第二章网络安全协议

1、第二章 网络安全协议(xiy)灾害(zihi)信息工程系孙晓玲共四十四页2.1 TCT/IP协议(xiy)簇2.2 网络安全协议2.3 SSL协议2.4 IPSec协议小结第二章 网络安全协议(xiy)共四十四页 TCP/IP协议簇是因特网的基础协议，不能简单(jindn)说成是TCP协议和IP协议的和，它是一组协议的集合，包括传输层的TCP协议和UDP协议等，网络层的IP协议、ICMP协议和IGMP协议等以及数据链路层和应用层的若干协议。2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页2.1.1 TCP/IP协议簇的基本组成 OSI参考模型是指用分层的思想把计算机之间的通信划分为具有层间关系

2、的七个协议层，要完成一次通信，需要在七个相对独立的协议层上完成各自进程才能实现，但TCP/IP参考模型却只用了四层，如图2-1-1所示。 TCP/IP协议是20世纪70年代中期，美国国防部为其ARPANET开发的网络体系结构和协议标准。以TCP/IP为基础建立的因特网是目前(mqin)国际上规模最大的计算机网络。 2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页图 2-1-1 TCP/IP协议簇的体系结构2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页2.1.2 TCP/IP协议的封装在基于TCP/IP协议的网络(wnglu)中，各种应用层的数据都被封装在IP数据包中在网络(wnglu)上进行

3、传输。其数据封装过程如图2-1-2所示。基于TCP/IP协议的所有应用层的数据(如HTTP、FTP、EMAIL、DNS等)在传输层都是通过TCP(或UDP)数据包的格式进行封装的(见图2-1-3)。 2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页图 2-1-2 TCP/IP协议的封装过程结构2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页图 2-1-3 TCP数据包的封装格式2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页图 2-1-4 IP数据包的封装格式共四十四页图 2-1-5 TCP的建立与关闭过程共四十四页2.1.3 TCP/IP协议簇的安全问题随着Internet的发展，TCP/I

4、P协议得到了广泛的应用，几乎所有的网络均采用了TCP/IP协议。由于TCP/IP协议在最初(zuch)设计时是基于一种可信环境的，没有考虑安全性问题，因此它自身存在许多固有的安全缺陷，例如: (1) 对IP协议，其IP地址可以通过软件进行设置，这样会造成地址假冒和地址欺骗两类安全隐患。(2) IP协议支持源路由方式，即源发方可以指定信息包传送到目的节点的中间路由，为源路由攻击埋下了隐患。(3) 在TCP/IP协议的实现中也存在着一些安全缺陷和漏洞，如序列号产生容易被猜测、参数不检查而导致的缓冲区溢出等。2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页 (4) 在TCP/IP协议簇中的各种应用层

5、协议(如Telnet、FTP、SMTP等)缺乏认证和保密措施，这就为欺骗、否认、拒绝、篡改、窃取等行为开了方便之门，使得基于这些(zhxi)缺陷和漏洞的攻击形式多样。 2.1 TCP/IP协议(xiy)簇 共四十四页为了解决TCP/IP协议簇的安全性问题，弥补TCP/IP协议簇在设计之初对安全功能的考虑不足，以Internet工程任务(rn wu)组(IETF)为代表的相关组织不断通过对现有协议的改进和设计新的安全通信协议，对现有的TCP/IP协议簇提供相关的安全保证，在协议的不同层次设计了相应的安全通信协议，从而形成了由各层安全通信协议构成的TCP/IP协议簇的安全架构，具体参看图2-2-1

6、。2.2 网络安全协议(xiy)共四十四页图 2-2-1 TCP/IP协议簇的安全架构共四十四页各个安全协议的具体含义描述如下。1. 应用层的安全协议 (1) S-HTTP(Secure HTTP): 为保证Web的安全，由IETF开发的协议，该协议利用MIME，基于文本进行加密、报文认证(rnzhng)和密钥分发等。(2) SSH(Secure Shell): 对BSD系列的UNIX的r系列命令加密而采用的安全技术。(3) SSL-Telnet、SSL-SMTP、SSL-POP3: 以SSL协议分别对Telnet、SMTP、POP3等应用进行的加密。共四十四页(4) PET(Privacy

7、Enhanced Telnet): 使Telnet具有(jyu)加密功能，在远程登录时对连接本身进行加密的方式(由富士通和WIDE开发)。(5) PEM(Privacy Enhanced Mail): 由IEEE标准化的具有加密签名功能的邮件系统。 (6) S/MIME(Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions): 安全的多用途Internet邮件扩充协议。 (7) PGP(Pretty Good Privacy): 具有加密及签名功能的电子邮件协议(RFC1991)。 共四十四页2. 传输层的安全协议(1) SSL(Secure Socket

