网络安全--计算机网络自顶向下笔记（九）

安全通信

机密性（confidentially）。通过加密，使报文无法被截获者理解。
报文完整性（message integrity）。报文在传输过程中未被篡改或意外改动。
端点鉴别（end-point authentication）。确信通信的另一方具有所声称的身份。
运行安全性（operational security）。通过防火墙等反制对网络的攻击。

机密性

加密算法：明文+**A–>密文。
解密算法：密文+**B–>明文。
对称**系统中，两个秘钥是相同且秘密的。
公开**系统中，一个**公开，另一个**只有本人知道。

对称秘钥

凯撒密码。每个字母用字母表后的k个字母替换。
单码代替密码。使用字母表中的一个字母代替另一个字母。
多码代替密码。交替使用不同规则的单码代替密码。
块密码。要加密的额报文被处理为k比特的块，根据k比特和**映射到加密的k比特块。
- DES(Data Encryption Standard, 数据加密标准）。使用64比特块，56比特**。
- AES（Advanced Encryption Standard, 高级加密标准）。使用128比特块，128、192、256比特**。
密码块链接（Cipher Block Chaining, CBC）仅第一个报文发送一个随机值，随后使用计算的编码块代替后继随机数，避免相同的代码块产生相同的密文，从而防止猜测明文。
1. 发送方生成随机的k比特串，即初始向量（Initialization Vector, IV）c(0)，通过明文发送给接收方。
2. 对于第一个块，计算明文m(1)和IV的异或，然后通过加密算法得到密文块c(1)。
3. 对于第i个块，。

公开**

A先取得B的公钥（public key），用它和加密算法加密报文发送给B。B通过自己的私钥（private key）和解密算法，得到初始报文。
任何一个人都可以使用公钥向B发送报文，需要使用数字签名绑定发送方和报文。

RSA算法

利用暂未找到因式分解一个数的快速算法的事实。
指数运算耗时，可以使用RSA加密对称**（会话**），然后利用该对称**加密报文。
生成公钥私钥：
1. 选择两个**大素数**p、q，乘积为1024比特量级。
2. 计算 n=pq,z=(p-1)(q-1)。
3. 选择e用于加密，e

报文完整性

密码散列函数

MD5，生成128比特的散列。
SHA-1，生成160比特的散列。

报文鉴别码

使用鉴别**（authentication key）和散列算法保证报文完整性。
步骤：
1. A生成报文m，和鉴别**级联为m+s，计算散列H(m+s)，即报文鉴别码（Message Authentication Code, MAC）。
2. A将MAC附加到m上，生成扩展报文(m,H(m+s))，发送给B。
3. B收到扩展报文(m,h)，由s计算H(m+s)，若等于h,则正常。
MAC**不涉及加密算法**。
鉴别**可以物理上直接配置，或者使用设备的公钥分发。

数字签名

数字签名（digital signature）证明发送方认可一个文件，并且提供报文完整性。
发送数字签名
1. 由初始报文得到散列。
2. 使用私钥加密散列，进行签名。
3. 将初始报文和签名后的摘要一起发送。
验证数字签名
1. 用发送方的公钥解密散列。
2. 使用相同的散列函数散列明文报文得到散列。
3. 两个散列匹配，则确保完整性和发送方。

公钥认证

公钥认证（public key certification），证实一个公钥属于某个特定实体。否则，可能公钥会和实体不匹配。
通常需要通过认证中心（Certification Authority, CA）完成公钥和特定实体的绑定。
CA验证实体身份之后，会生成一个证书，包含公钥和全局唯一的身份识别信息，然后对证书数字签名。实体发送自身公钥时，需要带上该证书,证明公钥的合法性。

端点鉴别

IP

验证IP数据报源地址。
缺点：可以伪造源地址。

加密口令

使用口令鉴别，并对口令使用对称**加密。
缺点：回放攻击，发送口令的加密版本，伪装发送者。

不重数和对称**

R为不重数（nonce），K为A和B共享的对称**。如果B解密得到的不重数与B发送的不重数相等，则可鉴别A，并确定A是活跃的。

安全电子邮件

机密性。使用对称会话**，解决公开**效率低下的问题。使用公开**加密分发会话**。
1. A选择随机的会话**Ks，加密报文m。
2. 用B的公钥Kb+加密对称**。
3. 级联加密报文和加密对称**，发送给B。
4. B使用私钥Kb-解密得到Ks，用Ks解密得到m。
发送方鉴别和报文完整性。使用报文摘要和数字签名。
1. A对报文散列，得到摘要，随后用A的私钥加密摘要，得到数字签名。
2. 级联报文和数字签名发送给B。
3. B用A的公钥解密签名得到摘要，和对报文散列的摘要对比。
公钥的发放需要CA的证书验证。
PGP（Pretty Good Privacy）是一个电子邮件加密方案。
- 报文摘要，MD5或SHA。
- 对称**加密，CAST、三重DES、IEDA。
- 公开**加密，RSA。

