1、2022年11月3日星期四网络安全网络安全06-安全协议安全协议网络与信息安全的构成物理安全性l设备的物理安全：防火、防盗、防破坏等通信网络安全性l防止入侵和信息泄露系统安全性l计算机系统不被入侵和破坏用户访问安全性l通过身份鉴别和访问控制，阻止资源被非法用户访问数据安全性l数据的完整、可用数据保密性l信息的加密存储和传输安全的分层结构和主要技术物理安全层网络安全层系统安全层用户安全层应用安全层数据安全层加密访问控制授权用户/组管理单机登录身份认证反病毒风险评估入侵检测审计分析安全的通信协议VPN防火墙存储备份协议协议是指两方或多方为完成一项任务所进行的一系列步骤，而每一步必须依次执行，在前一
2、步完成之前，后面的步骤都不能执行协议特点：l协议中的每一方都必须了解协议，并且预先知道所要完成的所有步骤；l协议中的每一方都必须同意并遵循它；l协议必须是清楚的，每一步必须明确定义，并且不会引起误解；l协议必须是完整的，对每种可能的情况必须规定具体的动作；网络协议计算机网络中多个互连的计算机或网络设备之间不断交换数据为使相互通信的两个计算机或网络设备高度协调地进行数据交换，每台计算机或网络设备就必须在信息内容、格式和传输顺序等方面遵守事先预定好的规则l这些为进行网络中数据通信而制定的规则、标准或约定就是俗称的网络协议安全协议的必要性随着计算机网络技术向整个经济社会各层次的延伸，人们对Inter
3、net、Intranet等的依赖性越来越大任何一种网络应用和服务的使用程度必将取决于所使用网络的信息安全有无保障网络安全已成为现代计算机网络应用的最大障碍，也是急需解决的难题之一安全协议为网络中的信息交换提供了强大的安全保护安全协议的含义在网络协议中使用加密技术、认证技术等密码技术以保证信息交换安全的网络协议具体地说就是建立在密码体系上的一种互通协议，为需要安全的各方提供一系列的密钥管理、身份认证及信息完整性等措施以保证通信的安全完成安全协议的理解首先是协议l标准程序l语义、语法规则l双方或多方l数据交换安全协议是l协议中与安全相关的部分l同安全相关的协议安全协议的基石通信技术密码技术l对称密
4、钥算法l公开密钥算法密码技术的应用l保密：机密性l认证：完整性和真实性相关问题l密钥的分发和交换安全协议的种类根据功能分l密钥安全协议指参与协议的双方或多方之间建立的通信中的会话密钥l认证协议主要用来在信息交换过程中防止信息的假冒、篡改或否认l密钥交换和认证协议将密钥技术与认证技术相结合，同时完成信息的加密与认证的功能安全协议 标准IPSecSSLTCP/IP协议栈协议栈的封装过程网络层安全传输层安全应用层安全IPSecIPSecIPSEClIP 安全协议。不是一个单独的协议，而是一组开放协议的总称，它给出了应用于IP层上网络数据安全的一整套体系结构，包括网络安全协议lAHlESP密钥管理协议
5、IKE认证和加密算法l在IP层解决安全问题，涉及的功能：认证、保密和秘钥管理IPSec工作组IETF：IP Security Protocol Working GrouplArchitecturelEncapsulating Security Payload(ESP)lAuthentication Header(AH)lEncryption AlgorithmlAuthentication AlgorithmlKey ManagementlDomain of Interpretation(DOI)IPSec框架体系结构ESP协议AH协议加密算法认证算法DOI密钥管理IPSec总体结构描述体系结
6、构：包括总体概念，安全需求，定义，以及定义IPSec技术的机制；ESP：使用ESP进行加密的消息格式和一般性问题，以及可选的认证；AH：使用认证消息格式和一般性问题；加密算法：描述将各种不同加密算法用于ESP的文档；认证算法：描述将各种不同加密算法用于AH以及ESP认证选项的文档；密钥管理：描述密钥管理模式；DOI：其它相关文档，批准的加密和认证算法标识，以及运行参数等；IPSec提供的服务访问控制数据完整性数据源鉴别重放攻击保护数据保密性密钥管理有限通信流保密性AHESP仅加密ESP加密、鉴别访问控制YYY数据完整性YY数据源鉴别YY重放攻击保护YYY数据机密性YY流量机密性YY协议服务IP