8、Layer): 基于(jy)WWW服务器和浏览器之间的具有加密、报文认证、签名验证和密钥分配的加密协议。(2) TLS(Transport Layer Security，IEEE标准): 将SSL通用化的协议(RFC2246)。(3) SOCKS v5: 此协议是防火墙和VPN用的数据加密和认证协议，见IEEE RFC1928(以NEC开发为主)。共四十四页3. 网络层的安全协议IPSec(Internet Protocol Security，IEEE标准): 为通信双方(shungfng)提供机密性和完整性服务。 4. 网络接口层的安全协议(1) PPTP(Point to Point Tu

9、nneling Protocol)： 点到点隧道协议。(2) L2F(Layer 2 Forwarding): 第二层转发协议。(3) L2TP(Layer 2 Tunneling Protocol): 综合了PPTP和L2F的协议，称为第二层隧道协议。共四十四页9.2.1 应用层的安全协议应用层的安全协议针对不同的应用安全需求(xqi)，设计不同的安全机制。常见的协议主要有S-HTTP和PGP。 1. S-HTTPS-HTTP (Secure Hyper Text Transfer Protocol)是安全超文本转换协议的简称，它是一种结合 HTTP 而设计的面向消息的安全通信协议。S-HT

10、TP为 HTTP 客户端和服务器提供了多种安全机制，为WWW中广泛存在的潜在的终端用户提供适当的安全服务选项。共四十四页2. PGPPGP(Pretty Good Privacy)加密(ji m)技术的创始人是美国的Philip Zimmermann，他的创造性工作是把RSA公钥体系和传统加密(ji m)(IDEA)体系结合起来，并且在数字签名和密钥认证管理机制上有巧妙的设计。PGP提供了一种安全的通信方式，它可以对邮件进行保密以防止非授权者阅读，它还能对邮件加上数字签名从而使收信人可以确认邮件的发送者，并能确信邮件有没有被篡改。PGP采用了一种杂合算法，把RSA和IDEA算法都应用其中，用于

11、电子邮件的压缩和计算明文的摘要值等。 共四十四页2.2.2 传输层的安全(nqun)协议传输层的安全协议有SSL、TLS、SOCKS v5等。 Netscape公司开发的SSL(Secure Socket Layer)协议是安全套接层协议，是一种安全通信协议。 SSL是为客户端/服务器之间的HTTP协议提供加密的安全协议，作为标准被集成在浏览器上。SSL位于传输层与应用层之间，并非是Web专用的安全协议，也能为Telnet、SMTP、 FTP等其他协议所应用，但SSL只能用于TCP，不能用于UDP。TLS是SSL通用化的加密协议，由IETF标准化。 共四十四页SOCKS v4是为TELNET、

12、FTP、HTTP、WAIS和GOPHER等基于TCP协议(xiy)的客户端/服务器应用提供的协议(xiy)。SOCKS v5扩展了SOCKS v4以使其支持UDP，扩展了框架以包含一般的强安全认证方案，扩展了寻址方案以包括域名和IPv6地址，此协议在传输层及应用层之间进行操作。 共四十四页2.2.3 网络层的安全协议IPSec协议是在网络层上实现的具有加密、认证功能的安全协议，由IETF标准化，它既适合于IP v4，也适合于IPv6。IPSec协议能够为所有基于TCP/IP协议的应用提供(tgng)安全服务。 共四十四页2.2.4 网络接口层的安全协议网络接口层的安全协议主要有PPTP、L2F

13、、L2TP等。1. PPTPPPTP(点到点隧道协议)是由微软、朗讯和3COM等公司推出的协议标准，是集成在Windows NT 4.0、Windows 98等系统上的点对点的安全协议，它使用扩展的GRE(Generic Routing Encapsulation，通用路由封装)协议封装PPP分组，通过在IP网上建立的隧道来透明(tumng)传送PPP帧。PPTP在逻辑上延伸了PPP会话，从而形成了虚拟的远程拨号。 共四十四页2. L2F L2F是第二层转发协议，是由Cisco Systems 建议的标准。它在RFC 2341中定义，是基于ISP的、为远程接入服务器RAS提供VPN功能的协议。

14、它是1998年标准化的远程访问VPN的协议。3. L2TP1996年6月，Microsoft和CISCO 向IETF PPP扩展工作组(PPPEXT)提交了一个MS-PPTP和Cisco L2F协议的联合(linh)版本，该提议被命名为第二层隧道协议(L2TP)。L2TP是综合了PPTP和L2F等协议的另一个基于数据链路层的隧道协议，它继承了L2F的格式和PPTP中的最出色的部分。共四十四页为传输层提供安全(nqun)保护的协议主要有SSL和TLS。 TLS用于在两个通信应用程序之间提供保密性和数据完整性服务。 2.3 SSL协议(xiy) 共四十四页2.3.1 SSL安全服务SSL协议可提供

