网络安全-青岛滨海学院优秀文档

第7章网络安全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

1、计算机网络上的通信面临以下四种威胁：(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。2、以上四种威胁可划分为两大类：被动攻击和主动攻击。截获信息的攻击称为被动攻击，而中断、篡改、伪造信息的攻击称为主动攻击。3、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4、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PDU(协议数据单元)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。从类型上看，主动攻击又可进一步划分为三种：更改报文流：包括对通过连接的PDU的真实性、完整性和有序性的攻击。拒绝服务：指攻击者向因特网上的服务器不停地发送大量分组，使因特网或服务器无法提供正常服务。如2000年2月7－9号美国几个著名网站遭黑客攻击，使这些网站无法提供正常服务，这种攻击称为拒绝服务DoS(DenialofService),若从因特网上的成百上千个网站集中攻击一个网站，则称为分布式拒绝服务DDoS(DistributedDenialofService)伪造连接初始化:攻击者重放以前已被记录的合法连接初始化序列，或者伪造身份而企图建立连接。对于主动攻击，可以采取适当措施加以检测，但对于被动攻击，通常检测不出来，根据这些特点，可得出计算机网络通信安全的五个目标：(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。5、计算机网络通信安全的目标恶意程序是一种特殊的主动攻击，恶意程序种类繁多，对网络安全威胁较大的主要有以下几种：(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。

6、恶意程序(rogueprogram)7.1.2计算机网络安全的内容计算机网络安全主要有以下内容：1、保密性：密码2、安全协议的设计人们一直希望能设计出一种安全的计算机网络，但不幸的是，网络的安全性是不可判定的，目前在安全协议的设计方面，主要是针对具体的攻击设计安全的通信协议。3、访问控制访问控制也叫存取控制或接入控制。必须对接入网络的权限加以控制，并规定每个用户的接入权限。以上三种网络安全的内容都与密码技术紧密相关，如在保密通信中，要用加密算法来对消息进行加密，以对抗可能的窃听；安全协议中的一个重要内容就是要论证协议所采用的加密算法的强度；在访问控制系统的设计中，也要用到加密技术。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(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)。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

1、所谓对称密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。2、数据加密标准DES数据加密标准DES属于对称密钥密码体制，由IBM公司研制出，于1977年被美国定为联邦信息标准后，在国际上引起了极大的重视，ISO曾将DES作为数据加密标准。DES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)。3、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。在DES之后，出现了国际数据加密算法IDES，使用128位密钥，因而更不容易破译。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Y

E运算加密算法D运算解密算法加密解密明文X明文X

ABB的私钥SKB密文Y

因特网B的公钥PKB7.3数字签名书信或文件是根据亲笔签名或印章来证明真实性，在网络中传送的文电使用数字签名签名来保证真实性。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——接收者确信所收到的数据和发送者发送的安全一样而没有被篡改过；(3)不可否认——发送者事后不能抵赖对报文的签名。现在已有多种实现各种数字签名的方法。但采用公钥算法比采用对称密钥更容易实现。密文数字签名的实现D运算明文X明文X

ABA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X

ABA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end7.4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)

。鉴别是要验证通信的对方的确是自己所要通信的对象，而不是其他的冒充者。鉴别包括：报文鉴别和实体鉴别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。报文摘要是进行报文鉴别的简单方法。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。

拒绝服务：指攻击者向因特网上的服务器不停地发送大量分组，使因特网或服务器无法提供正常服务。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”。在DES之后，出现了国际数据加密算法IDES，使用128位密钥，因而更不容易破译。加密和解密算法都是公开的。现在已有多种实现各种数字签名的方法。下面介绍两种用于电子邮件的协议：但采用公钥算法比采用对称密钥更容易实现。报文摘要算法是防止报文被人恶意篡改。下面的‘中间人攻击’就更加具有欺骗性。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。SSL提供以下三个功能鉴别是要验证通信的对方的确是自己所要通信的对象，而不是其他的冒充者。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。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。密钥必须通过最安全的通路进行分配。1、计算机网络上的通信面临以下四种威胁：3、对网络的被动攻击和主动攻击用户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。鉴别是要验证通信的对方的确是自己所要通信的对象，而不是其他的冒充者。如一样，就能以极高的概率断定收到的报文是A产生的。5、计算机网络通信安全的目标加密和解密算法都是公开的。安全协议中的一个重要内容就是要论证协议所采用的加密算法的强度；在被动攻击中，攻击者只是观察和分析某一个PDU(协议数据单元)而不干扰信息流。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。报文摘要算法是防止报文被人恶意篡改。第7章网络安全(7-4)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。报文摘要的实现A比较签名核实签名报文XHD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7.4.2实体鉴别实体可以是一个人，也可以是一个进程（客户或服务器）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的是使用对称密钥KAB加密的报文。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以上鉴别方法具有明显的漏洞：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A首先用明文发送其身份A和一个不重数RA给B，接着B响应A的查问，用共享密钥KAB对A加密后发回给A，同时给出自己的不重数RB，接着A再响应B的查问，用共享密钥KAB对RB加密后发回给B，由于不重数不能重复使用，所以C在进行重放攻击时无法重复使用所截获的不重数。使用不重复数进行鉴别，仍有受到攻击的可能，方法就是C冒充A，发送报文给B，说我就是A……..下面的‘中间人攻击’就更加具有欺骗性。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密钥分配由于密码算法是公开的（谁都能推算密码），网络的安全性就完全基于密钥的安全保护上，因此密码学中出现了一个分支－－密钥管理。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。过去是派信使送，叫网外分配方式，但随着网络用户的增多，密钥更换频繁，派信使已不再适用，而应采用网内分配方式，即对密钥自动分配。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”。密钥分配分为三个步骤：AB密钥分配中心KDCA,B,KABKB……用户专用主密钥用户主密钥A

