计算机网络07-网络安全课件

计算机网络第7章网络安全第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

7.1.2计算机网络安全的内容

7.1.3一般的数据加密模型7.2两类密码体制

7.2.1对称密钥密码体制

7.2.2公钥密码体制2023/7/232ComputerNetworksLingChuanfan第7章网络安全（续）7.3数字签名7.4鉴别

7.4.1报文鉴别

7.4.2实体鉴别7.5密钥分配

7.5.1对称密钥的分配

7.5.2公钥的分配2023/7/233ComputerNetworksLingChuanfan第7章网络安全（续）7.6因特网使用的安全协议

7.6.1网络层安全协议

7.6.2运输层安全协议

7.6.3应用层的安全协议破7.7链路加密与端到端加密

7.7.1链路加密

7.7.2端到端加密7.8防火墙2023/7/234ComputerNetworksLingChuanfan7.1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。2023/7/235ComputerNetworksLingChuanfan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2023/7/236ComputerNetworksLingChuanfan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

2023/7/237ComputerNetworksLingChuanfan(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2023/7/238ComputerNetworksLingChuanfan(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)2023/7/239ComputerNetworksLingChuanfan7.1.2计算机网络安全的内容保密性安全协议的设计访问控制2023/7/2310ComputerNetworksLingChuanfan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K2023/7/2311ComputerNetworksLingChuanfan替代密码替代密码(substitutioncipher)的原理可用一个例子来说明。（密钥是3）abcdefghijklmnopqrstuvwxyzDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCcaesarcipherFDHVDUFLSKHU明文密文明文c变成了密文F2023/7/2312ComputerNetworksLingChuanfan9.2.1替代密码与置换密码替代密码(substitutioncipher)的原理可用一个例子来说明。（密钥是3）abcdefghijklmnopqrstuvwxyzDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCcaesarcipherFDHVDUFLSKHU明文密文明文a变成了密文D2023/7/2313ComputerNetworksLingChuanfan9.2.1替代密码与置换密码替代密码(substitutioncipher)的原理可用一个例子来说明。（密钥是3）abcdefghijklmnopqrstuvwxyzDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCcaesarcipherFDHVDUFLSKHU明文密文明文e变成了密文H2023/7/2314ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2315ComputerNetworksLingChuanfan7.2两类密码体制

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。2023/7/2316ComputerNetworksLingChuanfan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)。2023/7/2317ComputerNetworksLingChuanfanDES加密标准L0R0L1=R0IPL2=R1L15=R14R1=L0f(R0,K1)R2=L1f(R1,K2)R15=L14f(R14,K15)L16=R15R16=L15f(R15,K16)IP1fff输出密文Y(64bit)明文X(64bit)输入K16(48bit)K2(48bit)K1(48bit)X0的左半边

(32bit)X0(64bit)X0的右半边(32bit)R16L16(64bit)2023/7/2318DES

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。

2023/7/2319ComputerNetworksLingChuanfan7.2.2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。2023/7/2320ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2321ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2322ComputerNetworksLingChuanfan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)2023/7/2323ComputerNetworksLingChuanfan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）2023/7/2324ComputerNetworksLingChuanfan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PKB2023/7/2325ComputerNetworksLingChuanfanRSA公开密钥密码体制RSA公开密钥密码体制所根据的原理是：根据数论，寻求两个大素数比较简单，而将它们的乘积分解开则极其困难。每个用户有两个密钥：加密密钥PK{e,n}和解密密钥SK{d,n}。用户把加密密钥公开，使得系统中任何其他用户都可使用，而对解密密钥中的d则保密。N为两个大素数p和q之积（素数p和q一般为100位以上的十进数），e和d满足一定的关系。当敌手已知e和n时并不能求出d。2023/7/2326ComputerNetworksLingChuanfan(1)加密算法若用整数X表示明文，用整数Y表示密文（X和Y均小于n），则加密和解密运算为：加密：YXemodn

