《计算机导论》PPT课件.ppt

2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),1/94,网罗天下 谈谈计算机网络技术的现状与发展,第三节 网络的安全防范,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),2/94,主要内容,网格和网格计算 对等网络P2P(Peer - to - Peer) 信息网络的安全防范,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),3/94,网格发展的需求,几个现实中目前难以解决的问题 遗传密码的解读 大气分析 实验物理数据分析 ,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),4/94,典型需求-大规模基因组测序分析,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),5/94,CCGGTCTCCCCGCCCGCGCGCGAAGTAAAGGCCCAGCGCAGCCCGCGCTCCTGCCCTGGGGCCTCGTCTTTCTCCAGGAAAACGTGGACCGCTCTCCGCCGACAGTCTCTTCCACAGACCCCTGTCGCCTTCGCCCCCCGGTCTCTTCCGGTTCTGTCTTTTCGCTGGCTCGATACGAACAAGGAAGTCGCCCCCAGCGAGCCCCGGCTCCCCCAGGCAGAGGCGGCCCCGGGGGCGGAGTCAACGGCGGAGGCACGCCCTCTGTGAAAGGGCGGGGCATGCAAATTCGAAATGAAAGCCCGGGAACGCCGAAGAAGCACGGGTGTAAGATTTCCCTTTTCAAAGGCGGGAGAATAAGAAATCAGCCCGAGAGTGTAAGGGCGTCAATAGCGCTGTGGACGAGACAGAGGGAATGGGGCAAGGAGCGAGGCTGGGGCTCTCACCGCGACTTGAATGTGGATGAGAGTGGGACGGTGACGGCGGGCGCGAAGGCGAGCGCATCGCTTCTCGGCCTTTTGGCTAAGATCAAGTGTAGTATCTGTTCTTATCAGTTTAATATCTGATACGTCCTCTATCCGAGGACAATATATTAAATGGATTGATCAATCCGCTTCAGCCTCCCGAGTAGCTGGGACTACAGACGGTGCCATCACGCCCAGCTCATTGTTGATTCCCGCCCCCTTGGTAGAGACGGGATTCCGCTATATTGCCTGGGCTGGTGTCGAACTCATAGAACAAAGGATCCTCCCTCCTGGGCCTGGGCGTGGGCTCGCAAAACGCTGGGATTCCCGGATTACAGGCGGGCGCACCACACCAGGAGCAAACACTTCCGGTTTTAAAAATTCAGTTTGTGATTGGCTGTCATTCAGTATTATGCTAATTAAGCATGCCCGGTTTTAAACCTCTTAAAACAACTTTTAAAATTACCTTTCCACCTAAAACGTTAAAATTTGTCAAGTGATAATATTCGACAAGCTGTTATTGCCAAACTATTTTCCTATTTGTTTCCTAATGGCATCGGAACTAGCGAAAGTTTCTCGCCATCAGTTAAAAGTTTGCGGCAGATGTAGACCTAGCAGAGGTGTGCGAGGAGGCCGTTAAGACTATACTTTCAGGGATCATTTCTATAGTGTGTTACTAGAGAAGTTTCTCTGAACGTGTAGAGCACCGAAAACCACGAGGAAGAGAGGTAGCGTTTTCATCGGGTTACCTAAGTGCAGTGTCCCCCCTGGCGCGCAATTGGGAACCCCACACGCGGTGTAGAAATATATTTTAAGGGCGCG (1250 characters) 关键是先要从一个个序列片段中得到一本“天书”,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),6/94,人类基因“天书”,首尾相连由4个字母（ATCG）组成一个极长的字符串 把该字符串写成书 每页有3000个字符 每本书有100页 共需10,000本这样的书,当前任何超级计算机都无法独立完成！,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),7/94,典型需求-大气分析,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),8/94,气候系统模式的几个显著特征,高维特征1061012； 计算量随分辨率的提高成指数增长； 计算量随物理过程的精细化而成倍增长； 长时间积分（100年1000年）； 巨大的信息量。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),9/94,对大气进行监测和分析,将大气分为7层 在地球上每隔2公里设置一个采样点 多个采样点的信息需要进行协同分析 利用气候模型进行分析 在较低的精度要求下，需要计算具有10万多个变量的微分方程组,当前任何超级计算机都无法独立完成！,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),10/94,典型需求基本粒子研究,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),11/94,分析对撞的结果,利用电子对撞观测粒子内部结构 寻找新的粒子 大量的复杂的分析运算过程,当前任何超级计算机都无法独立完成！