生物医学工程计算机网络网络安全
1计算机网络（第 5 版）第 7 章 网络安全2第 7 章 网络安全7.1 网络安全问题概述 7.2 机密性与密码学 7.3 报文完整性 7.4 实体鉴别 7.5 密钥分发和认证 7.6 网络安全协议 7.7 系统安全：防火墙与入侵检测 37.1 网络安全概述7.1.1 安全威胁：n计算机网络上的四种威胁：(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。n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。4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n分两大类：Ø被动攻击：截获信息Ø主动攻击：拒绝用户、更改信息、伪造信息5被动攻击和主动攻击(续)n被动攻击：只是观察和分析某一个协议 数据单元 PDU 而不干扰信息流，又称流 量分析。n主动攻击：对某个连接中通过的 PDU 进 行各种处理。Ø更改报文流 Ø拒绝报文服务(如：拒绝服务DDoS)Ø伪造连接初始化(重放或伪造身份试图建立 连接)。6n计算机病毒：会“传染”其他程序的程序n计算机蠕虫：将自身从一个结点发送到另 一个结点并启动运行的程序。n特洛伊木马：一种程序，它执行的功能超 出所声称的功能,而是恶意的。n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。 特殊的主动攻击-恶意程序7n针对被动攻击：Ø防止分析出报文内容；Ø防止通信量分析；n针对主动攻击：Ø检测更改报文流；Ø检测拒绝报文服务；Ø检测伪造初始化连接。计算机网络通信安全的目标 数据加密 加密技术结 合鉴别技术 87.1.2 安全服务n机密性：确保信息数据不会泄漏给非授 权用户。是最基本的安全服务。n报文完整性：确保信息数据不被非授权 用户篡改或伪造。n不可否认性：防止发送方或接收方否认 传输或接收过某信息。n实体鉴别：能够验证通信的对端实体的 真实身份，确保不与冒充者进行通信。97.1.2 安全服务n访问控制：系统具有限制和控制不同实 体对信息源或其他系统资源进行访问的 能力。Ø系统必须在鉴别实体身份的基础上 对实体的访问权限进行控制。n可用性：确保授权用户能够正常访问系 统信息或资源。10明文 X 截获密文 Y7.2 机密性与密码学 加密密钥 明文 X密文 Y截取者篡改ABE 运算 加密算法D 运算 解密算法因特网解密密钥 n加密举例：n明文 X=1，2，3n加密密钥 K=4n加密算法 E 取“加法”n得到密文 Y=5，6，711一些重要概念 n密钥体制的安全性：Ø无条件安全(理想目标)：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。Ø计算上安全(实际目标)：如果密码体 制中的密码不能被可使用的计算资源 破译。 12n两类密码体制 Ø对称密钥密码体制Ø公钥密码体制n7.2.1 对称密钥密码体制：Ø加密密钥与解密密钥相同。Ø这种加密系统又称为对称密钥系统。7.2 机密性与密码学 137.2.1 对称密钥密码体制n常用的著名对称密钥密码体制：ØDES(Data Encryption Standard)数据加密标准( 密钥64位，实际密钥长度56位)。Ø3DES：用三个密钥，执行三次DES运算。ØAES(Advanced Encryption Standard)高级加密标 准(密钥长度128位及以上)ØIDEA(International Data Encryption Algorithm) 国际数据加密算法(密钥长度128)。14数据加密标准 DESn数据加密标准 DES 是一种分组密码。Ø在加密前，先对整个明文进行分组。每一 个组长为 64 位。Ø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。Ø最后将各组密文串接起来得出整个的密文 。15DES 的保密性nDES 是第一个公认的实用密码算法标准。nDES 算法是公开的，保密性取决于对密钥 的保密。nDES 的密钥的长度是破解密钥的重要问题Ø当密钥长度是56位时，在高性能计算机上使用 穷举搜索密钥方法可在较短时间内破解密钥。Ø已经设计出来搜索 DES 密钥的专用芯片。167.2.2 公钥密码体制n使用不同的加密密钥与解密密钥，是一 种在计算上由已知加密密钥推出解密密 钥是不可行的”密码体制。 n产生的原因：Ø一、常规密钥密码体制的密钥分配问题。Ø二、对数字签名的需求。n最著名的是RSA 算法。17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 公开，解密密钥(即私钥或秘钥) SK 保密。n加密算法 E 和解密算法 D 公开。n强调：虽然私钥 SK 是由公钥 PK 决定的 ，但却不能根据 PK 计算出 SK。18应当注意 n从保密性来看：公钥密码体制并不具有 比传统加密体制更加优越之处。Ø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。n在将来仍然需使用传统的加密方法。Ø公钥加密算法的开销较大(RSA密钥长度默认 512位)Ø公钥密码通常用于会话密钥的建立。19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 PKB207.3 报文完整性n有时，通信双方只关心通信的内容是否 被人篡改或伪造，这就是报文完整性问 题。n报文完整性又称为报文鉴别。n例如，路由器之间交换的路由信息不一 定要求保密，但要求能检测出被篡改或 伪造的路由信息。217.3.1 报文摘要和 报文鉴别码（自读）n使用加密就可达到报文鉴别的目的。n但对于只需要报文鉴别的网络应用，对 整个报文的加密和解密，会增加很多不 必要的负担。n更有效的方法是使用报文摘要 MD (Message Digest)来进行报文鉴别。