解密：XYdmodn

2023/7/2327ComputerNetworksLingChuanfan(2)密钥的产生①计算n。用户秘密地选择两个大素数p和q，计算出n

pq。n称为RSA算法的模数。明文必须能够用小于n的数来表示。实际上n是几百比特长的数。②计算(n)。用户再计算出n的欧拉函数(n)(p

1)(q

1)(n)定义为不超过n并与n互素的数的个数。③选择e。用户从[0,(n)1]中选择一个与(n)互素的数e作为公开的加密指数。2023/7/2328ComputerNetworksLingChuanfan(2)密钥的产生（续）④计算d。用户计算出满足下式的d

edmod(n)

1

作为解密指数。⑤得出所需要的公开密钥和秘密密钥：公开密钥（即加密密钥）PK{e,n}

秘密密钥（即解密密钥）SK{d,n}2023/7/2329ComputerNetworksLingChuanfan(3)正确性的例子说明设选择了两个素数，p

7,q

17。计算出n

pq

717119。计算出(n)(p

1)(q

1)96。从[0,95]中选择一个与96互素的数e。选e

5。然后根据(9-10)式，

5dmod961解出d。不难得出，d

77,因为ed

5773854961，即385mod961。于是，公开密钥PK(e,n){5,119},

秘密密钥SK{77,119}。2023/7/2330ComputerNetworksLingChuanfan(3)正确性的例子说明（续）

对明文进行加密。先把明文划分为分组，使每个明文分组的二进制值不超过n,即不超过119。设明文X19。用公开密钥加密时，先计算

Xe

195

2476099。再除以119，得出商为20807，余数为66。这就是对应于明文19的密文Y的值。在用秘密密钥SK{77,119}进行解密时，先计算

Yd

6677

1.27...10140。再除以119，得出商为1.06...10138，余数为19。此余数即解密后应得出的明文X。2023/7/2331ComputerNetworksLingChuanfan(3)正确性的例子说明（续）

对明文进行加密。先把明文划分为分组，使每个明文分组的二进制值不超过n,即不超过119。设明文X19。用公开密钥加密时，先计算

Xe

195

2476099。再除以119，得出商为20807，余数为66。这就是对应于明文19的密文Y的值。在用秘密密钥SK{77,119}进行解密时，先计算

Yd

6677

1.27...10140。再除以119，得出商为1.06...10138，余数为19。此余数即解密后应得出的明文X。2023/7/2332ComputerNetworksLingChuanfanRSA算法举例明文

1919==20807公开密钥={5,119}加密5119及余数

66密文

6666==1.0610秘密密钥={77,119}解密771.27...10119及余数

19

明文

191401382023/7/2333ComputerNetworksLingChuanfan7.3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。2023/7/2334ComputerNetworksLingChuanfan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PKA2023/7/2335ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2336ComputerNetworksLingChuanfan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2023/7/2337ComputerNetworksLingChuanfan7.4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。2023/7/2338ComputerNetworksLingChuanfan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）。2023/7/2339ComputerNetworksLingChuanfan7.4.1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。2023/7/2340ComputerNetworksLingChuanfan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。

2023/7/2341ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2342ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2343ComputerNetworksLingChuanfan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2023/7/2344ComputerNetworksLingChuanfan7.4.2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。2023/7/2345ComputerNetworksLingChuanfan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KAB2023/7/2346ComputerNetworksLingChuanfan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。2023/7/2347ComputerNetworksLingChuanfan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”。2023/7/2348ComputerNetworksLingChuanfan使用不重数进行鉴别ABA,RARBKABRARBKAB,时间2023/7/2349ComputerNetworksLingChuanfan7.5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。2023/7/2350ComputerNetworksLingChuanfan7.5.1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”。2023/7/2351ComputerNetworksLingChuanfan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

A

KAB

KB

A,B,KABKABKBKA,时间A,B2023/7/2352ComputerNetworksLingChuanfan7.5.2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。2023/7/2353ComputerNetworksLingChuanfan7.7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