,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),12/94,对高性能计算的需求,解决超级计算机解决不了的问题 大规模科学计算的需要； 超过世界上任何一台超级计算机； 目前世界上最强大的计算网格，每秒13.6万亿次。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),13/94,对海量信息访问的需求,没有任何单个的服务器或搜索引擎能有效地覆盖不断增长的Web内容； Internet每年产生21018 bytes的信息； 但是，每年只有31012 bytes信息可用 (0.00015%)； Google只能搜索1.3108 个Web页。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),14/94,网格的研究和分析,网格（Grid）是什么？ 共享资源，协同工作。 处理机资源 存储资源 数据资源 网络通信资源 特种仪器设备,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),15/94,网格定义,1969年Len Kleinrock 遍布各地的“计算公用基础设施”，提供类似电力和电话这样的公用基础服务。 1998年Ian Foster “一个计算网格是软件和硬件的基础设施，它提供对高端计算能力的独立的(dependable)、一致的(consistent)、普适的(pervasive)和廉价的(inexpensive)访问。”,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),16/94,Ian Foster的定义,A computational grid is a hardware/software infrastructure that provides dependable, consistent, pervasive, and inexpensive access to computational capabilities.,Ian Foster,Senior Scientist, Mathematics & Computer Science Division, Argonne National Laboratory Professor, Department of Computer Science, The University of Chicago /foster,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),17/94,网格定义的发展,2000年Ian Foster Grid计算关注“在一个动态的、多机构的（institutional）虚拟组织（VO）中的协调资源共享和问题解决”。 2002年Ian Foster 界定Grid系统的三要素：“协调并非隶属于一个集中控制的资源”、“使用标准的、开放的、通用的协议和接口”、“提供非凡的服务质量”。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),18/94,网格的能力,网格提供的是一种广义的计算能力；类似于电力网提供的电力，以及自来水公司提供的饮用水资源。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),19/94,计算网格Globus,面向计算网格 具有分层的体系结构 核心是Globus元计算工具集（GMT, Globus Metacomputing Toolkit） GMT提供了较完善的核心服务， 已经被很多网格系统采用。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),20/94,开放网格服务体系结构（OGSA）,OGSA 是面向Internet上虚拟组织（ VO）实现的一种方法 是Grid扩大应用领域时的一种技术调整方式（规模和领域） 是定义“InterGrid”标准协议的一种努力（普适架构） 是Grid同 Web服务技术的一种结合尝试（实现融合）,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),21/94,计算网格,实现跨地域的超级计算能力，支持科学计算。 美国国家科学基金会资助的NPACI 国家技术网格（NTG） 分布万亿次级计算设施（DTF） 美国宇航总署的IDG 美国能源部的ASCI Grid,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),22/94,数据网格,实现大范围管理、访问、使用和分配海量数据 。 欧洲数据网格（Data GRID） 欧洲空间网格（Space GRID）,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),23/94,信息网格,提供分布、协同、智能化的信息处理。 美国军方的全球信息网格（GIG） IBM的“网格计算创新计划” Sun的网格引擎软件,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),24/94,网格与网络的关系,网格对网络提出了新的要求。 网格和网络相互交叉、相互渗透。 Internet 改变了交换信息的概念和方法；GRID改变了应用高性能计算机解题和信息处理的概念和方法。