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计算机网络、E向CA提供“身份证明”、CA创建绑定E及其公钥的证书(certificate)、证书包含由CA签名的E的公钥 – CA声明：“这是E的公钥”

编辑于2022-11-10 19:52:07

持枢

计算机网络

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大纲

计算机网络

第九章网络安全协议与技术

9.1 安全电子邮件

电子邮件安全威胁

垃圾邮件

诈骗邮件

邮件炸弹

通过电子邮件/附件传播网络蠕虫/病毒

电子邮件欺骗、钓鱼式攻击

电子邮件安全需求

机密性

完整性

身份认证

抗抵赖

安全电子邮件基本原理

Alice期望向Bob发送机密邮件m

Alice期望提供发送者认证与报文完整性

Alice对报文进行数字签名

发送报文（明文）和数字签名

Alice期望提供保密、发送者认证与报文完整性

安全电子邮件标准

PEM（Privacy Enhanced Mail）标准

PEM的运行依赖PKI(公钥基础设施)，如CA

提供4种安全服务

邮件加密

报文完整性

发送方认证

防发送方否认

PGP（Pretty Good Privacy）标准

特点

可在各种平台（Windows、UNIX等）免费运行

可用于普通文件加密及军事目的

所用算法被证实为非常安全

公钥加密算法：RSA、DSS或Diffie-Hellman

对称加密算法：CAST、3DES或IDEA

散列算法：MD5或SHA-1

对邮件内容进行数字签名，保证信件内容不被篡改

使用公钥和对称加密保证邮件内容机密且不可否认

公钥的权威性由收发双方或所信任的第三方签名认证

事先不需要任何保密信道来传递对称的会话密钥

功能框架

Alice期望PGP提供保密、发送者认证与报文完整性

报文格式

PGP秘钥

安装PGP时，软件为用户生成一个公开密钥对

公钥放置用户网站或某公钥服务器上

私钥则使用用户口令进行保护

PGP公钥认证机制与传统CA差异较大

PGP公钥可以通过可信的Web认证

用户可以自己认证任何其信任的“公钥/用户名”对

用户还可以为其他公钥认证提供“担保”

防止篡改公钥的方法（Alice）

直接从Bob手中得到其公钥

通过电话认证密钥

从双方信任的David那里获得Bob的公钥

通过CA

S/MIME（Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions）标准

提供数据保密、完整性和认证等安全服务

不仅限于邮件使用，可用于任何支持MIME数据的传输机制，如HTTP

增加了新的MIME数据类型

应用 /pkcs7-MIME

复合/已签名

应用 /pkcs7-签名

只保护邮件的邮件主体，对头部信息则不进行加密

认证机制依赖于层次结构的CA

证书格式采用X.509规范

9.2 安全套接字SSL

Web安全威胁

攻击与破坏事件层出不穷，需要安全Web服务

Web安全威胁的分类

主动攻击：篡改C/S之间信息或篡改Web站点信息（难防易检）

被动攻击：监听数据流获取信息或进行信息量分析（难检易防）

机密性

完整性

拒绝服务

身份认证

Web服务器的安全威胁

Web浏览器的安全威胁

通信信道的安全威胁

监听程序会威胁通信信道中所传输信息的机密性

伪造、篡改、重放会威胁所传输信息的完整性

缺乏身份认证使得冒充他人身份进行中间人攻击

缺乏数字签名机制使得通信双方能相互攻击

拒绝服务攻击使得通信信道不能保证可用性

基于应用层实现Web安全

基于传输层实现Web安全SSL （Secure Sockets Layer）

概述

是广泛部署的安全协议

可用于所有基于TCP的网络应用

几乎所有浏览器和Web服务器都支持

https

每年通过SSL交易额达数十亿美元

实现：Netscape

变体：TLS

能力

机密性(confidentiality)

完整性(integrity)

认证(authentication)

目标

Web电子商务交易

加密(尤其信用卡号)

