（计算机应用技术专业论文）基于ssl的vpn的研究及实现.pdf

基于$ s l 的v p n 的研究及实现 摘要 i n t e r n e t 应用的普及，要求企业内部网的职能范围超越了物理位置的限制， 同时网络上传输的数据也需要越来越高的安全保障。随着应用程序从c s 结构向 w e b 迁移，如何在不影响外部用户使用的前提下实现灵活安全地访问公司内部资 源，成为时下一个技术热点。 v p n 技术的实质是在公共网络上建立一条专用的逻辑链路，帮助远程用户、 分支机构、商业伙伴及供应商同企业内部网建立可靠的安全连接，保证数据的安 全传输，从而实现对企业内部网的扩展。 。 i p s e c 协议作为开放的网络层安全协议，具有安全、高效、应用透明等优点， 但其提供的安全访问控制过于单一，不能满足所有应用的需求。与i p s c ev p n 相 比，价格低廉、实施简单、而又拥有良好安全访问控制机制的s s lv p n 在远程访 问v p n 领域中有着不俗的表现。 ，。 ， s s l 是一种在网络传输层之上基于r s a 和加密密钥、用于浏览器和服务器之 间的安全连接技术。它提供的主要服务有：认证用户和服务器、确保数据发送到 正确的客户端和服务器、加密数据、维护数据的完整性， 本文首先介绍了虚拟专用网技术的发展现状和特点，分析了各种v p n 技术 ( 隧道技术、加密技术及相关技术) ，并对s s l v p n 的工作原理及应用优势做了 详细的阐述。实现安全的s s lv p n 应用，操作系统是基础，本文对l i n u x 系统 进行了安全性方面的分析，并提出了安全性增强的一个方案。最后设计实现一个 s s lv p n 网关的实例，将s s lv p n 网关与l i n u x 的核心安全访问控制机制有机 的结合在一起，并在此基础上对s s lv p n 服务器的性能做了测试，对结果进行 深入的研究，同时提出了一些提高性能的解决方法。 关键词：虚拟专用网、安全套接层协议、l i n u x 、l s m ，p a m 、l k m i v 丞 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fv p nb a s e do ns s l ， ，r a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i t ht h ep o p u l a ru s eo fi n t e r n e t ，t h er e q u i r e m e n t s o f e n t e r p r i s ei n t r a n e tg ob e y o n dt h el i m i t so fp h y s i c a lp o s i t i o n a n d ，t h e d a t at r a n s f e r r e do n - 1 i n er e q u i r e sh i g h e rs e c u r i t y s i n c et h ea p p l i c a t i o n p r o g r a mc h a n g ef r o mc st ow e ba r c h i t e c t u r e ，t h ep r o b l e m , h o wt oa c c e s s t h ei n t r a - r e s o u r c es a f e l yw i t h o u ta f f e c t i n ge x t e r i o ru s e r ，t u r nt ob ea t e c h n i c a lh o t s p o t ， t h ef a c t o fv p ni st os e tu pas p e c i a ll o g i cl i n kb a s e do np u b l i c n e t w o r kt oh e l pt h er e m o t eu s e r ，b r a n c h ，b u s i n e s sc o m p a n ya n ds u p p l i e r t os e t u ps e c u r i t yc o n n e c t i o nw i t he n t e r p r i s ei n t r a n e t ，t oe n s u r et h es a f e t r a n s p o r to fd a t a ，a n dt h e nt oe n l a r g et h ei n t r a n e t 。 ，。i p s e c ，a s t h es e c u r i t y p r o t o c o l o fn e t w o r kl a y e r ，i ss a f e ，h i g h e f f i c i e n c ya n dt r a n s p a r e n c yt oa p p l i c a t i o n b u ti t ss e c u r i t y a c c e s s c o n t r o li st o os i m p l et of u l f i l la l l t h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s c o m p a r e dt oi p s e cv p n 。t h es s lv p ni sc h e a p ，s i m p l ea n dh a sg o o dc o n t r o l a b i l i t yo fs e c u r i t ya c c e s si nt h er e m o t ev p na c c e s sa r e a 7 s s li sak i n do fs e c u r i t yc o n n e c t i o nt e c h n o l o g yi nt h et r a n s p o r tl a y e r b a s e do nr s a a n ds e c u r i t yk e y t h em a i ns e r v i c e si n c l u d ec e r t i f i c a t eu s e r a n ds e r v e r ，e n s u r ed a t as e n tt oc o r r e c tc li e n ta n ds e r v e r ，e n c r y p ta n d 。， m a i n t a i n t h ei n t e g r a l i t yo fd a t a t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c et h ea c t u a l i t ya n dc h a r a c t e r so v p n ， a n a l y s e sk i n d so fv p nt e c h n o l o g y ( t u n n e l ，e n c r y p ta n dr e l a t e dt e c h n o l o g y ) a n de x p o u n dt h et h e o r ya n da d v a n t a g e so fs s lv p n t oi m p l e m e n tt h es a f e s s lv p na p p l i c a t i o n ，o p e r a t i n gs y s t e mi st h ef o u n d a t i o n t h i sp a p e r a n a l y s e st h es e c u r i t yo fl i n u xa n dp r o p o s a la ne n h a n c e ds c h e m e f i n a l l y ， w ed e s i g na ne x a m p l et oc o m b i n et h es s lv p ng a t e w a ya n dt h el i n u xc o r e s e c u r i t yc o n t r o lt o g e t h e r w ea l s ot e s tt h e s s l v p ns e v e r ，d ot h ei n d e p t h r e s e a r c ho nr e s u l t sa n dt h e np r o p o s a ls e v e r a lm e t h o d st oe n h a n c et h e c a p a b i l i t y 一， ， 。 k e yw o r d s ：v p n ，s s l ，l i n u x ，l s m ，p a m ，l k m v 第1 章诸论 1 1 课题背景 一 随着通信技术和计算机网络技术的快速发展，互联网的用户数量急剧增加， 许多新的网络服务如电子商务、网上银行等已被越来越多的人采用。