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),25/94,网格与网格计算,什么是网格(Grid) 简单地讲，网格是把整个因特网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源的全面共享。 网格的根本特征是资源共享而不是它的规模。 其一，不同的群体用不同的名词来称谓它；其二，网格的精确含义和内容还没有固定，而是在不断变化。 最“正统”的网格研究来源于美国联邦政府过去10年来资助的高性能计算项目。这类研究使用的名词就是“网格”（Grid）或“计算网格”。这类研究的目标是将跨地域的多台高性能计算机、大型数据库、贵重科研设备（电子显微镜、雷达阵列、粒子加速器、天文望远镜等）、通信设备、可视化设备和各种传感器整合成一个巨大的超级计算机系统，支持科学计算和科学研究。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),26/94,网格与网格计算,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),27/94,网格与网格计算,网格可以看成是未来的互联网技术。国外媒体常用“下一代Internet”、“Internet2”、“下一代Web”等词语来称呼与网格相关的技术。网格实际上是继传统因特网、Web之后的第三个大浪潮，可以称之为第三代因特网。简单地讲，传统因特网实现了计算机硬件的连通，Web实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等。 智能信息处理与网格研究的共同点是如何消除信息孤岛和知识孤岛，实现信息资源和知识资源的智能共享。包括语义网（Semantic Web）、知识管理（Knowledge Management）、知识本体（Ontology）、智能主体（Agents）、信息网格、知识网格、一体化智能信息平台等。 企业界用的名字包括内容分发（Contents Delivery）、服务分发（Service Delivery）、电子服务（e-service）、实时企业计算（Real-Time Enterprise Computing，简称RTEC）、分布式计算、Peer-to-Peer Computing（简称P2P）、Web服务（Web Services）等。将因特网上的资源整合成一台超级服务器，有效地提供内容服务、计算服务、存储服务、交易服务等。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),28/94,网格与网格计算,高性能计算的应用需求使计算能力不可能在单一计算机上获得，因此，必须通过构建“网 络虚拟超级计算机”或“元计算机”来获得超强的计算能力。20世纪90年代初，美国国家科学基金会（NFS）将其四个超级计算 中心构筑成一个元计算机，逐渐发展到利用它研究解决具有重大挑战性的并行问题。它提供 统一的管理、单一的分配机制和协调应用程序，使任务可以透明地按需要分配到系统内的各 种结构的计算机中，包括向量机、标量机、SIMD和MIMD型的各类计算机。 元计算被定义为“通过网络连接强力计算资源，形成对 用户透明的超级计算环境”， “网格计算(grid computing)”更系统化地 发展了最初元计算的概念，它通过网络连接地理上分布的各类计算机（包括机群）、数据库、 各类设备和存储设备等，形成对用户相对透明的虚拟的高性能计算环境，应用包括了分布式 计算、高吞吐量计算、协同工程和数据查询等诸多功能。网格计算被定义为一个广域范围的 “无缝的集成和协同计算环境”。网格计算模式已经发展为连接和统一各类不同远程资源的 一种基础结构。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),29/94,网格计算“三要素”,在网格计算中，首先要查清网格所有可用资源，比如哪些主机可供访问、还空置多少处理能力、数据库里可供使用的数据是什么、共享的应用程序是否已准备好、共享主机采用何种文件系统等。用户提交的任务要由系统来分配资源并控制其运行，包括要将其分配到哪些主机上运行、调用哪些数据、启动何种应用程序、何时开始运行等。这样，网格计算至少需要具备三种基本功能：任务管理、任务调度和资源管理。 任务管理 用户通过该功能向网格提交任务、为任务指定所需资源、删除任务并监测任务的运行状态。 任务调度 用户提交的任务由该功能按照任务的类型、所需资源、可用资源等情况安排运行日程和策略。 资源管理 确定并监测网格资源状况，收集任务运行时的资源占用数据。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),30/94,计算资源的整合：高性能计算,近年来各学科对计算的需求大量提高，尤其在大型、密集、高性能计算的需求与日俱增，数学、物理、化学、地学、天文学、空间科学、生命科学、材料科学、火灾科学、信息科学等许多方面都需要高性能计算。特别是需要高水平计算能力的计算数学，计算化学，天文与空间物理计算与分析，计算生物学，高能物理等计算相关的学科更是有了飞速的发展。 传统的各个学科自建的计算平台，重复建设且规模小，越来越不能与急剧扩大的计算需求相匹配，在很大程度上影响了学校科研工作和人才培养水平的进一步提升。因此，为了统合资源，有效管理，提高效率，中国科大决定将超级计算平台列入校内公共服务体系的一部分，建设中国科大第五公共服务平台(即超级计算中心)，为全校提供高性能计算和人才培养环境。