计算机网络之网络安全

[toc]

一、网络攻击的类型

网络攻击分为两大类：被动攻击和主动攻击。

截获：从网络上窃听他人的通信内容，但不干扰原报文在源端和目的端的传送。

篡改：捕获报文并篡改报文后再发送给目的站。

恶意程序：计算机病毒。

拒绝服务 DoS：指攻击者向互联网上的某个服务器不停地发送大量分组，该服务器的网络资源耗尽而无法向其他正常客户端主机提供服务。若从互联网上的成百上千的网站集中攻击一个网站，则称为分布式拒绝服务 DDoS 。 有时也把这种攻击称为网络带宽攻击。

对付被动攻击：采用加密技术（让截获者读不懂报文内容）

对付主动攻击：采用加密技术 + 鉴别技术（指鉴别对方身份）

二、密钥密码体制

安全的计算机网络应达到以下目标

保密性：只有信息的发送方和接收方才能懂得所发送信息的内容。

端点鉴别（身份鉴别）：鉴别信息的发送方和接收方的真实身份。

信息的完整性：确保信息的内容未被篡改过。

可以通过密钥加密来做到以上3点。下面是数据加密模型：

通信双方：A 和 B。

A 和 B 分别持有密钥 K(E) 和 K(D)，这可以是一对对称密钥或者一对非对称密钥。

A 和 B 分别持有一对加密算法 E 和 D。

A将明文X通过密钥K(e) 和 算法E进行加密得到密文Y，可以把E看做是一个函数，密钥 K(e)和明文X作为这个函数的参数，返回值是Y。

传输给B后，用D(K(d), Y)解密得到X。

需要注意：

0、密钥 K本质是一串字符串。

1、D 和 E 都既可以是加密算法，也可以是解密算法，其本质都是将传入的字符串数据变为另一个字符串，所以我更倾向于说成是 D运算和E运算，而不是说 加密算法 和 解密算法。

2、D 和 E算法 是一对算法，即不论密钥K(e)和K(d)是对称密钥（即 K(e) = K(d)）还是非对称密钥（即 K(e) ≠ K(d)）都有： D运算是E运算的逆运算，E运算也是D运算的逆运算。

E(K(e), X) = Y

D(K(d), Y) = X

所以：

D(K(d), E(K(e), X)) = X

3、使用密钥和加密算法来加密或解密一串数据时，所花费的时间和数据本身的长度成正比。

4、加密算法 E 和解密算法 D 是公开的。而密钥 K(e) 和 K(d)如果是对称密钥，则这两个密钥是保密的，如果密钥 K(e) 和 K(d)如果是非对称密钥则公钥公开，私钥保密。

下面介绍两种密码体制：对称密钥密码体制 和 非对称密钥密码体制

1、对称密钥密码体制

该体制是 加密密钥与解密密钥都使用相同密钥 的密码体制。对称密钥又称为共享密钥。

加密过程如下：

E(K, X) = Y

D(K, Y) = X

所以：

D(K, E(K, X)) = X

2、非对称密钥密码体制

通信双方持有一对密钥分别是对外公开的公钥PK 和 只有自己知道的私钥SK。例如通信双方 A 和 B，A有一对密钥 PK(a) 和 SK(a)，B也有一对密钥 PK(b) 和 SK(b)。

当A作为发送方向B发送数据时，A要用B的公钥 PK(b) 对明文X加密得到Y，B用私钥 SK(b) 对Y解密得到X。当B作为发送方向A发送数据时，则和上述过程一样要用A的一对密钥加解密。

目前最流行的公钥密码体制是RSA体制。

公钥算法的特点：

(1) 密钥对产生器产生出接收者 B 的一对密钥：

加密密钥 PKB 和 解密密钥 SKB 。

加密密钥 PKB 就是接收者 B 的公钥，向公众公开。

解密密钥 SKB 就是接收者 B 的私钥，对其他任何人都保密。

(2) 发送者 A 用 B 的公钥 PKB 对明文 X 加密（E 运算），然后发送给 B。 接收者 B 用自己的私钥 SKB 解密（D 运算），即可恢复出明文：D(SK(b), E(PK(b), X)) = X

