网络安全

网络安全

2021-08-01
计算机网络, 信息安全

安全通信需要具有下列的特性

  • 机密性：仅有发送方和希望的接收方能够理解传输报文的内容。

  • 报文完整性：确保其通信内容在传输的过程中未被改变。

  • 端点鉴别：发送方和接收方都能证实通信过程所涉及的另一方。

  • 运行安全性：确保网络安全。

密码学 #

报文的最初形式称为明文

使用加密算法加密明文，生成的加密报文称为密文，加密算法往往是已知的。

密钥KA是一串数字或者字符，加密算法以密钥和明文报文m为输入，生成的密文为输出。用KA(m)表示。

解密算法使用密钥KB和密文作为输入，通过计算KB(KA(m))得到m

对称密钥密码体制 #

  1. 凯撒密码
    • 将明文报文中的每个字母用字母表中该字母后第k个字母进行替换，允许回绕。
    • 缺点：密钥值只有25个
  2. 单码代替密码
    • 使用字母表中的一个字母替换另一个字母。需要给定一个替换表，每个字母都有唯一一个的替换字母。
    • 缺点：由于是定向替换，当对密文进行统计分析，并且常见的两三个字母的组合（in、on、the）往往是一起出现，而且如果入侵者知道该密文具有某些可能的东西，破解该密文就不那么困难了。
  3. 多码代替密码
    • 使用多个单码来替换明文的字母，即从多个字母中选一个代替明文中的一个字母，如何选怎呢？需要指定一个次序，比如第一次选择多个字母的第一个，第二次选择多个字母的第二个，第三次选择多个字母的第二个（122），然后按照这个顺序循环多次，直到完成加密。

块密码：要加密的报文被处理为k比特的块。例如。如果k=64，字报文被划分为多个64比特的块，每块被独立加密。

密码块链接：使用块密码时，如果有多个明文块可能是相同的，将会产生相同的密文，解决方式是：发送方为第i个块生成一个随机的k比特数，通过将该数与第i个明文块异或，再将结果加密。该方法有一个问题，就是传输的时候需要两倍的带宽，块密码使用了一种称为密码块链接（Cipher Block Chaining，CBC）的技术，基本思想是只传输一个随机值，剩余的让发送方和接收方计算。流程如下：

  1. 发送方生成一个随机的k比特串，称为初始向量c(0)，发送方以明文方式发送。

  2. 对于第一个块，发送方计算m(1)⊕c(0)，然后加密得到c(1)=Ks(m(1)⊕c(0))。发送方向接收方发送加密块c(1)

  3. 对于第i个块，发送方根据c(i)=Ks(m(1)⊕c(i-1))向接收方发送第i个密文块。

公开密钥加密 #

世界上任何人都都可以得到公钥（public key）KB+

只有主人知道的私钥（private key）KB-

假如A要和B通信，A首先要取得B的公钥，然后用这个公钥和一个众所周知的加密算法加密他要传给B的报文m，即KB+(m)，B接到A的加密报文后，用其私钥和一个众所周知的解密算法解密报文，即计算KB-(KB+(m))，这样就得到了最初的明文m。此外还有KB-(KB+(m)) = KB+(KB-(m))=m。

  1. RSA
    • 生成RSA的公钥和私钥
      1. 选择两个大素数p和q，p和q越大，破解RSA越困难，执行加密和解密所用的时间也越长。推荐p和q的乘积为1024比特的数量级
      2. 计算n=pq，z=(p-1)(q-1)
      3. 选择一个小于n的数e，使得e和z没有公因数，e用来加密
      4. 求得一个数d使得ed-1可以被z整除，d将用来解密（ed mod z = 1）
      5. 外界可用的公钥KB+是一对数（n，e），私钥KB-是一对数（n，d）
    • 加密和解密过程
      1. A给B发送一个由整数m表示的比特组合，m<n。加密后的值c=me mod n，将密文c发送给B
      2. B通过计算获得m，m=cd mod n
  2. 会话密钥：RSA的指数运算极其耗时，在实际应用中，RSA通常与对称密钥结合使用。首先，A选择一个用于加密数据本身的密钥，这个密钥有时候称为会话密钥Ks。A通过公钥将Ks传输给B，B通过私钥解密后，就获取了Ks，然后使用Ks来传输数据。

报文完整性和数字签名 #

密码散列函数 #

密码散列函数的性质：找到任意两个不同的报文x和y使得H(x)=H(y)，在计算上是不可能的。

算法：MD5(128位)、SHA-1(160位)

为了执行报文完整性，A和B需要共享秘密s，这个共享的秘密是个比特串，被称为鉴别密钥。使用这个共享秘密，报文完整性能够执行如下：

  1. A生成报文m，用s级联m生成m+s，并计算散列H(m+s)。H(m+s)被称为报文鉴别码(Message Authentication Code,MAC)。
  2. A将MAC附加到报文m上，生成扩展报文(m,H(m+s))，将该扩展报文发送给B。
  3. B收到扩展报文(m,h)，由于知道s，计算出报文鉴别码H(m+s)，如果其等于h，则证明一切正常。

数字签名 #

数字签名是B先使用散列函数对报文生成散列，使用私钥对散列进行加密（数字签名）。

A获取到了B的明文报文和已经数字签名的报文摘要，先使用B的公钥解密数字签名，得到一个散列结果，再使用散列函数获取报文的散列，如果这两个散列匹配，则可以确信报文的完整性和发送方。

公钥认证 #

证实一个公钥属于某个特定的实体。

将公钥与特定的实体绑定通常是由认证中心（Certification Authority，CA）完成的。CA证实了一个实体的真实身份；一旦CA验证了某个实体的身份，这个CA会生成一个将其身份和实体的公钥绑定起来的证书。

使TCP连接安全：SSL #

SSL：Secure Socket Layer，安全套接口协议

TLS：Transport Layer Security，TLS 运输层安全性，是SSL版本3的一个稍加修改的版本