22用报文摘要进行报文鉴别n发送方将可变长度的报文 m 经过报文摘 要算法运算后得出固定长度的报文摘要 H(m)。n然后对H(m)进行加密，得出EK(H(m)，并 将其附加在报文 m 后面发送出去。n接收方把EK(H(m)解密还原为H(m)，再把 收到的报文进行报文摘要运算，看结果 是否与收到的H(m)一样。23广泛应用的报文摘要算法nMD5 和安全散列算法1(Secure Hash Algorithm, SHA-1)。nMD5输出128位的摘要，SHA-1输出160 位的摘要。nSHA-1比MD5更安全些，但计算起来比 MD5要慢。247.3.2 数字签名n数字签名必须保证以下三点：Ø接收者能够核实该报文是发送者发送的 ，其他人无法伪造；Ø发送方不能抵赖对报文的数字签名；Ø任何人包括接收方都不能伪造对报文的 签名。n数字签名常采用公钥算法来实现。 25密文 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 A 的公钥 PKA26数字签名的实现n只有 A 有 A 的私钥，所以只有 A 能产生这 个密文。因此 B 相信报文 X 是 A 签名发送 的(鉴别)。n若 A 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(不可抵赖)n反之，若 B 将 X 伪造成，则 B 不能在第三 者前出示对应的密文。证明 B 伪造了报文(不 可篡改伪造)。27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 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B 的公钥 PKBA 的公钥 PKA密文287.4 实体鉴别 n验证正在通信的对方确实是所认为的通 信实体，这需要使用鉴别协议。n实体鉴别是在系统接入的全部时间内对 和自己通信的对方实体只需验证一次。29最简单的实体鉴别 （用户名和密码容易被截获） nA 发送给 B 的报文的被加密，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 行解密，因而鉴别了实体 A 的身份。 ABA, 口令KAB30明显的漏洞与应对措施n漏洞：Ø入侵者 C 可以截获 A 发给 B 的报文。使 用重放攻击欺骗B，使误认为就是n措施：Ø使用不重数：就是一个不重复使用的大随 机数，即“一次一数”。 31使用不重数进行鉴别 ABA, RARBKABRARBKAB ,时间327.5 密钥分发和认证 n密码算法公开，密钥系统的安全性依赖于 密钥的安全保护。n在对称密钥密码体制中，如何将密钥分发 到双方是需要解决的问题。n公钥密码体制不共享密钥，公钥可以发布 在报纸或网站上，但如何验证该公钥确实 是某实体真正的公钥仍然是一个问题。n通过使用一个可信的中介机构来解决。337.5.1 对称密钥的分配： 设立密钥分发中心 KDC(Key Distribution Center)nKDC 是大家都信任的机构，任务是给需 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与 KDC 进行通信的密钥KA 和 KB34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 KAB KB A, B, KABKABKBKA,时间A, B357.5.2 公钥的分配： 认证中心CA (Certification Authority)n认证中心CA (Certification Authority)， 来将公钥与其对应的实体（人或机器） 进行绑定。n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,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。367.6 网络安全协议n网络层安全协议Ø网络层保密：对 IP 数据报中加密。 ØIPsec (IP Security)n运输层安全协议ØSSL(安全套接层)、TLS(运输层安全)ØSSH(secure shell，为远程登录会话和其他 网络服务提供安全性的协议)n应用层安全协议ØPGP、PEM,属于电子邮件加密协议。37IPsec 的两种运行方式 n传输方式IPSec有效载荷IPSec首部运输层报文IPSec尾部IP有效载荷IP首部38IPsec 的两种运行方式 n隧道方式IPSec有效载荷IPSec首部数据 IPSec尾部IP有效载荷IP首部IP首部原IP 数据报新首部397.6.2 运输层安全协议n网上购物需要的安全服务：Ø顾客需要确保服务器属于真正的销售商 ，而不是属于一个冒充者。Ø顾客与销售商需要确保报文的内容在传 输过程中没有被更改。Ø顾客与销售商需要确保诸如信用卡号之 类的敏感信息不被冒充者窃听。407.6.2 运输层安全协议n运输层安全协议可以提供以上安全服务。n现在广泛使用的有两个协议：ØSSL (Secure Socket Layer)，安全套接字层。ØTLS (Transport Layer Security)，运输层安全。nSSL是Netscape公司在1994开发的，广泛 应用于基于万维网的各种网络应用。nTLS是1995年IETF在SSL 基础上设计的。41SSL/TLS 的位置 因特网IP应用层（HTTP）网络接口层TCPSSL/TLSIP应用层（HTTP）网络接口层TCPSSL/TLS42SSL 提供以下三种安全服务nSSL 服务器鉴别：允许用户证实服务器 的身份。nSSL 客户鉴别：允许服务器证实客户的 身份。n加密的 SSL 会话：客户和服务器交互的 数据在发送方加密，在接收方解密。43SSL的基本工作过程浏览器A服务器BA 支持的加密算法B 选定的加密算法B 的数字证书 用
