计算机网络第5版课件.ppt
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1、计算机网络(第 5 版),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,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
2、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,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。,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,被动攻击,在被动攻击中,攻击者只是观察和分析某一个协议数据
3、单元 PDU 而不干扰信息流。攻击者通过观察PDU的长度和传输的频度,了解所交换的数据的某种性质,这种被动攻击又称为流量分析(traffic analysis)。,主动攻击,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:包括对通过连接的PDU的真实性、完整性和有序性的攻击。拒绝报文服务:指攻击者向因特网上的服务器不停地发送大量的分组,使因特网或服务器无法提供正常的服务。也称为拒绝服务DoS或网络带宽攻击或连通性攻击。伪造连接初始化:攻击者重放以前被记录的合法连接初始化序列,或者伪造身份而企图建立连接。,(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、;(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,防止攻击的策略,对于被动攻击可以采用各种加密技术。对于主动攻击,则需将加密技术和适当的鉴别技术相结合。还有一种特殊的主动攻击就是恶意程序。,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。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。特洛伊木马一种程序,它执行的功能超出所声称的功能。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(rogue program),7.1.2 计算机网络安全的内容,保密性安全协议的设
5、计 访问控制或存取控制或接入控制,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,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
6、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。,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。,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。每一组长为 64 位二进制数据。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)。,DES 的保密性,DES 的保密性仅取决于对密钥的保密
7、,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。国际数据加密算法 IDEA 使用128bit密钥,更不容易被攻破。,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
8、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,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。,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
9、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。,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),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),公钥密码体制,密文
10、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,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。,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,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
11、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。,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,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
12、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。,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)。,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
13、。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。,报文摘要 MD(Message Digest),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。,报文摘要的优点,仅对短得
14、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。,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。,报文摘要算法MD5
15、,把任意长的报文按模264计算其余数(64bit),追加在报文的后面。在报文和余数之间填充 1512bit的数据块,使的填充后的总长度是512的整数倍。填充的首位是1,后面都是0。把追加和填充后的报文分割成一个个512bit的数据块,每个512bit的报文数据再分成4个128bit的数据块依次送到不同的散列函数进行4轮计算。每一轮又都按32bit的小数据块进行复杂的运算。一直到最后计算出128bit的MD5报文摘要代码。,报文摘要算法MD5,MD5算法可以对任意长的报文进行运算,最后得出128bit 的报文摘要代码。MD5报文摘要代码中的每一位都与原来 报文中的每一位有关。安全散列算法SHA和
16、MD5相似,但码长为160位,比MD5更安全,但慢一些。,报文摘要的实现,A,比较,签名,核实签名,报文 X,H,D 运算,D(H),A 的私钥,报文 X,D(H),B,报文摘要,报文 X,D(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,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。,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
17、 进行解密,因而鉴别了实体 A 的身份。,A,B,A,口令,KAB,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(replay attack)。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。,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“
18、一次一数”。在鉴别过程中不重数可以使B能够把重复的鉴别请求和新的鉴别请求区分开。,使用不重数进行鉴别,A,B,时间,使用不重数进行鉴别,A首先用明文发送自己的身份A和一个不重数RA给B。B响应A的查问,用共享的密钥KAB对RA加密后发给A,同时也给出自己的不重数RB。最后A再响应B的查问,用共享的密钥KAB对RB加密后发回给B。,中间人攻击,A,B,中间人 C,时间,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
19、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
20、获并解密了一份。但 A 和 B 却都不知道。,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(Key Distribution),通过 KDC 来分配密钥。,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(Key Distribution Center)。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 KD
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