传统的互联 网没有提供服务质量保证，没有权限和相应的安全机制【柏l 。随着网络的开放性， 共享性以及互联网规模的进一步扩大，加上黑客攻击手段越来越先进，网络的安 全问题就越来越严重，世界上关于网络安全的事件也越来越多，黑客采用例如口 欺骗、中间人攻击瞄l 、脚本漏洞、钓鱼式攻击【8 l 等方法，对人们造成了巨大的经 济损失。目前网络安全已成为计算机网络的一大热点。 。 同时，随着企业本身的发展壮大与跨国化，每家企业的分支机构越来越多， 企业与各分部之间也需要随时通信，这涉及到远程联网及网络的复杂性问题。为 了保证数据在传输过程的安全，须按传统需要为每个分部建立独立的专用网络， 但大量的独立专用网需要进行重复的网络投资，会造成资源浪费，增加管理负担。 为了解决上述问题，人们提出了虚拟专用网( v i t u a lp r i v a t en e t w o r k ) 的概念 1 1 9 1 ，即利用公共通信网络( 如因特网) 实现安全的保密数据通信，其原理是：需 要进行机密数据传输的两个端点均连在公共通信网上，当需要进行机密数据传输 时，通过端点上的v p n 设备( 硬件或软件) 在公共网上建立一条虚拟的专用通劳一v 信信道，并且所有数据均经过加密后再在网上传输，这样就保证了机密数据的安 全传输，从而实现对企业内部网的一个扩剧9 。通过v p n ，授权的业务伙伴就可 以在授权范围内使用单位内部的数据，实现数据的安全交换。 传统的v p n 组网形式都要求用户进行非常繁琐的安装配置工作，而这些工芦 作还会受到防火墙的设置和n a t 的影响1 3 5 删，这些不断变化的配黄调试给用户 带了太多的不便。随着网络的飞速发展，w e b 成为标准平台已势不可挡，越来越 多的企业开始将e r p 、c r m 、s c m 移植到w e b 上，在w e b 应用热潮中，s s l v p n 。 被认为是实现远程安全访问w e b 应用的最佳手段，几年来得到了长足的发展。 1 2 国内外概况 1 2 1网络安全现状 i n t e m e t 是基于t c p i p 协议进行通信的，但t c p i p 协议在制定的时候没有 考虑到安全性，因此协议本身存在的不安全性导致了i n t e m e t 的不安全，主要表 现为【1 5 刎： ( 1 ) 明文传输：应用层产生的数据在网络是以明文传输的，特别是使用f t p 、 t e l n e t 、h t r p 时，用户的帐号和密码都是以明文方式传输。因此， 数据信息很容易被在线窃听、修改和伪造； ( 2 ) i p 欺骗；攻击者修改发送出去的数据报的源口地址，来冒充某个可信 节点的口地址进行攻击： ( 3 ) 路由信息协议攻击：路由信息协议用来在网络中发布路由信息，为网 络中的节点提供一致路由选择和可到达信息。但节点对收到的信息不 进行真实性检查，因此攻击者可以在网上发布错误的路由信息，利用 i g m p 的重定向信息欺骗路由器或主机，从而对网络进行攻击： ( 4 ) 鉴别攻击：目前防火墙只能对球地址、协议端口进行鉴别，而无法鉴 ， 别登录用户身份的有效性； 。 ( 5 ) 拒绝服务攻击：攻击者不断向网络中的某台服务器发送特定的无效数 据包，导致服务器过于繁忙以至于崩溃； ( 6 ) 源路由选择欺骗：为了测试，口数据报设置了一个1 1 s o u r c er o u t i n g 选项，该选项可以直接指明到达节点的路由，攻击者可以利用这一选 项进行攻击。 t c p i p 协议如此多的缺陷以及非法访问等安全事件的发生，使得因特网用 用户越来越多地意识到网络的安全问题。对于安全的要求，可以归纳为以下五种 向：。 ， ， f ， 7； ( 1 ) 信息的保密性 。 t 为用户提供安全可靠的保密通信是计算机网络安全最为重要的内容，尽管计 算机网络安全不仅仅局限于保密性，但不能提供保密性的网络肯定是不安全的。 在i n t c m e t 上传送的信息以m 数据报的形式转发，只要攻击者收集到所有的包， 那么，发送的信息对于攻击者来说就无保密可言。由于互联网络的开放性，要防 止信息被截是困难的。所以应对传输的信息进行一定强度的加密，即使攻击者获 取，也无法读懂密文。 ， ， ( 2 ) 身份的真实性“。甚，“t “。 