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),31/94,科大超级运算平台的构成,超级运算平台由基于I A64架构的高性能计算机系统构成，包括4台32CPU的采用NUMA结构的Superdome超级服务器和一套采用Beowulf技术的32节点64CPU的高性能机群系统，所有CPU都采用Intel公司的安腾-Madison 64位芯片。主频为1.5GHz，三级缓存达到6M，每周期执行6条指令。 每台Superdome超级服务器峰值计算能力为每秒1920亿次，四台合计约为 高性能机群系统HP Cluster的峰值计算能力为每秒3840亿次 整个平台的计算能力为每秒1.152万亿次,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),32/94,科大超级运算平台的构成,软件方面： 并行计算环境：OpenMP 开发环境：C, C+, Fortran, Debugger, Linux software transition kit, Linux porting kit, 性能分析、优化、监视工具：HP Cxperf、Caliper性能分析优化工具，IntelVTunePerformance Analyzer，HP GlancePlus性能监视工具 可视化软件及其环境：HP OpenGL 网络管理、应用程序管理、服务管理和网络流量监测软件：HP OpenView 系统管理及资源管理工具：Beowulf Cluster package、Cluster Management Utility、OpenSSH, OpenSSL、Open PBS,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),33/94,高性能计算的应用,主要应用领域 数学、天文及理论物理中的重大问题 微尺度物质电子态、自旋态的控制与应用 化学反应的本质及选控 地球圈层相互作用的环境效应 蛋白质网络与细胞活动 可再生洁净能源 力学领域中的复杂计算 计算机网格研究与网格计算,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),34/94,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),35/94,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),36/94,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),37/94,P2P的概念,P2P（Peer to Peer）是对于网络应用的一个新的扩展。其思想来自于分布式系统，主要研究如何有效利用网络上众多自治设备的资源的问题。 通常的P2P系统都具有一些共性。首先，它具有资源的动态分配；各节点自治；系统的透明性；系统的协作性等特点；此外，P2P系统还强调利用自治设备上的空闲资源将各节点组织成一个巨大的文件系统或一台超级计算机。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),38/94,P2P的结构,树状 平面网状 多维网状,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),39/94,P2P系统的主要特点,信息分布在系统中所有节点上，而不是在某个单一服务器上； 节点之间通过直接、对等的交互实现信息共享； 所有节点都是自治、动态和面向特定领域的；系统具有自组织能力； 纯粹的P2P系统没有中央服务器，运行在各节点上的软件在功能与职责上是等同的。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),40/94,C/S：节点被区分为客户和服务器； P2P：节点既是客户也是服务器； C/S：出现单节点崩溃而引发的系统崩溃现象，且系统性能随客户的增多而下降；P2P：可以避免这样的缺陷； C/S：客户端和服务器是静态的，它们的行为是可预测的；P2P：节点是动态的,P2P系统与 C/S (or B/S) 系统,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),41/94,P2P系统的分类,分布式共享文件存储系统（文件共享、查找、交换，Data Grid ），如Napster，Gnutella，FastTrack，Freenet等； 分布式计算系统（科学计算，Computation Grid ），如SETIhome，D，Entropia，DataSynapse，Avaki等； 实时交互系统（消息传递，Information Grid ），如ICQ， Jabber等； 协作系统（群件），如Groove，WebDAV等。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),42/94,Napster,Napster是一个较为成功的P2P系统； 采用互利的原则使加入Napster服务网络的用户，可以共享彼此拥有的MP3音乐； 与传统的服务方式不同，Napster使用户之间建立共享关系，而不通过某台服务器，这是一个典型的共享型P2P系统。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),43/94,SETIhome,SETIhome是较早出现的P2P分布式计算之一。 它主要利用了Internet上数以万计的个人计算机来分析有关的数据，借此发现外星生命的线索。 参与的个体可以通过访问SETIhome的网站，获得用于计算的Applet程序，并自动执行 。