(3) 从已知的 PKB 实际上不可能推导出 SKB。

(4) 加密密钥是公开的，但不能用来解密：D(PK(b), E(PK(b), X)) ≠ X

3、对称密钥和公开密钥的区别

使用对称密钥： 在通信信道上可以进行一对一的双向保密通信。即拥有公钥的只有一个客户端和一个服务端。

使用公开密钥： 在通信信道上可以是多对一的单向保密通信。 即拥有公钥的客户端可以有多个，这些客户端都可以和有私钥的服务端通信，单向是指 一对密钥只能用在一个方向的通信（A->B用B的一对密钥），另一个方向的通信要用另一对密钥才行。

公钥加密算法的开销（运算量）较大（是对称密钥算法的3倍）。因此现实中都是使用对称密钥进行加密。

使用密钥进行加密满足了保密性的要求，但还没有满足实体鉴别和完整性鉴别的要求。不过密钥不仅可以用来加密，还可以用来签名，密钥用来签名可以做到实体鉴别。

三、报文鉴别

报文鉴别需要做到两点：验证通信的对方是否是自己要通信的对象而不是篡改者 和 验证报文内容是否被篡改。

报文鉴别通过数字签名实现。

1、数字签名原理

例如 A 发送报文X给 B，B要鉴别发送者是A：

1、首先，A 用其私钥 SKA 对报文 X 进行 D 运算得到的密文，这个过程就是签名。

2、B 为了核实签名，用 A 的公钥 PKA 对密文Y进行 E 运算，还原出明文 X

为什么这样可以做到实体鉴别？

因为SKA只有A才有，B如果能用PKA解密成功（得到的明文是可读的），就说明对方是A。如果B解密出来的明文是不可读的，这段不可读报文也不会对B产生危害。

签名的本质是什么？

签名的本质是在报文中加一些只有发送方才有的特殊信息，接收方看到报文中的这个特殊信息就知道一定是A发过来的，例如上面对报文用A的私钥进行D运算，A的私钥就是A独有的东西。

所以具体来说，签名就是用自己的私钥给 待签名的对象 进行签名运算。

核实签名的本质是对签名运算的逆运算（即图中的E运算）。

这样做达到了实体鉴别的目的，但没有做到保密性，因为任何一个接收方收到报文都可以用A的公钥（公钥是公开的）解密得到明文。假如有中间者截获，依旧可以直到报文的内容。

为了同时做到实体鉴别和保密，应该使用A的私钥进行数字签名，用B的公钥进行内容加密，这么一来只有B才能用B的私钥解密。这里A的私钥和B的公钥的作用是不同的。

这里我们无需深究使用的是D运算还是E运算，只要知道签名和核实签名使用的是互逆的运算，加密和解密用的也是互逆的运算即可。

综上总结：签名用发送者的私钥，加密用接收者的公钥。

这种方式的很少用，因为需要对报文进行两次 D 运算和两次 E 运算，运算量太大，花费非常多的 CPU 时间。

现实应用中，普遍使用开销小得多的对称密钥实现报文加密，使用非对称密钥实现数字签名，而且一定要设法减小公钥密码算法的开销。

2、报文鉴别码

现在我们遇到的问题是：签名需要用发送者的私钥对整个明文进行签名运算（为了避免签名和加密混淆，所以这里说成是签名运算而不是加密运算），因而会消耗很多时间。

为了减小签名的开销，可以使用散列函数H()代替签名算法（签名函数）对明文X进行散列处理（如MD5、SHA-1、SHA-2x）。

散列函数的特点如下（和D、E这样的签名/加密运算对比）：

返回值的长度较短和固定 (签名运算返回值的长度和输入值的长度成正比，输入值越长，返回值越长)。

不同的输入产生相同的输出的可能性极低 (签名运算不会有重复，因为其返回值是什么样的和它输入值是什么样的直接相关)。

单向运算，不能逆向变换，因此严格来说，散列函数不能算一个加密函数 (签名运算可逆运算，可以根据密文还原成原文)。

仅改动输入的一个比特，输出也会相差极大。

为什么散列函数可能出现重复值？

原因很简单，散列函数的输入值可以是无限多的任意取值，而返回值是固定位数，例如MD5的返回值是 128位，产生的值的范围在 0~2^128-1，以无限多的输入值得到有限个数的返回值，那么肯定会发生2个不同的输入值对应同一个返回值的重复现象。