SSL

安全套接字层（Secure Socket Layer, SSL），提供套接字接口，技术上位于应用层，但是是一个提供TCP的运输层协议。

握手

B与A握手分为3个阶段。
1. 创建TCP连接。
2. A发送包括A公钥的证书，验证A是真实的A。
3. 发送给A一个加密的主**（MS）。
二三步协商算法、彼此发送不重数用于会话**的生成，实际步骤如下：
1. 客户发送支持的密码算法列表，和客户不重数。
2. 服务器从列表中选择一种对称算法、一种公钥算法、一种MAC算法，连通证书和服务器不重数发送给客户。
3. 客户验证证书，提取服务器公钥，生成前主**（Pre-Master Secret, PMS）。用服务器公钥加密PMS，发送给服务器。
4. 使用相同**导出函数，客户服务器分别从PMS和不重数中计算主**（Master Secret, MS）。
5. 客户发送所有握手报文的MAC。
6. 服务器发送所有握手报文的MAC。
最后两步使得报文免受篡改。
每次会话的不重数不一样，可以防止连接重放攻击。如，第二天发送前一天的相同序列的报文，通过完整性检验。

**导出

MS需要生成4个会话**。
- Ea，A到B的会话加***。
- Eb，B到A的会话加***。
- Ma，A到B的会话MAC**。
- Mb，B到A的会话MAC**。
如果对称**用CBC（密码块链接)，则两个初始向量IV也从MS导出。

数据传输

SSL将数据流分为记录，MAC是数据、MAC**、当前序号的散列。
- 每发送一个SSL记录，序号+1。阻止一个会话中重放或者重排分组。

连接关闭

发送SSL记录，在类型中指出该记录用于终止SSL会话。
如果直接终止底层TCP连接，可能被截断攻击。

IPsec和v*n

IP安全（IP Security）协议被称为IPsec，为网络层提供安IPsec可以创建运行在公共网络之上的虚拟专用网（virtual private network, v*n）。
IPsec提供机密性、源鉴别、数据完整性、重放攻击防护。

协议

鉴别首部协议（Authentication Header, AH）和封装安全性载荷（Encapsulation Security Payload, ESP）。
AH提供源鉴、数据完整性服务。ESP多提供机密性服务，所以ESP运用广泛。

安全关联

IPsec数据报在源和目的实体之间创建网络层的逻辑关联，称为安全关联（Security Association, SA）。
SA是一个单工逻辑连接。两个实体互发安全连接需要2个SA。
IPsec实体需要维护许多SA的信息（例如，一个有n台主机和2个物理网络的v*n中，网关路由器需要维护2n+2个SA信息）。这些SA信息存储在它的安全关联数据库（Security Association Database, SAD），包括：
- SA的32比特标识符，安全参数索引（Security Parameter Index, SPI）。
- SA的初始接口和目的接口。
- 使用的加密类型（例如，有CBC的3DES）和加***。
- 完整性检查类型（例如，有MD5的HMAC）和鉴别**。

IPsec数据报

IPsec有两种不同的分组模式，隧道模式（tunnel mode），运输模式（transport mode），隧道数据报分组格式如下
发送步骤：
1. 在初始IPv4数据报后附加ESP尾部。下一个首部表示载荷类型，如UDP。
2. 使用SA的算法和**加密初始数据报+ESP尾部。
3. 在加密量之前附加ESP首部，得到enchilada。ESP首部中的序号可以防御重放攻击。
4. 使用SA算法和**生成整个enchilada的鉴别MAC。
5. 生成新的IPv4首部附加到载荷之前。IP地址为两个端点的路由器接口地址。
接收步骤。目的IP是自身，协议字段为50，需要IPsec ESP处理：
1. 针对enchilada中的SPI，确定数据报属于哪个SA。
2. 计算enchilada的MAC并确定与ESP MAC一致。
3. 检查序号字段，确定数据报时新的。
4. 使用SA关联的解密算法和**解密被加密的单元。
5. 删除ESP尾部，抽取初始IPv4数据报。
IPsec实体维护安全策略库（Security Policy Database, SPD），指示
- 哪些类型的数据报（源、目的IP地址，协议类型）需要IPsec处理。
- 处理之后使用哪个SA。

IKE

因特网**交换（Internet Key Exchange, IKE）协议，自动在两个IPsec实体间交换证书，协商算法、**、SPI，之后在SAD中键入SA信息。类似SSL握手。

运行时安全

防火墙

防火墙的目标：
1. 从内部到外部和从外部到内部的所有流量都通过防火墙。
2. 仅被授权的流量允许通过。
3. 防火墙自身免于渗透。否则可能提供安全的假象。
传统分组过滤器。检验每个数据报，根据IP地址、TCP端口号、TCP标志比特等决定通过还是丢弃。
- 每个TCP连接第一个报文段ACK比特为0，其他所有报文段为1。过滤进入的所有SYN分组，即ACK为0的分组，可以阻止外部发起TCP连接，但是允许内部发起TCP连接。
- 路由器使用访问控制列表实现防火墙规则。
状态分组过滤器。跟踪TCP连接，通过FIN分组或者一段时间没有活动判断连接关闭，拒绝属于关闭连接的分组。
应用程序网关。可以处理应用层数据，如用户身份等。起到中继代理的作用。
- 仅对一种应用程序进行深度分组检查（deep packet inspection），深入查看分组携带的实际数据。

入侵检测系统

不仅可以检查分组首部，还能够对不同应用程序进行深度分组检查。
- 入侵检测系统（Intrusion Detection System, IDS）能够对潜在的恶意流量告警。
- 入侵防止系统（Intrusion Prevention System, IPS）可以消除可疑流量。
基于特征（signature-based）的IDS维护攻击特征库，匹配攻击。但是无法判断新的攻击，也有可能产生虚假警告。
基于异常（anomaly-based）的IDS观察流量，生成流量概况，寻找统计上不寻常的分组，如ping分组比例不寻常等。如何区分和统计流量难。
大多数IDS都是基于特征的，有些包含基于异常的特性。