15、以下3种基本的安全功能服务。(1) 信息加密。SSL 所采用的加密技术既有对称加密技术(如DES、 IDEA)，也有非对称加密技术(如RSA)，从而确保了信息传递过程中的机密性。(2) 身份认证(rnzhng)。通信双方的身份可通过RSA(数字签名技术)、DSA(数字签名算法)和ECDSA(椭圆曲线数字签名算法)来验证，SSL协议要求在握手交换数据前进行身份认证，以此来确保用户的合法性。共四十四页 (3) 信息完整性校验。通信的发送方通过散列函数产生消息验证码(MAC)，接收方通过验证MAC来保证信息的完整性。SSL 提供完整性校验服务，使所有经过SSL协议处理的业务都能全部准确、无误地到达目

16、的地。SSL不是一个单独的协议，而是两层协议，如图2-3-1所示。其中，最主要(zhyo)的两个SSL子协议是握手协议和记录协议。 共四十四页图2-3-1 SSL的分层结构(jigu)共四十四页2.3.2 SSL记录协议SSL记录协议从它的高层SSL子协议收到数据后，进行数据分段(fn dun)、压缩、认证和加密， 即它把输入的任意长度的数据输出为一系列的SSL数据段(或者叫“SSL记录”)，每个这样的数据段最大为16 383(214-1)个字节。每个SSL记录包括内容类型、协议版本号、长度、 数据有效载荷和MAC等信息。 共四十四页SSL记录(jl)层共四十四页2.3.3 SSL握手协议SS

17、L 握手协议是位于SSL记录协议之上的主要子协议，SSL握手消息被提供给SSL记录层，在那里它们被封装进一个或多个SSL记录里。 这些记录根据当前SSL会话指定的压缩方法(fngf)、加密说明和当前SSL连接对应的密钥来进行处理和传输。SSL握手协议使客户端和服务器建立并保持用于安全通信的状态信息， 此协议使得客户端和服务器获得共同的SSL 协议版本号、选择压缩方法(fngf)和密码说明、可选的相互认证、产生一个主要秘密并由此得到消息认证和加密的各种会话密钥。 共四十四页共四十四页2.3.4 SSL协议性能分析SSL协议性能可从访问速度和安全性进行分析。1. 访问速度SSL的应用(yngyng

18、)降低了HTTP服务器和浏览器之间相互作用的速度，原因在于在浏览器和服务器之间用来初始化SSL会话和连接的状态信息时需要用到公钥加密和解密方案。实际上，在开始连接到HTTP服务器和收到第一个HTML页面时，用户经历了一个额外的几秒钟的停顿(SSL协议对接下来的会话中的主密钥进行缓存处理)。共四十四页这个耽搁只影响浏览器和服务器之间的第一次SSL连接。与创建会话相比，采用DES、RC2、RC4算法来进行加密和解密数据的额外负担很少(没必要让用户感觉到)，所以，对于拥有高速计算机，而联网速度相对很慢的用户来说，在SSL会话或多个利用共享的主秘密的会话建立后，传送大量数据时，SSL的开销就显得微不足

19、道。另一方面，繁忙的SSL服务器管理者会考虑为了配合(pih)公钥操作而去寻找速度很快的计算机或者硬件配置。共四十四页2. 安全性SSL并不能抵抗通信流量分析。例如，通过检查(jinch)没有被加密的IP源和目的地址以及TCP端口号或者检查(jinch)通信数据量，一个通信分析者可以揭示哪一方在使用什么服务，有时甚至揭露商业或私人关系的秘密。为了利用SSL的安全保护，客户和服务器必须知道另一方也在用SSL。共四十四页IPSec通过认证包头AH(Authentication Header) 和封装安全负载ESP( Encapsulated Security Payload)两个协议确保(qubo

20、)基于无连接的数据的真实性、机密性和完整性的要求，加强了IP协议的安全性，克服了原有IPv4协议在安全性方面存在的不足。 2.4 IPSec协议(xiy) 共四十四页2.4.1 IPSec的安全体系结构IPSec协议(xiy)由两部分组成，即安全协议(xiy)部分和密钥协商部分。安全协议部分定义了对通信的各种保护方式; 密钥协商部分定义了如何为安全协议协商保护参数，以及如何对通信实体的身份进行鉴别。 具体来讲，IPSec协议主要由因特网密钥交换(IKE)协议、认证头(AH)以及安全封装载荷(ESP)三个子协议组成，同时还涉及认证、加密算法以及安全关联(SA)等内容。 共四十四页IPSec的安全体系结构如图2-4-1所示，其中各个模块的功能如下: (1) 因特网密钥交换(IKE)协议: 用于动态建立安全关联(SA)，管理用于IPSec连接(linji)的SA协议过程。(2) 认证头(AH)：是IPSec协议的一个协议，用来保护一个上层协议(传输模式)或者一个完整的IP数据包(隧道模式)。共四十四页(3) 安全封装载荷（ESP）