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),44/94,类似ICQ的交互系统,这类系统是比较常见的Internet应用。 它主要是在实时交互的双方之间建立一条连接，使其能够直接通信。 通信的过程不需要通过某个固定服务器的协助 。 例如：Skype，PPLive,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),45/94,Groove Networks,Groove Networks是最为著名的P2P协作系统之一。 该系统通过转播服务器（relay server）在系统内部进行多播，传送消息，使众多的参与节点能够联系在一起，共享不同的资源，以合作的方式完成工作。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),46/94,计算型P2P系统的分类,提供服务型 下载任务型 计算分配型,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),47/94,提供服务型的P2P系统,一类最常见的P2P计算系统。 它首先要求计算节点具有某些服务的能力，然后在整个系统内通知其他节点：本节点可以提供的服务，可被服务的条件。 要使用服务的节点则要依据一定的发现规则去获取服务的执行权力，然后通过RPC或远程对象调用，来使提供服务的远程节点执行运算任务。 这类系统包括众多基于CORBA和Java RMI的系统，以及近来讨论较多的Sun JXTA系统。 这种系统通常用来解决小规模的计算问题或者是固定计算方法的问题，通用性、灵活性和扩展性较差。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),48/94,下载任务型的P2P系统,该类系统要求发出计算请求的节点，首先以Web站点等形式将问题分成若干小规模问题的代码，等待愿意加入计算环境的远程节点下载代码以便运行。 这种系统通常采用Java Applet技术实现代码的移动，或是下载包含解决问题的代码的客户端。 典型的应用有SETIhome等。 这类系统有了一定的灵活性，但是因为要等待其他节点主动下载，因此响应较慢，实时性很差。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),49/94,计算分配型的P2P系统,这类系统也采用了代码移动的思想。 首先，提出计算任务的节点发出通告，组织起一个临时的分布式计算环境；然后，其他节点按照一定的安全和管理策略自愿地加入这个环境；发起任务的节点将用于计算的代码，主动发给各个计算节点并等待返回结果。 这类系统与下载任务型系统的最大不同在于：后者是被动的依靠计算节点“拉”回用于计算的代码和数据，而计算分配型系统则是主动地将代码“推”向计算节点。这样解决了相应时间长，实时性差的问题。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),50/94,网格与P2P系统的联系,计算网格提供的是普适而且廉价的高性能计算能力 计算型P2P同样强调了普适的、廉价的计算功能,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),51/94,网格与P2P关系的示意图,计算网格,计算型P2P,计算网格与计算型P2P系统具有大量的共性,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),52/94,网格与P2P系统的差别,应用模式：Grid：提供一个计算和协同环境，每个网格是服务器；P2P：提供通用和商用的信息/计算服务，每个Peer为Client和Server； 操作方式：Grid：直接访问远端资源（Servers-based）；P2P：随机访问资源，无特定目标（Clients-based）； 参与模式： Grid：Client和Server预先确定或注册；P2P：Client和Server不去分、不注册，而由选择确定；,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),53/94,网格与P2P系统的差别（续）,服务质量：Grid：保证每个Grid的提供可靠服务；P2P：保证部分可靠，因为某些Peer的服务不保证； 安全管理：Grid：安全措施保护每个Grid；P2P：不能保证每个Peer的安全； 控制方式：Grid：集中控制资源分配和任务调度；P2P：根本没有或部分集中控制，主要依赖自组织。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),54/94,P2P计算的技术发展,适合于当前网络环境的P2P应用系统 动态IP：需要全局名字查找 非稳定的连接：协议/定位 分布式资源管理 存储、计算能力、网络通信能力的管理 多粒度的数据管理，而不仅仅是文件管理 Peer之间的协作 被动地响应 vs. 主动地服务 协议的定义 安全性、可靠性问题,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),55/94,信息网络安全防御技术综述,Internet的特点 多个网络的集合 开放性：以TCP/IP协议为核心和基础，不属于任何国家、组织或个人 信息传输是跳跃式的，途径不确定 用户不需了解网络底层结构 可以通过PSTN拨号上网，应用日益普及 丰富的、多样的网络资源 网络文化与网络人,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),56/94,信息网络安全防御技术综述,Internet是不安全的 网络是开放的 共享信道、广播方式的信息传送 各种协议的漏洞 各种系统的漏洞 因此，网络发展为我们带来历史机遇的同时，也带来巨大风险。