下面我们可以简单看看MD5加密的原理：

1、附加：把任意长的报文按模 2^64 计算其余数（余数的长度64位），追加在报文的后面。

2、 填充：在报文和余数之间填充 1～512 位，使得填充后的总长度是 512 的整数倍。填充的首位是 1，后面都是 0。

3、分组：把追加和填充后的报文分割为多个 512 位的数据块，每个 512 位的报文数据再分成 4 个 128 位的数据块。

4、计算：将 4 个 128 位的数据块依次送到不同的散列函数进行 4 轮计算。每一轮都按 32 位的小数据块进行复杂的位运算，而且一轮运算的结果会作为下一轮运算的参数。一直到最后计算出 MD5 结果（128 位）。

散列函数的开销相比于签名函数的开销可以忽略不计。

回到之前的问题，如何借助散列函数进行报文鉴别？

1、A对X使用散列函数处理得到一个散列值 H(X)。

2、A对 H(x)用A的私钥经过D签名运算得到报文鉴别码MAC，这是一个经过签名的鉴别码。

3、将 报文X + MAC 拼接起来，经过B的公钥对整个扩展报文加密（图中没有画出来）并发送。

4、B用B的私钥对扩展报文解密，将MAC和X分开，用A的公钥对MAC逆运算得到 H(X0)。

5、B用 H()散列运算对报文X进行计算得到 H(X1) ,如果H(X1) == H(X2)，就既能证明报文没有被篡改，又能证明对方是A。

需要注意：第二步没有对报文进行加密（D运算），而是对很短的散列 H(X) 进行 D 运算，因为 H(X)很短，所以D(H(X))的开销和耗时很小，这样就解决了之前开销大的问题。

上图是非对称密钥的签名过程，下图是对称密钥的签名过程：

对称密钥的签名方式就不是使用 D 运算，而是直接 把对称密钥K 拼在报文 X 之后，直接进行散列运算。图中也是省略了加密这一步，其实也应该要加密。

TLS会话阶段就是用的对称密钥对报文签名的。

四、实体鉴别

实体鉴别与报文鉴别不同。

报文鉴别：对每一个收到的报文都要鉴别报文的发送者和完整性。

实体鉴别：在通信开始前，对和自己通信的对方实体只需验证一次。

最简单的实体鉴别就是使用共享的对称密钥 K(AB)，因为这个密钥只有A和B才有，因此B如果能用K(AB)这个密钥解密成功，就知道对方肯定只能是A。

该方法存在明显漏洞：不能抵抗重放攻击。

重放攻击 ：原理是把以前窃听到的数据原封不动地重新发送给接收方。入侵者 C 捕获到报文后不需要破译报文，而是在之后攻击者想攻击的时候直接把由 A 加密的报文发送给 B，使 B 误认为 C 就是 A。B 就会向伪装成 A 的 C 发送许多本来应当发给 A 的报文。

回到上图，C不用拥有K(AB)这个密钥，C只需截获这个报文，之后想攻击的时候，就发送这个报文给B就让B以为C拥有K(AB)。从而让B以为C是A。

为了防御重放攻击，可以使用不重数（即不重复使用的大随机数）。

如下图所示：

1、A发送明文随机数Ra，并且Ra保存在A的内存中。

2、B用私钥SKb对Ra进行签名（是签名不是加密，这样A就知道对方是B）并加上自己的随机数Rb（Rb也会存在B的内存）。A会验证B发过来的签名了的随机数是不是A上次所发的Ra。

3、A发送用SKa签名的Rb，B就知道对方是A。B再验证Rb是否就是上次B发出去的Rb，如果验证成功就在内存中删除存储的Rb。

4、A和B开始通信。

如果C要使用重放攻击，C就要捕获第三次报文，这是因为C没有A的私钥，B就知道C不是A，而第三次报文是用 A 的私钥签名过的，因此C必须捕获第三次报文。下次重放这个报文B用A的公钥核实签名成功，就以为C是A。但即使如此，B核实完签名又发现里面的随机数Rb是自己不认识的数（因为Rb已经过期和失效），因此知道有内鬼，终止交易。