t 一 攻击者冒充管理员发布命令，调阅密件；冒充网络控制程序，骗取或修改使 用权限、密钥等信息；接管合法用户，欺骗系统，占用合法用户资源等，身份的 真实性要求通信双方的身份不能被假冒或伪装1 3 7 1 。 ( 3 ) 信息的完整性1 1 4 j 信息在传输过程中可能被截获，攻击者对其进行篡改，让接收者接收到错误 的信息。完整性要求发送和接收的信息应该保持一致，信息接收者可以验证收到 的信息是否完整，是否被修改。 “ ( 4 ) 访问权限的控制性 。 什么人可以访问什么资源或有什么的权限，这就是访问权限的控制性，不同 的用户只能执行特定的被规定相应权限的操作。， ， 、 ( 5 ) 不可否认性 不可否认性要求信息的发送方不能否认已经发送的信息，不能否认自己的行 为。 基于上述对网络安全方面的要求，当前实现的网络安全技术主要有两种：一 种研制新的安全的网络互联协议，如i p v 6 协议；另一种就是在现有网络基础设 施上开发网络产品来保障网络安全目前i p v 6 的互联网设施还不完善，而且由 于各层协议的相互改变和应用的适应，i p v 4 过渡到i p v 6 将是一个漫长的过程。 因此目前可行的解决方法是采用各种网络安全技术来增强网络的安全性。 v p n 就是现有的几种重要网络安全技术的一种。v p n 的实现形式多种多样， 但都是基于一种安全或加密的隧道技术。这种技术可以用来提供网络到网络、主 机到网络、或者主机到主机的安全连接。简单地说，隧道是指一个网络通过另一 个网络的连接传输分组，将一种协议的数据单元封装在另一个协议的数据单元 中。隧道是一种虚拟的点到点连接，这个连接为隧道的两个端点提供了认证、加 密和访问控制，可以在不同的协议层来实现隧道技术，为不同的协议层提供了不 同强度的安全保护。 对于企业来说，v p n 提供了安全、可靠的i n t e r a c t 访问通道，为企业进一步 提供了可靠的技术保障，而且v p n 能够提供专用线路类型服务，是方便快捷的 企业私有网络。v p n 的目的在于内部的机密数据能够安全地借助公共网络进行 2 频繁地交换，实现了可以在防火墙间进行数据加密，确保系统重要数据的真实性 和完整性等。更具有重大意义的变化是，在v p n 的架设下，企业员工不再受限 于固定的办公场所，而只要能够连上企业网络的地方均可办公。完全可以实现 s o h o 。 1 2 2 国内外v p n 的研究和发展情况 人们对虚拟专用网( v p n ) 技术的研究开始于2 0 世纪9 0 年代，这与采用隧 道封装技术和密码技术共享公共通信网络资源来组建内联网、外联网和远程拨入 网有极为重要的关系。目前实现v p n 常用的技术包括配置管理技术、隧道技术、 协议封装技术和密码技术等。这些技术可以应用于t c p i p 协议中的数据链路层、 i p 层、t c p 层和应用层。目前较为成熟的v p n 实用技术均有相应的协议规范和 配置管理方法。这些常用配置方法和协议主要包括路由过滤技术、g r e ( g e n e r i c r o u t i n ge n c a p s u l a t i o n ，通用路由封装协议) 、l 2 t p ( l a y e r2t u n n e l i n gp r o t o c o l ，第 二层隧道协议) 、p p 卯口o i m t o p o i n tt u n n e l i n gp r o t o c o l ，点对点隧道协议) 、i p s e c ( 砷s e c u r i t yp r o t o c o l ，i p 安全协议) 等。 ， 多年来，i p s e c 协议一直被认为是构建v p n 的最好选择，它提供站点之间( 例 如分部到总部) 及远程访问的安全联机。它是一种成熟的标准，全球各地厂商提 ， 供这种解决方案。i p s e c ，i k e 事实上指的是i e t f 标准的集合，包括密钥管理协磐一拓r 议( i k e ) 和加密封包格式协议( i p s e c ) 。i p s e c i k e 可支持各种加密算法( d e s 、 3 d e s 、a e s 与r c 4 ) 及信息完整性检验机制( m d 5 、s 姒1 ) ； 一 二 i p s e c 是网络层的v p n 技术【2 3 】。i p s e e 用自己的封包协议封装原始妒信息，- 一 因此可隐藏所有应用协议的信息。它在m 层对数据包进行高强度的加密和验证，和 使安全服务独立于各种应用程序。通信双方要建立i p s e c 通道，首先要采用一定 的方式建立通信连接。