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),57/94,信息网络安全防御技术综述,信息网络安全的要求 保密性、完整性、可用性、可控性、不可否认性 Secrecy Authenticity 真实性 Non-repudiation 不可否认性 Integrity control 完整性 Control Possibility 可控性 信息网络安全的服务技术与机制,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),58/94,信息网络安全防御技术综述,计算机信息网络系统安全技术 实体硬件安全：为保证计算机设备及其他设施免受危害的各种措施，包括维护技术和高可靠性和高安全性产品。 软件系统安全：保证程序和数据不遭破坏，包括口令控制、鉴别技术、软件加密、压缩技术和软件防复制、防跟踪技术。 数据信息安全：保证数据库、数据文件和数据信息免遭破坏、修改、泄露和窃取，包括身份识别、口令、指纹、访问控制和数据加密。 网络站点安全：保证网络通信安全和站点安全，包括防火墙、数字签名、访问控制、密钥管理、安全介质、网络跟踪等。 运行服务安全：主要是系统运行的安全管理技术 病毒防治技术 防火墙技术 计算机应用系统的安全评价：在代价、威胁和风险之间作出综合平衡。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),59/94,信息网络安全防御技术综述,计算机信息网络系统八种安全机制 加密机制(encipherment mechanisms) 数字签名机制(digital signature mechanisms) 访问控制机制(access control mechanisms) 数据完整性机制(data integrity mechanisms) 鉴别交换机制(authentication mechanisms) 通信业务填充机制(traffic padding mechanisms) 路由控制机制(routing control mechanisms) 公证机制(notarization mechanisms),2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),60/94,计算机信息网络系统安全评估,美国国防部可信任计算机标准评估准则 Trusted Computer Standards Evaluation Criteria (Orange Book，桔黄皮书或橙皮书) (1)D级 D级是最低的安全级别，拥有这个级别的操作系统就像一个门户大开的房子，任何人可以自由进出，是完全不可信的。 (2)C1级 C级有两个安全子级别：C1和C2。C1级，又称选择性安全保护（discretionary security protection）系统，它描述了一种典型的用在Unix系统上的安全级别。这种级别的系统对硬件有某种程度的保护：用户拥有注册账号和口令，系统通过账号和口令来识别用户是否合法，并决定用户对程序和信息拥有什么样的访问权，但硬件受到损害的可能性仍然存在。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),61/94,计算机信息网络系统安全评估,(3)C2级 除了C1级包含的特性外，C2级别应具有访问控制环境（controlled-access environment）权力。该环境具有进一步限制用户执行某些命令或访问某些文件的权限，而且还加入了身份认证级别。 (4)B1级 B级中有三个级别，B1级即标志安全保护（labeled security protection），是支持多级安全（例如秘密和绝密）的第一个级别，这个级别说明处于强制性访问控制之下的对象，系统不允许文件的拥有者改变其许可权限。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),62/94,计算机信息网络系统安全评估,(5)B2级 B2级，又叫做结构保护(structured protection)，它要求计算机系统中所有的对象都要加上标签，而且给设备（磁盘、磁带和终端）分配单个或多个安全级别。它是提供较高安全级别的对象与较低安全级别的对象相通信的第一个级别。 (6)B3级 B3级或又称安全域级别(security domain)，使用安装硬件的方式来加强域的安全，例如，内存管理硬件用于保护安全域免遭无授权访问或其它安全域对象的修改。 (7)A级 A级或又称验证设计（verity design）是当前橙皮书的最高级别，它包括了一个严格的设计、控制和验证过程。与前面所提到的各级别一样，该级别包含了较低级别的所有特性。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),63/94,数据加密技术,数据加密是计算机安全的重要部分。口令加密是防止文件中的密码被人偷看。文件加密主要应用于因特网上的文件传输，防止文件被看到或劫持。 电子邮件给人们提供了一种快捷便宜的通信方式，但电子邮件是不安全的，很容易被别人偷看或伪造。为了保证电子邮件的安全，人们采用了数字签名这样的加密技术，并提供了基于加密的身份认证技术，数据加密也使因特网上的电子商务成为可能。 