7、Sec协议的实现OS集成lIPSec集成在操作系统内，作为IP层的一部分l具有较高的效率lIPSec安全服务与IP层的功能紧密集合在一块嵌入到现有协议栈lIPSec作为插件嵌入到链路层和IP层之间l较高的灵活性l效率受到影响ApplicaitonTCP/UDPIP+IPSecData LinkApplicaitonTCP/UDPIPIPSecData LinkIPSec的部署-1可配置和实施IPSec的端点包括主机、路由器、防火墙等在终端主机上部署IPSecl提供端到端的安全保障，保护终端之间的IP分组l可以支持逐个数据流的安全保障l能够支持IPSec定义的各种工作模式IPSec的部署-2在网
8、络节点（路由器或防火墙）上实施IPSec对通过公用网的子网间通信提供保护对内部网的用户透明能同时实现对进入专用网络的用户进行身份认证和授权缺点：网络节点开销大IPSec的工作模式在IPSec中，AH/ESP协议用于保护IP分组对IP分组的保护有两种方式l保护IP分组的净荷（高层协议的数据）l保护整个IP分组保护的方式由工作模式决定l传输模式：保护IP的上层协议l隧道模式：保护整个IP分组传输模式保护上层协议（TCP/UDP）的数据安全操作（加密和认证）在通信终端上（主机）上进行提供端到端的保护IPTCPPayload原始IP分组IPSec保护的IP分组IPIPSecTCPPayloadProt
9、ected隧道模式在不安全信道上，保护整个IP分组安全操作在网络设备上完成l安全网关、路由器、防火墙IPTCPPayload原始IP分组IPSec保护的IP分组IPIPSecIPTCPPayloadProtected通信终端的IP地址隧道终端的IP地址安全关联SASA：Security AssociationSA是IP认证和保密机制中最关键的概念。是发送者和接收者两个IPSec系统间一个简单的单向逻辑连接，是一组与网络连接相关联的安全信息参数集合，用于实现安全策略；如果需要一个对等关系，即双向安全交换，则需要两个SA。每个SA通过三个参数来标识l安全参数索引SPI(Security Param
10、eters Index)l目标地址IPl安全协议标识：AH还是ESPSA的参数-1Security Parameters Index(SPI)：安全变量索引。分配给这个SA的一个位串并且只有本地有效。SPI在AH和ESP报头中出现，以使得接收系统选择SA并在其下处理一个收到的报文。IP目的地址：目前，只允许单点传送地址；这是该SA的目标终点的地址，它可以是一个最终用户系统或一个网络系统如防火墙或路由器。安全协议标识符：表明是AH还是ESP的SASA的参数-2序数计数器：一个32位值用于生成AH或ESP头中的序数字段；计数器溢出位：一个标志位表明该序数计数器是否溢出，如果是，将生成一个审计事件，
11、并禁止本SA的进一步的包传送。防回放窗口：用于确定一个入站的AH或ESP包是否是一个回放AH信息：认证算法、密钥、密钥生存期、以及与AH一起使用的其它参数ESP信息：加密和认证算法、密钥、初始值、密钥生存期、以及ESP一起使用的其它参数SA的生存期：一个时间间隔或字节记数，到时后一个SA必须用一个新的SA替换或终止，以及一个这些活动发生的指示。IPSec协议模式：隧道、运输、统配符。通路MTU：任何遵从的最大传送单位和老化变量AH协议AH：Authentication Header为IP包提供数据完整性和鉴别功能利用MAC码实现鉴别，双方必须共享一个密钥鉴别算法由SA指定鉴别的范围：整个包两种
12、鉴别模式：l传输模式：不改变IP地址，插入一个AHl隧道模式：生成一个新的IP头，把AH和原来的整个IP包放到新IP包的载荷数据中AH提供的服务数据源认证：HMAC，需要共享密钥无连接的完整性可选的抗重放攻击服务不提供保密性AH协议安全参数索引SPI：标示与分组通信相关联的SA序列号Sequence Number：单调递增的序列号，用来抵抗重放攻击鉴别数据Authentication Data：包含进行数据源鉴别的数据（MAC），又称为ICV（integrity check value）Next HeaderPayload lengthReservedSPISequence numberAut