此外，还有一种更难防御的“中间人攻击”。即使使用不重数也无法防御：

1、C 冒充是 A，发送报文给 B，说：“我是 A”。

2、 B 选择一个不重数 RB，发送给 A，但被 C 截获了。 C 用自己的私钥 SKC 冒充是 A 的私钥，对 RB 签名，并发送给 B。此时B还无法核实签名，因为B没有C的公钥。

3、 B 向 A 发送报文，要求对方把解密（不应该是解密，应该是核实签名）用的公钥发送过来，但这报文也被 C 截获了。 C 把自己的公钥 PKC 冒充是 A 的公钥发送给 B。 B 用收到的公钥 PKC 对收到的加密的 RB 进行解密，其结果当然正确。

4、于是 B 相信通信的对方是 A，接着就向 A 发送许多敏感数据，但都被 C 截获了。

五、公钥的分配

我们知道 发送者A 发送消息 给接收者B的时候，要用B的公钥对报文加密（在TLS传输中，对数据传输阶段的数据加密不使用不对称密钥，而是使用对称密钥，因此通信前需要传输对称密钥。为了安全传输对称密钥，需要用B的公钥对要传输的对称密钥进行加密），那么A怎么得到B的公钥呢？

有一个权威第三方机构：认证中心 CA。它负责为拥有公钥的实体（人或者机器）提供数字证书，数字证书 = 实体的公钥 + 实体的信息（如主机名，实体的IP地址，实体人姓名等），数字证书（又称公钥证书）实际上是对公钥和对应实体的绑定。

这是一个数字证书的样子：

数字整数是公开的（因为里面放的是公钥，公钥本来就是公开的），无需加密，但是数字整数需要签名，CA用自己的私钥K(ca)对数字证书签名，目的是让大家知道这个证书是CA出品的，是正规的证书。

数字证书的制作过程如下：

1、CA对B的未签名证书散列运算得到 H(X)

2、CA用自己的私钥K(ca)对H(X)进行签名（D运算)。

3、把签名追加到明文证书的后面，得到签名后的证书。

核实：A 拿到 B 的数字证书后，使用数字证书上给出的 CA 的公钥，对数字证书中 CA 的数字签名进行 E 运算，得出一个数值。再对 B 的数字证书 (CA 数字签名除外的部分) 进行散列运算，又得出一个H(X)。比较这两个H(X)。若一致，则数字证书是真的。

六、TLS 运输层安全协议

TLS协议是SSL协议（安全套接字层协议）的改进，现在我们所说的SSL是 SSL/TLS的统称，实际上用的是TLS协议，真正的SSL协议在多年前已经被废弃。

TLS 安全运输层位于应用层和运输层之间，作用是为应用层提供保密性、数据完整性和鉴别功能安全传输服务（安全会话）。TLS层具体要做的是：在发送方，TLS 接收应用层的数据，对数据进行加密，然后把加密后的数据送往 TCP 套接字。

不要搞混可靠传输服务和安全服务，前者是指数据传输的有序、不丢失和无差错，后者指保密性、数据完整性和鉴别通信双方。

应用层使用 TLS 最多的就是 HTTP（即HTTPS）。TLS 可用于任何应用层协议。TCP 的 HTTPS 端口号是 443，而不是平时使用的端口号 80。

TLS 具有双向鉴别的功能，但实际应用中只会用到单向鉴别：客户端（浏览器）需要鉴别服务器（即安全服务的第三点），具体来说客户端要对方证明他就是 http://www.baidu.com这个站点的服务。这就需要服务端提供CA证书，CA 证书是运输层安全协议 TLS 的基石。