加密系统模型,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),64/94,对称密钥密码系统,秘密密钥加密系统(对称密钥系统) 加密密钥和解密密钥一样，或可以互导 DES(Data Encryption Standard) 1977, 美国 用56位长的密钥加密64位长的数据块，密钥有 256=72,057,584,037,927,936 约7.2亿亿 IDEA(International Data Encryption Algorithm) 用128位长的密钥加密64位长的数据块, 1991, 瑞士 特点：运算速度快，不能做数字签名,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),65/94,公开密钥密码系统,公开密钥加密系统(非对称密钥系统) 加密密钥与解密密钥不同，不可互导，公开加密密钥不会危及解密密钥，可实现数字签名。 RSA：典型的公钥加密系统，1978，美国 公开：加密密钥 e，模数 n (n=pq, p, q为素数) 秘密：解密密钥 d，p和q 其中，ed mod (n) = 1 加密：C = Me mod n，C 为密文，M为明文 解密：M = Cd mod n = Med mod n = M 特点：安全性高，基于因数分解难度， 可实现数字签名，运算速度低,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),66/94,签名和认证,认证和身份鉴别机制 认证机制(Authentication) 认证通信双方：网络设备、网络用户 消息接收者验证消息的合法性、真实性、完整性 消息发送者不能否认所发消息 任何人不能伪造合法消息 数字签名(Digital Signature) 可使消息接收者能够验证消息的确来自合法用户的一种加密机制 任何人不能伪造签字人的签名 签字人无法否认自己的签名 可用于身份认证和数据完整性控制,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),67/94,身份识别与完整性保护,身份鉴别 验证用户知道什么(如口令、密钥等) 验证用户拥有什么(如钥匙、徽标、IC卡等) 验证用户的生理特征(如指纹、声纹等) 验证用户的习惯动作(如笔迹等) 完整性保护 保证数据在存储或传输过程中不被非法修改、破坏或丢失 主要手段是报文摘要技术(message digest, MD): 输入不定长数据，经过杂凑函数(Hash)，通过各种变换，输出定长的摘要。标准有MD5、SHS等,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),68/94,有效的访问控制防火墙,什么是防火墙？ 防火墙是建立在两个网络的边界上的实现安全策略和网络通信监控的系统或系统组，强制执行对内部网和外部网的访问控制。通过建立一整套规则和策略来监测、限制、更改跨越防火墙的数据流，实现保护内部网络的目的。 防火墙就是位于内部网或Web站点与因特网之间的一个路由器或一台计算机，又称为堡垒主机。其目的如同一个安全门，为门内的部门提供安全，控制那些可被允许出入该受保护环境的人或物。就像工作在前门的安全卫士，控制并检查站点的访问者。,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),69/94,防火墙的功能,访问控制 授权认证 内容安全：病毒扫描、URL扫描、HTTP过滤 加密 路由器安全管理 地址翻译 均衡负载 日志记帐、审计报警,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),70/94,包过滤防火墙,包过滤防火墙 通过设置的规则选择通过还是丢弃数据包 对数据包进行双向过滤 包过滤规则一般根据IP和TCP包头部指定 两个选择：丢弃或通过,实际应用中多采用此类方式,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),71/94,优点 配置简单 用户透明 高性能 缺点 过滤策略很难配置 缺乏认证机制 可能存在的攻击 IP 地址欺骗 子网内部攻击 小分片攻击,包过滤防火墙,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),72/94,应用层网关,应用层网关 也成为代理（Proxy） 在应用层对内容进行过滤,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),73/94,优点 比包过滤防火墙安全 只允许通过特殊应用 比较容易进行监听 缺点 开销较大,应用层网关,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),74/94,电路级网关,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),75/94,防火墙的配置,In addition to the use of simple configuration of a single system (single packet filtering router or single gateway), more complex configurations are possible Three common configurations,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),76/94,主机过滤的防火墙,Screened host firewall system (single-homed bastion host),2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),77/94,主机过滤的防火墙,Screened