13、hentication dataAH头的长度下一个协议类型AH协议的鉴别鉴别数据ICV，用于数据源鉴别l缺省：96bits的MACl算法：HMAC-MD5-96，HMAC-SHA-1-96,etcICV的生成方式lIP分组头中传输中保持不变的或者接受方可以预测的字段lAH头中除“鉴别数据”以外的所有数据l被AH保护的所有数据，如高层协议数据或被AH封装的IP分组l除此以外，所有数据在计算ICV时被清0AH协议的鉴别范围 IPv4IPTCPPayloadIPAHTCPPayload原始分组New IPAHIPTCPPayload隧道模式传输模式除IP头中的可变字段外，都被AH保护除new IP头
14、中的可变字段外，都被AH保护ESP协议ESP Encapsulating Security Payloadl提供更高级别的安全保护l访问控制l数据源鉴别l数据完整性l数据保密性l重放保护l有限的流量保密ESP支持的加密算法l3DES、IDEA、RC5 支持的鉴别算法l与AH相同ESP协议安全参数索引SPI：标识与分组通信相关联的SA序列号Sequence Number：单调递增的序列号，用来抵抗重放攻击净荷数据：被加密保护填充与填充长度：被加密保护l通过填充使得ESP协议段的长度为32bits的整数倍l通过填充，隐藏了原始数据的长度，提供了有限的流量保密下一协议扩展头类型：被保护的数据的协议类
15、型鉴别数据Authentication Data：包含进行数据源鉴别的数据（MAC），即ICVSPISNPayload(protected)PadPad LengthNext headerAuthentication dataESP的安全保障 IPv4IPTCPPayloadIPESP-HTCPPayloadESP-TESP-AD原始分组New IPESP-HIPTCPPayloadESP-TESP-AD隧道模式传输模式鉴别保护鉴别保护加密保护加密保护IPSec的重放保护在每一个安全关联都维护一个防重放的滑动窗口，大小64，向右侧滑动每个IPSec分组都被分配一个序列号在接受方，满足以下条件的
16、分组才是合法的：l分组通过鉴别l分组序号是新的，未在滑动窗口中出现过l分组序号落在滑动窗口内或右侧分组序号落在滑动窗口右侧，窗口向右滑动通过这种机制，重放攻击的分组将被丢弃IPSec密钥管理手工管理自动管理lPhoturisl简单Internet密钥管理协议SKIPlInternet密钥交换协议IKEIPSec默认的协议lIKEIKEAH&ESPl安全关联SA和会话密钥建立以后的工作过程IKEl用于双向认证、建立共享密钥和会话关联SA的协议l包括三个部分IKEISAKMPDOISSLSSL简介SSL（Secure Socket Layer，安全套接层）协议lNetscape公司于1994年最先
17、提出来的l被设计成使用TCP来提供一种可靠的端到端的安全服务，是一种基于会话的加密和认证的协议l在客户和服务器之间提供了一个安全的管道为了防止客户/服务器应用中的监听、篡改、消息伪造等，SSL提供了服务器认证和可选的客户端认证通过在两个实体间建立一个共享的秘密，SSL提供保密性SSL工作在传输层（TCP）和应用层之间lSSL独立于应用层协议，高层协议可基于SSL进行透明的传输SSL协议的协议层次SSL协议提供的主要服务加密处理l加密数据以防止数据中途被窃取；维护数据的完整性l确保数据在传输过程中不被改变。认证服务l认证用户（可选）和服务器，确保数据发送到正确的客户机（可选）和服务器；SSL的两
18、个重要概念-1SSL会话（session）l一个SSL会话指客户与服务器之间的联系l会话由SSL握手协议创建，定义了一套安全加密参数，为多个连接所共享l握手协议的职责是协调客户和服务器的状态，使得双方在不能精确地并行的情况下，也能工作一致会话状态l会话标识lPeer 证书：peer的x509证书l压缩方法l密码规范：加密算法；消息摘要算法；有关密码的一些属性l主密钥：客户和服务器共享的主密钥l恢复：用一个标志位表示该会话是否可以初始化一个新的连接。SSL的两个重要概念-2SSL连接（connection)l用于实现特定类型的服务数据的安全传输lSSL的连接是点对点的关系l连接是暂时的，每一个连
19、接和一个会话关联l一个SSL会话可包括多种安全连接连接状态l服务器和客户端随机序列l服务器端写摘要协议l客户端写摘要协议l服务器端写密钥l客户端写密钥l初始化向量l序列号SSL安全连接的特性连接具有私有性l在初始化连接后，协商密钥，基于对称密码体制对数据进行加密（如DES、RC4等）对端实体鉴别l可采用非对称密码体制或公开密钥密码体制（如RSA、DSS）连接是可靠的l消息传输使用加密MAC算法进行消息完整性检查SSL安全协议记录协议修改密码规程协议告警协议握手协议SSL安全协议的组成lSSLSSL不是单个的协议，而是两层协议不是单个的协议，而是两层协议SSLSSL记录协议基于可靠的传输层协议，
