1、第 7 章 网络安全 7.1 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
2、D 运算解密算法因特网解密密钥 K一些重要概念n密码编码学(cryptography)是密码体制的设计学，n密码分析学(cryptanalysis)是在未知密钥的情况下从密文推演出明文或密钥的技术。n密码学(cryptology)是以上两者的合称。n如果不论截取者获得了多少密文，但在密文中都没有足够信息来唯一地确定对应明文，这一密码体制称无条件安全的，或称理论上是不可破的。n如果密码体制中的密码不能被可使用的计算资源破译，这一密码体制称在计算上是安全的。7.2 两类密码体制 7.2.1 对称密钥密码体制 n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。这种加密系统又称对称密钥系统。数
3、据加密标准 DESn数据加密标准 DES 属于常规密钥密码体制，是一种分组密码。n在加密前，先对整个明文进行分组。每组长为 64 位。n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。n最后将各组密文串接起来，即得出整个密文。n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)。DES 的保密性nDES 的保密性仅取决于对密钥的保密，而算法是公开的。nDES 是世界上第一个公认的实用密码算法标准。n目前较为严重的问题是 DES 密钥的长度。n现在已设计出搜索 DES 密钥的专用芯片。7.2.2 公钥密码体制n公钥密码体制使用不同的加密密钥与解密
4、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。n公钥密码体制的产生主要是因为两个方面的原因，一是常规密钥密码体制的密钥分配问题，另一是对数字签名的需求。n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 n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。n加密算法 E 和解密算法 D 也都是公开的。n虽然秘钥 SK 是由公钥 PK 决定的，但却不能根据 PK 计
5、算出 SK。n注意n公钥密码体制并不具有比传统加密体制更加优越之公钥密码体制并不具有比传统加密体制更加优越之处处n由于目前公钥加密算法的开销较大，在可见的将来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还看不出来要放弃传统的加密方法公钥算法的特点 n发送者 A 用 B 的公钥 PKB 对明文 X 加密（E 运算）后，接收者 B 用自己的私钥 SKB 解密（D 运算），即可恢复明文：n解密密钥是接收者专用的秘钥，对其他人保密。n加密密钥是公开的，但不能用它来解密，即 XXEDYDPKSKSK)()(BBBXXEDPKPK)(BB公钥算法的特点（续）n加密和解密的运算
6、可以对调，即 n在计算机上容易地产生成对的 PK 和 SK。n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”。n加密和解密算法都是公开的。XXEDXDEBBBBPKSKSKPK)()(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n数字签名必须保证以下三点：(1)报文鉴别接收者能够核实报文发送者的真伪；(2)报文的完整性接收者确信收到的数据未被篡改；(3)不可否认发送者事后不能抵赖对报文的签名，即抵赖没有发送过该报文。n采用公钥算法更容易实现数字签名的方
7、法。密文)(AXDSK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)(AXDSKA 的公钥 PKA数字签名的实现n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。n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 确实发送了 X 给 B。n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)(AXDSK)(AXDSK核实签名解密 加密 签名 E
8、 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)(ABXDESKPKB 的公钥 PKBA 的公钥 PKA密文7.4 鉴别n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用鉴别(authentication)。n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、发送时间等）真伪。n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。n鉴别与授权(authorization)不同n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
9、某文件进行读或写）。7.4.1 报文鉴别 n许多报文并不需要加密但却需要数字签名，以便让报文接收者鉴别报文的真伪。n对很长的报文进行数字签名会使计算机增加很大的负担。n当我们传送不需要加密的报文时，应使接收者能用很简单的方法鉴别报文真伪。报文摘要 MD(Message Digest)nA 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。nB 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。n用A的公钥对 D(H)进行E运算，得出报文摘要
10、H。n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。报文摘要的优点n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。n对鉴别报文 X 来说，效果是一样的。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n报文摘要算法就是一种散列函数。报文摘要算法是防止报文被人恶意篡改。n报文摘要算法是精心选择的一种单向函数。n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
11、实际上是不可能的。n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 n实体鉴别和报文鉴别不同。n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 nA 发送给 B 的报文被加密，使用的是对称密钥 KAB。nB 收到此报文后，用共享对称密钥 KAB 进行解
12、密，因而鉴别了实体 A 的身份。n明显的漏洞：重放攻击ABA的身份,登录口令KAB使用不重数n为了对付重放攻击，可以使用不重数(nonce)。不重数是一个不重复使用的大随机数，即“一次一数”。区分重复鉴别请求和新鉴别请求。ABA,RARBKABRARBKAB,时间中间人攻击 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7.5 密钥分配 n密钥管理包括：密钥产生、分配、注入、验证和使用。这里只讨论密钥的分配。n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。7.5.1 对称密钥的分配n目前常用的密