host firewall, single-homed bastion configuration Firewall consists of two systems A packet-filtering router A bastion host Configuration for the packet-filtering router Only packets from and to the bastion host are allowed to pass through the router The bastion host performs authentication and proxy functions,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),78/94,主机过滤防火墙特点,Greater security than single configurations because of two reasons This configuration implements both packet-level and application-level filtering (allowing for flexibility in defining security policy) An intruder must generally penetrate two separate systems This configuration also affords flexibility in providing direct Internet access (public information server, e.g. Web server),2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),79/94,双宿主主机过滤的防火墙,Screened host firewall system (dual-homed bastion host),2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),80/94,双宿主主机过滤的防火墙,Screened host firewall, dual-homed bastion configuration The packet-filtering router is not completely compromised Traffic between the Internet and other hosts on the private network has to flow through the bastion host,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),81/94,子网过滤的防火墙,Screened-subnet firewall system,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),82/94,Screened subnet firewall configuration Most secure configuration of the three Two packet-filtering routers are used Creation of an isolated sub-network Advantages Three levels of defense to thwart intruders The outside router advertises only the existence of the screened subnet to the Internet (internal network is invisible to the Internet) The inside router advertises only the existence of the screened subnet to the internal network (the systems on the inside network cannot construct direct routes to the Internet),子网过滤的防火墙,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),83/94,网络攻击手段,病毒类 木马 常见病毒 用户计算机执行包含恶意代码软件，导致产生一系列不良后果 系统漏洞类 缓冲区溢出 网络蠕虫类 病毒或攻击者利用系统漏洞进行攻击，获得系统控制权限,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),84/94,缓冲区溢出示例 #1,Before Call to gets,Input = “123”,No Problem,2019/5/29,计算机导论之网罗天下(3),85/94,缓冲区溢出示例 #2,Input = “12345”,8048592: push %ebx 8048593: call 80483e4 # gets 8048598: mov 0xffffffe8(%ebp),%ebx 804859b: mov %ebp,%esp 804859d: pop %ebp # %ebp gets set to invalid value 804859e: ret,echo code:,Saved value o