2A3V0.3A 电阻/Ω电压/V电流/A10Ω1V0.1A2V0.2A3V0.3A电阻一定时，导体中的电流跟这段导体两端的电压成正比。I/AU/V1230.10.20.3 电压/V电阻/Ω电流/A1.550.3100.15150.1导体两端的电压一定时，导体中的电流跟这段导体的电阻成反比。51015I/AR/Ω0.10.20.3 例1.一段导体两端电压为2V，导体中电流为0.4A。导体的电阻是_______Ω；当这段导体两端的电压为4V时，导体的电阻是_____Ω，此时流过导体的电流是______A分析：导体的电阻大小，不随导体两端电压与流过导体的电流的变化而变化。550.8 例2.在做验证欧姆定律的实验时，定值电阻R两端的电压是3V，通过R的电流是1A。此时通过调节滑动变阻器使其电流增大到1.5A，那么这时电阻R两端的电压为_____V。仿照例1，先求出导体的电阻，再根据电阻，求出后来的电压。 例3.电源的电压是6V，电路中电流为0.12A，R1的电压为2.4V则R1的阻值为______ΩR2的阻值为______ΩR1R2分析：串联I1=I2U=U1+U2将每个用电器的已知条件标在图中。2.4V6V0.12A0.12A 例4.如图，R1的电阻为8Ω，R2的电阻为10Ω，电压表V1的示数为4V，根据条件求出电源电压为多少V。V1R1R2分析：先求出R1的电流，再根据串联电路电流的特点和欧姆定律求出R2的电压。 A1、电源电压为6V并保持不变，小灯泡L的电阻是10Ω，电流表读数为0.9A，则电阻R的阻值为_______R1R2A12、电流表A1示数1.2A，A2示数0.4A，电阻R2为10Ω，则电阻R1阻值为多少？要求：先在图中标出条件，再做题！A2 例1、（串联电路中电阻的关系）如图，电路中电流为1.2A，电阻R1是6Ω，电源电压U是12V保持不变，求电阻R2的大小。R1R2串联电路中：R总=R1+R2 串联电路：（串联分压）并联电路：（并联分流） A2、R1=5ΩR2=10Ω，开关闭合后电流表A的示数为0.4A求通过R2的电流I2和干路总电流I。1、默写出（1）串并联电路中电流和电压的关系。（2）欧姆定律的基本公式及其两条变形公式。（3）串联电路分压公式和并联电路分流公式。R1R2 例为了探究电流跟电阻的关系，在如图所示的情况下，将A、B两点间10Ω的电阻更换为20Ω的电阻，闭合开关后下一步的操作是（）A.记录电流表电压表示数B.滑动变阻器右调C.滑动变阻器左调D.适当增加电池节数'