13、钥分配方式是设立密钥分配中心 KDC(Key Distribution Center)。nKDC 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）。n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（master key）KA 和 KB。“主密钥”可简称为“密钥”。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 KA B KB A,B,KABKABKBKA,时间A,BABKerberosAASTGSTKAB,A,KABKBT+1KABA,KSTKS,B,K
14、TGA,KABKB,B,KABKSKTGKAA,KSKS,AS：鉴别服务器：鉴别服务器TGS：票据授权服务器：票据授权服务器KA：A的对称密钥的对称密钥KTG：TGS的对称密钥的对称密钥KS：A和和TGS通信的会通信的会话密钥话密钥T：时间戳：时间戳7.5.2 公钥的分配n需要一个值得信赖的机构认证中心CA(Certification Authority)，将公钥与其对应的实体（人或机器）进行绑定(binding)。nCA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
15、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。证书的结构公钥基础设施PKIn定义（P215）n狭义：证书管理的工具n广义：P216nPKI的组成n最终试题EE（持有数字证书的用户或依赖方）n认证中心CA（负责颁发、管理和吊销EE的证书）n注册中心RA（对最终用户的注册管理，被CA信任，可选实体）n证书库Repository（公开数字证书和证书注销列表CRL）PKI的功能n注册（EE向CA或RA告知自身信息）n初始化（安装一些密钥信息，初始化可信CA的公钥，对自己的密钥进行初始化）n颁发证书（对于通过验证的用户，CA签发数字证书）n密钥生成（用户公私
16、钥对的生成）n密钥的恢复（备份密钥，如用户的私钥）n密钥的更新（密钥到期或泄露）n证书吊销（签发CRL或在线查询）n交叉认证（一个CA颁发给另一个CA的公钥证书，相互之间应建立信任关系）7.6 因特网使用的安全协议 7.6.1 网络层安全协议 1.IPsec 与安全关联 SA 网络层保密是指所有在 IP 数据报中的数据都是加密的。nIPsec 中最主要的两个部分n鉴别首部 AH(Authentication Header)：AH鉴别源点和检查数据完整性，但不能保密。n封装安全有效载荷 ESP(Encapsulation Security Payload)：ESP 比 AH 复杂得多，它鉴别源点
17、、检查数据完整性和提供保密。安全关联 SA(Security Association)n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。n 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。安全关联的特点n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(Security Parameter Index)n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
18、 SPI 的字段。通过此 SA 的所有数据报都使用同样的 SPI 值。2.鉴别首部协议 AH n在使用鉴别首部协议 AH 时，把 AH 首部插在原数据报数据部分的前面，同时把 IP 首部中的协议字段置为 51。n在传输过程中，中间的路由器都不查看 AH 首部。当数据报到达终点时，目的主机才处理 AH 字段，以鉴别源点和检查数据报的完整性。IP 首部AH 首部TCP/UDP 报文段协议=51AH 首部(1)下一个首部(8 位)。标志紧接着本首部的下一个首部的类型（如 TCP 或 UDP）。(2)有效载荷长度(8 位)，即鉴别数据字段的长度，以 32 位字为单位。(3)安全参数索引 SPI(32
19、位)。标志安全关联。(4)序号(32 位)。鉴别数据字段的长度，以32 位字为单位。(5)保留(16 位)。为今后用。(6)鉴别数据(可变)。为 32 位字的整数倍，它包含了经数字签名的报文摘要。因此可用来鉴别源主机和检查 IP 数据报的完整性。3.封装安全有效载荷 ESPn使用 ESP 时，IP 数据报首部的协议字段置为 50。当 IP 首部检查到协议字段是 50 时，就知道在 IP 首部后面紧接着的是 ESP 首部，同时在原 IP 数据报后面增加了两个字段，即 ESP 尾部和 ESP 数据。n在 ESP 首部中有标识一个安全关联的安全参数索引 SPI(32 位)，和序号(32 位)。3.封
20、装安全有效载荷 ESP（续）n在 ESP 尾部中有下一个首部（8 位，作用和 AH 首部的一样）。ESP 尾部和原来数据报的数据部分一起进行加密，因此攻击者无法得知所使用的运输层协议。nESP 鉴别和 AH 中的鉴别数据是一样的。因此，用 ESP 封装的数据报既有鉴别源站和检查数据报完整性的功能，又能提供保密。在 IP 数据报中的ESP 的各字段 IP 首部ESP 首部TCP/UDP 报文段使用 ESP 的 IP 数据报原数据报的数据部分ESP 尾部ESP 鉴别加密的部分鉴别的部分协议=507.6.2 运输层安全协议1.安全套接层 SSLn SSL 是安全套接层(Secure Socket L
21、ayer)，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。nSSL 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。n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。nSSL 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(Transport Layer Security)的基础。SSL 的位置 TCP应用层SSL运输层HTTP IMAPSSL 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
22、字读取数据，解密后把数据交给应用层。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 SS L 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(Certificate Authority)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。7.7 链路加密与端到端加密7.7.1 链路加密 n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明文
23、X用户 A E1(X)链路 1 E2(X)链路 2 En(X)链路 n E3(X)密文密文密文密文相邻结点之间具有相同的密钥，因而密钥管理易于实现。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。链路加密 n由于报文是以明文形式在各结点内加密的，所以结点本身必须是安全的。n所有的中间结点(包括可能经过的路由器)未必都是安全的。因此必须采取有效措施。n链路加密的最大缺点是在中间结点暴露了信息的内容。n在网络互连的情况下，仅采用链路加密是不能实现通信安全的。7.7.2 端到端加密 n端到端加密是在源结点和目的结点中对传送的 PDU 进行加密和解密，报文的安全性不会因中间结点的不可靠而受到影响。结点 1结点 2DK明文 X结点 nEK明文 X结点 0 EK(X)链路 1 EK(X)链路 2 EK(X)链路 n端到端链路传送的都是密文在端到端加密的情况下，PDU 的控制信息部分(如源结点地址、目的结点地址、路由信息等)不能被加密，否则中间结点就不能正确选择路由。