20、用来封装高层协议记录协议基于可靠的传输层协议，用来封装高层协议高层协议主要包括高层协议主要包括SSL握手协议、修改密码参数协议、报警协议、握手协议、修改密码参数协议、报警协议、应用数据协议（如应用数据协议（如HTTP）等。）等。SSL记录协议层的功能为高层协议提供基本的安全服务记录层封装各种高层协议 l以任意大小的非空块从高层接收尚未解释的数据l分块将高层数据分割成SSL明文记录l压缩和解压所有记录采用会话状态中定义的压缩算法进行压缩l记录的保护所有记录通过会话状态中定义的加密算法和MAC算法进行保护SSL记录协议的操作过程SSL记录首部的组成主要类型：用来说明封装的数据段的更高层的协议。已定
21、义的内容类型有：修改密码规程协议、告警协议、握手协议和应用数据；主要版本：指示使用SSL的主要版本号；次要版本：指示使用的次要版本号；压缩长度：明文数据段以字节为单位的长度（如果使用压缩就是压缩数据段）。握手协议握手协议在SSL记录层之上，负责建立当前会话状态的参数l客户端和服务器相互鉴别对方身份（利用证书）l协商安全参数（加密和MAC算法，加密密钥等）由一系列在客户和服务器间交换的消息组成每个消息由3个字段组成：消息类型、以字节为单位的消息长度以及这个消息有关的参数内容握手协议定义的消息类型-1消息类型说明参数hello_request握手请求，服务器可在任何时候向客户端发送该消息。若客户端
22、正在进行握手过程就可忽略该消息。否则客户端发送cleint_hello消息，启动握手过程。无client_hello客户启动握手请求，该消息时当客户第一次连接服务器时向服务器发送的第一条消息。该消息中包括了客户端支持的各种算法。若服务器端不能支持，则本次会话可能失败。版本、随机数、会话ID、密文族、压缩方法server_hello 其结构与client_hello消息，该消息是服务器对客户端client_hello消息的恢复。版本、随机数、会话ID、密文族、压缩方法server_certificate服务器提供的证书。如果客户要求对服务器进行认证，则服务器在发送server_hello消息后，
23、向客户端发送该消息。证书的类型一般是X.509v3。X509v3证书链server_key_exchange 服务器密钥交换。当服务器不使用证书，或其证书中仅提供签名而不提供密钥时，需要使用本消息来交换密钥。参数、签名握手协议定义的消息类型-2消息类型说明参数certificate_request用于服务器向客户端要求一个客户证书。类型、授权server_hello_done 该消息表明服务器端的握手请求报文已经发送完毕，正在等待客户端的响应。客户端在收到该消息时，将检查服务器提供的证书及其他参数是否是有效、可以接受的。无client_certificate客户端对服务器certificate
24、_request消息的响应，只有在服务器端要求客户证书的时候使用。一般该消息是客户端收到server_hello_done消息后所发送的第一条消息。若客户端没有合适的证书，则向服务器端发送no_certificate的告警消息（无证书可能导致握手失败）X509v3证书链client_key_exchange客户密钥交换。当客户不使用证书，或其证书中仅提供签名而不提供密钥时，需要使用本消息来交换密钥。参数、签名certificate_verify该消息用于向服务器提供对客户证书的验证。签名finished 该消息在“加密规约修改”（Change Cipher Spec）消息之后发送，以证实握手过
25、程已经成功完成。本消息发送后，发送方开始使用协商的新参数来执行操作。该消息需要在两个方向上传送。散列值握手协议过程-1第一阶段 安全能力的建立l(1)客户 服务器：client_hellol(2)服务器 客户：server_hello第二阶段 服务器认证和密钥交换l(3)服务器 客户：server_certificatel(4)服务器 客户：server_key_exchangel(5)服务器 客户：certificate_requestl(6)服务器 客户：server_hello_done握手协议过程-2第三阶段 客户认证和密钥交换l(7)客户 服务器：client_certificate