TLS如何建立安全会话？

建立安全会话两个阶段：

握手阶段：使用握手协议，这个阶段需要做三件事：协商加密算法、鉴别接收方的CA证书和生成用于加密的对称密钥。

会话阶段：使用记录协议。

1、握手阶段

1、协商加密算法

浏览器 A 向服务器 B 发送浏览器的 TLS 版本号和一些可选的加密算法（是在TCP第三次握手的ACK报文段中顺带传输这些信息的），以及A的不重数Ra。

B 从中选定自己所支持的加密算法（如 RSA）和生成主密钥的算法，并告知 A，同时把自己的 CA 数字证书、B的不重数Rb 和 用B私钥加密（应该说是签名）的SKB(Ra) 发送给 A。

2、服务器鉴别。客户 A 用数字证书中 CA 的公钥对数字证书进行验证鉴别（校验过程请参考上文）。鉴别成功后，A就从证书中得到了B的公钥PKB。

3、客户 A生成了预主密钥PMS，并且根据预主密钥 PMS 、Ra 和 Rb生成主密钥MS。A再用 B 的公钥 PKB 对PMS 加密，得出加密的预主密钥 PKB(PMS)，发送给服务器 B。

4、服务器 B 用自己的私钥SKB把预主密钥PMS解密出来 。这样，客户 A 和服务器 B 都有了PMS，将预主密钥 PMS 、Ra 和 Rb通过双方已商定的密钥生成算法，生成为后面数据传输用的对称主密钥 MS。

5、这一步时图中没有画出来的，服务端B最后发送一个加密的"Finished"消息，表示握手阶段结束。A和B使用对称密钥MS进行加密传输，而不是用非对称密钥加密，这是因为用对称密钥加密的开销和时间远小于非对称加密。

6、为了使双方的通信更加安全，客户 A 和服务器 B 最好使用不同的密钥。主密钥被分割成 4 个不同的密钥。

每一方都拥有这样 4 个密钥（注意：这些都是对称密钥）：

客户 A 发送数据时使用的会话密钥 KA （用于A对数据加密）

客户 A 发送数据时使用的 MAC 密钥MA（用于A对数据签名）

服务器 B 发送数据时使用的会话密钥 KB （用于B对数据加密）

服务器 B 发送数据时使用的 MAC 密钥 MB （用于B对数据签名）

也就是说数据收发阶段，每个报文都要加密和签名这两步。

最后总结：使用了TLS安全传输的会比传统的TCP三次握手多出三次握手（对于客户端多出2个RTT时延， 对于服务端多出1个RTT）才能开始数据发送阶段。如下图绿色部分：

TLS 的浏览器端和服务端都会保存之前的TLS会话参数（包括协商好的加密算法和主密钥等等），以及这些参数的会话ID（会话ID - 会话参数的映射）。下次浏览器再访问同一个服务器时，直接发送会话ID就能够通知服务端使用上一次的密钥和加密算法进行通信，节省了一个RTT时间和生成主密钥的时间：

2、会话阶段

即数据报文传输阶段。以A发送数据给B这一个传输方向为例：

1、把长的数据划分为较小的数据块（TCP把一个应用层消息分隔为多个报文段），叫做记录。

对每一个记录进行鉴别运算(用密钥MA)和加密运算（用密钥KA）。

2、记录协议对每一个记录按发送顺序赋予序号，第一个记录作为 0。发送下一个记录时序号就加 1，序号最大值不得超过 264 – 1，且不允许序号绕回。

序号未写在记录之中，而是在进行散列运算时，把序号包含进去。客户 A 向服务器 B 发送一个记录前，对 密钥 MA 、记录的当前序号和明文记录进行散列运算得到数字签名MAC，MAC在拼到明文记录后面，附有签名的数据记录就生成好了。

使用会话密钥 KA 对附有签名的数据记录进行加解密。

上面过程，在握手阶段使用了实体鉴别，在会话阶段使用了报文鉴别。

关闭 TLS 连接：

关闭 TLS 连接之前，A 或 B 应当先发送关闭 TLS 的记录，以防止截断攻击 。

截断攻击：在 A 和 B 正在进行会话时，入侵者突然发送 TCP 的 FIN 报文段来关闭 TCP 连接。

如果 A 或 B 没有发送一个要关闭 TLS 的记录的情况下收到了 TCP 的 FIN 报文段时，就知道这是入侵者的截断攻击了。因为入侵者无法伪造关闭 TLS 的记录。