Web服务器认证

可选的客户认证

方便与新商户的商务活动

SSL与TCP/IP

SSL为网络应用提供应用编程接口 (API)

C语言和Java语言的 SSL库/类可用

可以像PGP那样实现某些安全功能

需要发送字节流以及交互数据

需要一组密钥用于整个连接

需要证书交换作为协议的一部分：握手阶段

简化的SSL

一个简单的安全信道

握手(handshake)

密钥派生(key derivation)

数据传输(data transfer)

连接关闭(connection closure)

简化的SSL：一个简单的握手过程

简化的SSL：秘钥派生

不同加密操作使用不同密钥会更加安全

4个密钥

Kc = 用于加密客户向服务器发送数据的密钥

Mc = 用于客户向服务器发送数据的MAC密钥

Ks = 用于加密服务器向客户发送数据的密钥

Ms = 用于服务器向客户发送数据的MAC密钥

通过密钥派生函数(KDF)实现密钥派生

简化的SSL：数据记录

问题

MAC放在哪

如何对发送的所有字节进行完整性校验

方案：将字节流分割为一系列记录

每个记录携带一个MAC

接收方可以对每个记录进行完整性检验

简化的SSL : 序列号

问题：攻击者可以捕获和重放记录或者重新排序记录

在MAC中增加序列号

问题：攻击者可以重放所有记录

使用一次性随机数(nonce)

简化的SSL：控制信息

问题: 截断攻击

攻击者伪造TCP连接的断连段，恶意断开连接

一方或双方认为对方已没有数据发送

解决方案: 记录类型, 利用一个类型的记录专门用于断连

type 0用于数据记录；type 1用于断连

简化的SSL : 总结

完整SSL

SSL协议栈

介于HTTP与TCP之间的一个可选层

SSL不是一个单独的协议，而是两层协议

SSL密码组 (cipher suite)

密码组

公开密钥算法(public-key algorithm)

对称加密算法(symmetric encryption algorithm)

MAC算法

SSL支持多个密码组

协商(negotiation): 客户与服务器商定密码组

常见的SSL密码

对称

DES –分组密码

3DES –分组密码

RC2 – Rivest Cipher 2分组密码

RC4 – Rivest Cipher 4流密码

公开非对称

RSA

SSL更改密码规格协议 (Change Cipher Spec Protocol)

更新当前连接的密钥组

位于SSL记录协议之上

ContentType=20

协议只包含一条消息（一个值为1的字节）.

SSL警告协议 (Alert Protocol)

Alert消息

位于SSL记录协议之上

ContentType=21

协议包含两个字节：警告级别和警告代码

SSL握手协议 (Handshake Protocol)

概述

协商结果是SSL记录协议的基础

ContentType=22

SSL v3.0的握手过程用到三个协议

握手协议

更改密码规格协议

警告协议

目的

服务器认证/鉴别

协商: 商定加密算法

建立密钥

客户认证/鉴别(可选)

SSL握手过程

1. 客户发送其支持的算法列表，以及客户一次随机数(nonce)

2. 服务器从算法列表中选择算法，并发回给客户：选择 + 证书 + 服务器一次随机数

3. 客户验证证书，提取服务器公钥，生成预主密钥(pre_master_secret)，并利用服务器的公钥加密预主密钥，发送给服务器

4. 客户与服务器基于预主密钥和一次随机数分别独立计算加密密钥和MAC密钥

5. 客户发送一个针对所有握手消息的MAC

6. 服务器发送一个针对所有握手消息的MAC

SSL握手消息及参数

SSL握手协议工作过程

SSL记录协议 (Record Protocol)