26、l(8)客户 服务器：client_key_exchangel(9)客户 服务器：certificate_verify第四阶段 结束阶段l(10)客户 服务器：change_cipher_specl(11)客户 服务器：finishedl(12)服务器 客户：change_cipher_specl(13)服务器 客户：finished修改密码规程协议位于SSL记录协议之上仅定义了一个由单个字节“1”构成的消息报文该消息将改变连接所使用的加密规约用途：切换状态l把密码参数设置为当前状态。在握手协议后，当安全参数协商一致后，发送此消息，以通知接收方下面的记录将受到刚达成的密码规范和密钥的保护告警协
27、议一种通过SSL记录协议进行传输的特定类型的消息主要作用l规定了告警的级别和告警的类型，在SSL协议执行过程中通过告警协议来显示信息交换过程中所发生的错误组成：告警级别级别级别 告警名告警名称称含义含义1警告表示一个一般警告信息.2致命错误表示出现了致命的错误,立即终止当前连接,同一会话的其它连接还可继续,不会再产生其它新的连接.告警类型类型类型告警名称告警名称含义含义0Close_notify通知接受方，发送方在本连接中不再发送消息.10Unexpected_message收到不适当的消息.20Bad_recode_mac接收到的记录的MAC有错误（致命错误）.30Decompression
28、_failure解压缩失败（致命错误）.40Handshake_failure发送方无法进行的安全参数设置（致命错误）.41No_certificate认证中心没有证书.42Bad_certificate证书已破坏.43Unsupported_certificate不支持接收的证书类型.44Certificate_revoked证书已经撤销.45Certificate_expired证书过期.46Certificate_unknown在产生证书时有不明问题.47Illegal_parameter握手过程某个字段超出范围.SSL工作过程发送方的工作过程l从上层接收要发送的数据l对信息进行分段，成
29、若干记录l使用指定的压缩算法进行数据压缩数据（可选）；l使用指定的MAC算法生成MAC；l使用指定的加密算法进行数据加密；l发送数据接收方的工作过程l接收数据；l使用指定的解密算法解密数据；l使用指定的MAC算法校验MAC；l使用压缩算法对数据解压缩（在需要时进行）；l将记录进行数据重组；l将数据发送给高层。SSL协议运行实例-11.客户机使用IE浏览器向服务器发送客户端的SSL版本号、密码设置、随机数和需要服务器使用SSL协议与客户机进行通信的其它信息；IE浏览器使用https协议向服务器申请建立SSL会话；2.服务器向客户端发送服务器端的SSL版本号、密码设置、随机数和客户端使用SSL协议
30、与服务器通信需要的其它信息。同时服务器端发送它自己的数字证书供客户认证，如果认为客户端需要身份认证则要求客户发送证书，该操作是可选的；3.客户端利用服务器发送信息认证服务器的真实身份并取得公开密钥等，如果服务器不被认证，用户被告警发生了问题，通知不能建立带有加密和认证的连接。若服务器能被成功地认证，客户机将继续下一步。SSL协议运行实例-24.客户机利用数字信封技术为将要进行的会话创建会话预密钥pre_master_secret，并用服务器的公钥加密它，然后向服务器发送加密的会话预密钥；5.当客户能被成功认证后，服务器会使用它的私人密钥解密从客户端得到的会话预密钥pre_master_secr
31、et，并生成真正的会话密钥master_secret。同时客户端也从相同的pre_master_secret开始得到相同的master_secret。会话密钥master_secret是对称密钥用于加密和解密在SSL会话期间交换的信息，并验证信息的完整性；6.会话密钥生成后，客户端向服务器发送消息，通知服务器以后从客户端来的消息将用会话密钥加密，这表明握手的客户端部分已经完成；SSL协议运行实例-37.服务器向客户端发送相同的消息，通知从服务器来的消息将用会话密钥加密，这表明握手的服务器部分已经完成；8.SSL会话开始，使用安全通道发送消息，客户端和服务器使用会话密钥加密和解密它们彼此发送的数据和验证数据完整性；9.当通信完成后，一般情况会话密钥会被丢弃。
