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课件制作人 谢希仁 计算机网络 第6版 第7章网络安全 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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系统安全 防火墙与入侵检测7 7 1防火墙7 7 2入侵检测系统 课件制作人 谢希仁 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两大类威胁 一 被动攻击 主要是截获 即从网络上窃听他人的通信内容 二 主动攻击 主要有 1 篡改 故意篡改网络上传送的报文 2 恶意程序 包括计算机病毒 计算机蠕虫 特洛伊木马和逻辑炸弹等 3 拒绝服务 包括分布式拒绝服务 课件制作人 谢希仁 对网络的被动攻击和主动攻击 截获 拒绝服务 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 篡改 恶意程序 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 明文X 截获 密文Y 7 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 A B E运算加密算法 D运算解密算法 因特网 解密密钥K 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 A B B的私钥SKB 密文Y 因特网 B的公钥PKB 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 密文 数字签名的实现 D运算 明文X 明文X A B A的私钥SKA 因特网 签名 核实签名 E运算 密文 A的公钥PKA 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 A B A的私钥SKA 因特网 E运算 B的私钥SKB D运算 加密与解密 签名与核实签名 B的公钥PKB A的公钥PKA 密文 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 报文摘要的实现 A 比较 签名 核实签名 报文X H D运算 MAC A的私钥 报文X MAC B 报文摘要 报文X MAC 发送 E运算 H 报文鉴别码 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 报文鉴别码 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 A B A 口令 KAB 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 使用不重数进行鉴别 A B 时间 课件制作人 谢希仁 中间人攻击 A B 中间人C 时间 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 对称密钥的分配 A 密钥分配中心KDC 用户专用主密钥 用户主密钥AKABKB 时间 A B Kerberos AS TGS 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 7 6因特网使用的安全协议7 6 1网络层安全协议 1 IPsec协议网络层保密是指所有在IP数据报中的数据都是加密的 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 路由器R1到R2的安全关联SA 公司总部 分公司 因特网 SA R1 R2 IPsec数据报 H1 H2 课件制作人 谢希仁 2 IPsec数据报的格式 ESP首部 运输层报文段或IP数据报 ESPMAC IPsec首部 ESP尾部 协议 50 加密的部分 鉴别的部分 SPI序号 填充填充长度下一个首部 IPsec数据报 课件制作人 谢希仁 IPsec数据报有以下两种不同的工作方式 一 运输方式 transportmode 在整个运输层报文段的后面和前面分别添加一些控制字段 构成IPsec数据报 把整个运输层报文段都保护起来 很适合于主机到主机之间的安全传送 但这需要使用IPsec的主机都运行IPsec协议 二 隧道方式 tunnelmode 在IP数据报的后面和前面分别添加一些控制字段 构成IPsec数据报 这需要在IPsec数据报所经过的所有路由器都运行IPsec协议 隧道方式常用来实现虚拟专用网VPN 课件制作人 谢希仁 有效载荷 ESP首部 TCPTCP首部数据部分 ESPMAC IPsec首部 ESP尾部 协议 50 下一个首部 6 ESP首部 IPTCPTCP首部首部数据部分 ESPMAC IPsec首部 ESP尾部 协议 50 下一个首部 4 a 运输方式 b 隧道方式 协议 6 有效载荷 下一个首部的作用 课件制作人 谢希仁 3 IPsec的其他构件 安全关联数据库SAD SecurityAssociationDatabase 安全策略数据库SPD SecurityPolicyDatabase 因特网密钥交换IKE InternetKeyExchange 协议Oakley 密钥生成协议安全密钥交换机制SKEME SecureKeyExchangeMechanism 用于密钥交换的协议因特网安全关联和密钥管理协议ISAKMP InternetSecureAssociationandKeyManagementMechanism 用于实现IKE中定义的密钥交换 课件制作人 谢希仁 7 6 2运输层安全协议 现在广泛使用的有以下两个协议 安全套接字层SSL SecureSocketLayer 运输层安全TLS TransportLayerSecurity 课件制作人 谢希仁 SSL TLS的位置 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 因特网 网络接口层 TCP SSL TLS 网络接口层 TCP SSL TLS 课件制作人 谢希仁 SSL安全会话建立过程如下 浏览器A 服务器B A支持的加密算法 B选定的加密算法 B的数字证书 用B的公钥加密的秘密数 会话密钥的产生完成 数据传输 用会话密钥加密 协商加密算法 用CA的公钥鉴别B的证书 产生秘密数用秘密数产生会话密钥 用秘密数产生会话密钥 协商加密算法 顾客 销售商 课件制作人 谢希仁 7 6 3应用层的安全协议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 课件制作人 谢希仁 用PGP进行加密 A的私钥 X 散列 H 加密 摘要 报文鉴别码MAC X 一次性密钥 加密 B的公钥 加密 A 邮件 发送 A有三个密钥 自己的私钥 B的公钥和自己生成的一次性密钥 B有两个密钥 自己的私钥和A的公钥 课件制作人 谢希仁 用PGP进行解密 A的公钥 散列 X 一次性密钥 B的私钥 加密的邮件及其摘要 解密 加密的密钥 解密 解密 H 摘要 H 摘要 比较 接收 MAC 课件制作人 谢希仁 7 7系统安全 防火墙与入侵检测 7 7 1防火墙防火墙是由软件 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 可信的网络 trustednetwork 而将外部的因特网称为 不可信的网络 untrustednetwork 防火墙可用来解决内联网和外联网的安全问题 课件制作人 谢希仁 防火墙在互连网络中的位置 内联网 可信的网络 不可信的网络 分组过滤路由器 分组过滤路由器 应用网关 外局域网 内局域网 防火墙 因特网 防火墙的里面 防火墙的外面 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 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 课件制作人 谢希仁 7 7 2入侵检测系统 入侵检测系统IDS IntrusionDetectionSystem 能够在入侵已经开始 但还没有造成危害或在造成更大危害前 及时检测到入侵 以便尽快阻止入侵 把危害降低到最小 基于特征的IDS维护一个所有已知攻击标志性特征的数据库 基于特征的IDS只能检测已知攻击 对于未知攻击则束手无策