概述

描述SSL信息交换过程中的记录格式

所有数据（含SSL握手信息）都被封装在记录中

一个记录由两部分组成：记录头和数据

SSL记录协议的操作步骤

将数据分段成可操作的数据块

对分块数据进行数据压缩

计算MAC值

对压缩数据及MAC值加密

加入SSL记录头

在TCP中传输

SSL记录格式

实际的SSL连接

秘钥派生

客户一次数、服务器一次数和预主密钥输入伪随机数发生器

主密钥和新一次随机数输入另一个随机数发生器: “密钥块(key block)”

密钥块“切片”

基于网络层实现Web安全9.3 IP安全IPSec

IPSec提供端到端（主机到主机）的安全机制

各种应用程序均可利用IPSec提供的安全机制

9.3 IP安全IPSec

虚拟专用网（VPN）

专用网(Private Networks)

动机：安全

成本高

虚拟专用网 (Virtual Private Networks)

动机：安全+成本

虚拟

通过隧道技术、加密技术、密钥管理、认证和访问控制等，实现与专用网类似的安全性能

典型应用

VPN功能

数据机密性保护

数据完整性认证

数据源身份认证

防重放攻击

访问控制

VPN关键技术

隧道技术

构建VPN的核心技术

隧道：通过Internet提供安全的点到点的数据传输安全通道

VPN隧道利用隧道协议对通过隧道传输的数据进行封装

使数据安全穿越公共网络(通常是Internet)

通过加密和认证以确保安全

数据包进入隧道时，由VPN封装成IP数据报

通过隧道在Internet上安全传输

离开隧道后，进行解封装，数据便不再被保护

隧道协议

隧道协议内包括以下三种协议

乘客协议（Passenger Protocol）

封装协议（Encapsulating Protocol）

承载协议（Carrier Protocol）

常见VPN隧道协议

第二层隧道：PPTP、L2TP

第三层隧道：IPSec

典型VPN实现技术

IPSec：最安全、适用面最广

SSL：具有高层安全协议的优势

L2TP：最好的实现远程接入VPN的技术

典型VPN技术结合：IPSec与SSL、IPSec与L2TP

数据加密

身份认证

密钥管理

访问控制

网络管理

IPsec

IPsec体系结构

IPsec服务

机密性(confidentiality)

数据完整性(data integrity)

源认证/鉴别(origin authentication)

重放攻击预防(replay attack prevention)

提供不同服务模型的两个协议

认证头AH (Authentication Header)

在IP数据报文头中的协议号为51

提供源认证/鉴别和数据完整性检验，但不提供机密性

封装安全协议ESP (Encapsulation Security Protocol)

在IP数据报文头中的协议号为50

提供源认证/鉴别、数据完整性检验以及机密性

比AH应用更广泛

IPsec传输模式

IPsec数据报的发送与接收均由端系统完成

主机是IPsec感知的(IPsec-ware)

模式与协议的组合

传输模式AH

传输模式ESP

隧道模式AH

隧道模式ESP

IPsec的隧道(tunneling)模式

边缘路由器是IPsec感知的(IPsec-ware)

安全关联SA (security association)

发送数据前，从发送实体到接收实体之间需要建立安全关联SA

发送实体与接收实体均需维护SA的状态信息

主要参数

安全参数索引(SPI)：32位SA唯一标识(ID)

加密密钥、认证密钥

密码算法标识

序列号(32位)

抗重放攻击

抗重播窗口

接收方使用滑动窗口检测恶意主机重放数据报

生存周期

规定SA的有效使用周期

运行模式：传输模式或隧道模式

IPSec隧道源、目的地址

SA实例

安全关联数据库(SAD) (security association database)

IPsec端点将SA状态保存在SAD

安全策略数据库(SPD) (Security Policy Database)

安全策略(SP)

安全策略组成了SPD，每个记录就是一条SP

提取关键信息填充到一个称为“选择符”的结构

利用选择符去搜索SPD，检索匹配的SP

安全处理需要的参数存储在SP指向的SA结构

SA的建立和密钥管理

两种方式

手工

所有的信息需要手工配置

SA永远存在

适用于结构简单的网络

自动

SA可以通过协商方式产生

SA过期以后重新协商，提高了安全性

适用于较复杂拓扑和较高安全性的网络

Internet密钥交换(IKE)