KAB

KB

A,B,KABKABKBKA,时间A,B目前最出名的密钥分配协议是KerberosV5[RFC4120,4121],是美国麻省理工学院MIT开发出的。Kerberos既是鉴别协议，同时也是KDC，它已经变得很普及。课本P295图7－11介绍了KerberosV4的大致工作过程。7.5.2公钥的分配在公钥密码体制中，如果每个用户都具有其他用户的公钥，就可实现安全通信。看来好像可以随意公布用户的公钥。其实不然，设想用户A要欺骗用户B。A可以向B发送一份伪造是C发送的报文。A用自己的密钥进行数字签名，并附上A自己的公钥，谎称这公钥是C的，B如何知道这公钥不是C的呢？显然需要有一个值得信赖的机构来将公钥与其对应的实体（人或机器）进行绑定——这样的机构叫认证中心CA

(CertificationAuthority)，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。END7.6因特网使用的安全协议前面讲的网络安全原理都可用在因特网中，目前在网络层、运输层、应用层都有相应的网络安全协议，下面分别介绍这些协议的要点：7.6.1网络层安全协议1.IPsec与安全关联SA：（1）IPsec是IP安全（Security）协议的缩写。网络层保密是指所有在IP数据报中的数据都是加密的。IPsec最主要的两个协议是：①鉴别首部AH协议：提供源点鉴别和数据完整性，但不能保密。②封装安全有效载荷ESP协议：ESP比AH复杂的多，提供源点鉴别、数据完整性和保密。虽然AH协议的功能都已包含在ESP协议中，但AH协议早已使用在一些商品中，因此AH协议还不能废弃。

（2）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。这样，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SA是一个单向连接，如进行双向的安全通信则需要建立两个安全关联。7.6.2运输层安全协议本节介绍运输层使用的安全套接层SSL协议。SSL是Netscape公司1994年开发的，现在使用的是SSL3.0，后来IETF在SSL的基础上设计了运输层安全协议TLS，它是SSL的非专有版本。用户通过浏览器进行网上购物时，需要以下的一些安全措施：（1）顾客需要确知：所浏览的服务器属于真正的厂商而不是假冒的厂商。即服务器必须被鉴别。（2）顾客需要确知：购物报文在传输过程中没有被篡改。即报文的完整性必须保留。（3）顾客需要确知：因特网的入侵都不能截获如信用卡号这样的敏感信息，这就需要对购物的报文进行保密。下面介绍安全套接层SSL：

1.安全套接层SSL(SecureSocketLayer)

SSL

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。它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位于应用层和运输层之间，如下图：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。课本p299页介绍了一个例子，说明SSL的工作原理（略）2、以上四种威胁可划分为两大类：被动攻击和主动攻击。具有保密性的数字签名密钥必须通过最安全的通路进行分配。计算机网络安全主要有以下内容：(2)报文的完整性——接收者确信所收到的数据和发送者发送的安全一样而没有被篡改过；(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。目前最出名的密钥分配协议是KerberosV5[RFC4120,4121],是美国麻省理工学院MIT开发出的。防火墙技术一般分为两类5、计算机网络通信安全的目标在接收方，SSL从TCP套接字读取数据，解密后把数据交给应用层。在DES之后，出现了国际数据加密算法IDES，使用128位密钥，因而更不容易破译。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)。PEM由政策认证中心PCM发布证书，上面有用户姓名、公钥以及密钥的使用期限。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。6因特网使用的安全协议鉴别与授权(authorization)是不同的概念。加密和解密算法都是公开的。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信用卡交易的协议。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

在应用层实现安全比较简单，特别是当因特网的通信只涉及到两方，例如电子邮件和TELNET。下面介绍两种用于电子邮件的协议：1、PGP(PrettyGoodPrivacy)PGP是Zimmermann于1995年开发的，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。

PGP的工作原理见P300（略）

2.PEM

(PrivacyEnhancedMail)

PEM是因特网的邮件加密建议标准，由四个RFC文档来描述：(1)RFC1421：报文加密与鉴别过程(2)RFC1422：基于证书的密钥管理(3)RFC1423：PEM的算法、工作方式和标识符(4)RFC1424：密钥证书和相关的服务PEM的功能和PGP的差不多，都是对电子邮件进行加密和鉴别。PEM的主要特点PEM有比PGP有更加完善的密钥管理机制。PEM由政策认证中心PCM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从网络传