IKE协议可自动管理SA的建立、协商、修改和删除，是IPSec唯一的密钥管理协议

IKE

ISAKMP(Internet Security Association and Key Management Protocol)的通用框架

OAKLEY的密钥交换模式

SKEME的共享和密钥更新技术

IKE和IPSec：IKE为IPSec提供服务

密钥交换与管理

身份认证：通信对等体的认证

IPSec SA的协商与管理

认证方式：PSK与PKI

预共享密钥 (PSK)：基于共享的秘密密钥

运行IKE认证彼此，并建立IPsec SAs (每个方向一个)

包括加密秘钥和认证密钥

公钥基础设施PKI：基于公开/私有密钥对以及证书

运行IKE认证彼此，并建立IPsec SAs (每个方向一个)

类似于SSL的握手过程

IKE的阶段

阶段1：建立双向IKE SA(也称为ISAKMP安全关联)

阶段2：基于ISAKMP协议，进行IPsec SA的安全协商

总结

IKE用于交换算法、秘密密钥、SPI

采用AH协议或者ESP协议 (或者两者)

AH提供完整性、源认证服务

ESP提供完整性、源认证以及机密性服务

IPsec对等端可以是

两个端系统

两个路由器/防火墙

一个路由器/防火墙与一个端系统

IPSec数据报

传输模式AH

隧道模式AH

传输模式ESP

隧道模式ESP

IPsec的传输模式

IPsec的隧道模式

数据报处理过程

R1: 将原IP数据报转换为IPsec数据报

检索SPD，确定处理策略

检索SAD，确定SA

在原IP数据报(包括原IP首部域)后面附加“ESP尾部”

利用SA定义的算法与密钥，加密上述结果

在加密结果前面附加“ESP头”，创建“enchilada”

针对整个enchilada，利用SA定义的算法与密钥，创建报文认证码MAC

在enchilada后面附加MAC，构成载荷(新IP数据报载荷)

构造全新的IP头，包含所有经典的IPv4首部字段

将新IP头附加在载荷的前面

R2: 解封IPsec数据报

从原始IP数据报中提取选择符，并搜索SPD，确定处理策略

判断是否为IPsec数据报

从头部提取，并检索SAD

若找不到SA，则触发IKE或丢弃包

若找到，则根据SA解封数据报，得到原始IP数据报

enchilada内部结构

ESP尾部：填充以便应用分组密码

ESP首部

SPI：接收实体基于此知道该做什么

序列号：抵抗重放攻击

对于新SA，发送方初始化序列号为0

每次通过SA发送数据报

发送方增加序列号计数器（加1）

将计数器值置于序列号字段

目的

预防嗅探与回放分组攻击

接收重复的、已认证的IP分组，会破坏正常服务

方法

接收方检验分组重复

无需记录所有已接收分组；而是利用一个窗口

ESP的MAC认证字段，基于共享的秘密密钥

9.4 无线局域网安全

有线等效保密WEP(Wired Equivalent Privacy):

设计目标

对称密钥加密

机密性

主机认证

数据完整性

自同步: 每个分组单独加密

给定加密分组和密钥，便可以解密；即便前序分组丢失，也可以继续成功解密分组(与CBC不同)

高效

可由硬件或软件完成

流密码与分组独立性

初始密钥+针对每个分组的新IV（初始向量），产生针对每个分组的密钥流

WEP加密

发送端针对数据(data)计算完整性校验值ICV(Integrity Check Value)

4字节的散列值/CRC，用于数据完整性校验

每端有104位的共享密钥

发送端生成24位初始向量(IV)，附加到密钥上：得到128位密钥

发送端还要附加keyID (8位字段)

将128位密钥输入到伪随机数发生器，产生密钥流

利用RC4算法对帧中“数据+ICV”进行加密：

将密钥流与“数据+ICV”逐个字节异或(XOR)

将IV和keyID附加到加密数据，构成载荷

将载荷插入到802.11帧中

WEP解密

接收端提取IV

将IV和共享密钥输入伪随机数发生器，得到密钥流

将密钥流与加密部分逐个字节异或(XOR)，解密得到数据与ICV

利用ICV校验数据完整性

利用一次性随机数进行端点认证

WEP身份认证

并非所有AP都进行认证，即便使用了WEP

AP会在信标帧(beacon frame)中指示是否需要认证

认证需要在关联前进行

802.11WEP安全性

漏洞

每帧一个24位的IV→IV最终会被重用

IV以明文传输→重用IV容易被监测

改进：IEEE 802.11i

多种（更强的）可选的加密方法

提供密钥分发

利用独立于AP的认证服务器

802.11i 服务

认证

访问控制

数据与完整性加密

802.11i运行阶段

EAP：扩展认证协议

客户(移动端)与认证服务器间的端-端协议

运行在两段独立的“链路”上

移动端到AP

AP到认证服务器

9.5 防火墙

作用

预防拒绝服务攻击（DoS）

预防非法修改/内部数据访问

只允许对内部网络的授权访问

防火墙类型

无状态分组过滤器(stateless packet filters)

笨拙：不加以区分放行满足条件的所有分组

内部网络通过路由器防火墙(router firewall)与Internet连接

路由器逐个分组过滤，决策是否转发/丢弃分组

源IP地址、目的IP地址

TCP/UDP源、目的端口号

ICMP报文类型

TCP SYN和ACK标志位

实例

访问控制列表ACL (Access Control Lists)

有状态分组过滤器(stateful packet filters)

跟踪每个TCP连接

跟踪连接建立(SYN)、拆除(FIN):

根据状态确定是否放行进入或外出的分组

超时的非活动连接

不再允许分组通过

扩展ACL

应用网关(application gateways)

基于应用数据以及IP/TCP/UDP 头部字段过滤分组

实例：允许特定用户telnet外部网络

要求所有Telnet用户通过网关Telnet外部网络

对于授权的用户，网关代理用户与目的主机建立Telnet连接，并且在两个连接之间进行数据中继

路由器阻止所有不是由网关发起的Telnet连接

防火墙、应用网关局限

IP欺骗(spoofing)

如果多个应用需要特殊处理，则每个应用需要一个应用网关

客户软件必须知道如何连接网关

过滤器经常对UDP流量使用“全部通过”或者“全部不通过”策略

折衷(tradeoff)

很多安全防护级别很高的网站仍然遭受攻击

第八章网络安全基本原理

8.1 网络安全基础

网络安全现状

总体平稳，形势严峻

基础网络仍存在较多漏洞风险

云服务日益成为网络攻击重点目标

域名系统面临严峻的拒绝服务攻击

针对重要网站的域名解析篡改攻击频发

网络攻击威胁逐渐向工业互联网渗透

分布式反射型攻击逐渐成为拒绝服务攻击的重要形式.

涉及重要行业和政府部门的高危漏洞事件增多

基础应用或通用软硬件漏洞风险凸显

漏洞风险向传统领域、智能终端领域泛化演进

网站数据和个人信息泄露仍呈高发态势

移动应用程序成为数据泄露的心主体

移动恶意程序逐渐从主流应用商店向小型网站蔓延

具有短信拦截功能的移动恶意程序大爆发

针对金融、电信行业的网页仿冒事件大幅增加

钓鱼站点逐渐向云平台迁移

针对政府部门和重要行业单位网站的网络攻击频度、烈度和复杂度加剧

网络安全基本概念

网络安全概念

网络安全基本属性

机密性(confidentiality)

身份认证(authentication)

信息完整性(message integrity)

可访问与可用性(access and availability)

网络安全基本特征

相对性

时效性