因为i p s e c 协议支持几种操作模式，所以通信双方先要确 定所要采用的安全策略和使用模式。这包括加密运算法则和身份验证方法类型嚣”一 等。因此，i p s e e 协议具有安全、高效、应用透明等特点，但是为了通信连接之 前的协商，需要在双方设备上安装特定的客户端软件，而且配置非常的复杂。 最新的研究表明近乎9 0 的企业利用v p n 进行的内部网和外部网的连接都 只是用来访问i n t e m e t 和电子邮件通信，另外1 0 的用户只是利用如q q 和其他 私有客户端应用，并不属于因特网应用1 3 8 1 。而这些9 0 的应用都可以利用一种 更加简单的v p n 技术- - s s l v p n 来提供更加有效的解决方案。基于s s l 协议的 v p n 远程访问方案更加容易配置和管理，网络配置成本比起目前主流的i p s e e v p n 还要低许多，所以，许多企业已经开始转而利用基于s s l 加密协议的远程 访问技术来实现v p n 通信了 s s l 协议是套接层协议，它是为保障在i n t e m e t 上基于w e b 的通信的安全而 提供的协议。它具有很强的灵活性，因而广受欢迎，如今几乎所有浏览器都内建 有s s l 功能，它正式成为企业应用、无线接入设备、w e b 服务以及安全接入管 理的关键协议。s s l v p n 保障w e b 浏览器和w e b 服务器之间的信息安全，每一 个s s l 会话一次只服务于一个应用程序，它提供的是应用程序的安全服务而不 是网络的安全服务，因此也被称为“应用程序层的v p n ”。 一 s s l v p n 的优势主要体现在以下几个方面1 2 副： ， ( 1 ) 无需安装客户端软件。大多数执行基于s s l 协议的远程访问不需要在远程 客户端设备上安装软件，只需通过标准的w e b 浏览器连接因特网，即可以 通过网页访问到企业总部的网络资源。这样无论是从软件协议购买成本上， 还是从维护、管理成本上都可以节省一大笔资金。特别是对于大、中型企 业和网络服务提供商。4 ( 2 ) 适用于大多数设备。基于w e b 访问的开放体系在运行标准的浏览器下可以 访问任何设备，包括非传统设备，如可以上网的电话和p d a 通信产品。 ， ( 3 ) 适用于大多数操作系统。可以运行标准的因特网浏览器的大多数操作系统 都可以用来进行基于w 曲的远程访问【3 l j ，不管操作系统是w i n d o w s 、 m a c i n t o s h 、u n i x 还是l i n u x ，都可以对企业内部网站和w e b 站点进行全 面的访问。用户可以非常容易地得到基于企业内部网站的资源，并进行应 用。 ，( 4 ) 支持网络驱动器访问。用户通过s s l v p n 通信可以访问网络驱动器上的资 源。 ( 5 ) 良好的安全性。用户通过基于s s l 的w e b 访问并不是网络的真实节点， 就像i p s e c 安全协议一样。而且还可代理访问公司的内部资源。因此，这” 种方法可以非常安全，特别是对外部用户的访问。 ( 6 ) 较强的资源控制能力。基于w e b 的代理访问允许公司为远程访问用户进行一， 详尽的资源访问控制。， ， ( 7 ) 减少费用。为那些简单远程访问用户( 仅需进入公司内部网站或进行e m a i l 通信) ，基于s s l 的v p n 网络可以非常经济地提供远程访问服务。 服务的远程用户或者因特网代理服务的用户可以7 从中受益。因为这种方案可以绕过防火墙和代理服务器访问公司资源【j u j ， 这是采用基于i p s c c 安全协议的远程访问很难或者根本做不到的。 ，s s l v p n 于前几年提出的，在国外经过几年的发展，如今许多的大型公司开 始投入到s s lv p n 市场，如思科、诺基亚等在内的国际知名厂商。在最近的一 份调查报告中指出：“到2 0 0 3 年，5 9 的移动用户会使用v p n ，到了2 0 0 6 年， 这个数字将上升到8 5 ，增加的部分大多数来自s s lv p n ，因为它可以避免安 装和管理所带来的不便”。臣前，s s l v p n 已经在以下几个行业得到应用：保险 业、银行、金融、证券行业、电信行业的无线网络应用。这些行业对那种集中化 管理、远程安全访问的应用需求体现最为明显。i d c 分析师指出，在新应用方面， 以s s l v p n 为基础的安全存取将会成为未来企业的主要形式。 1 3 主要研究工作 到目前为止，s s lv p n 是解决远程用户访问内部敏感数据最简单最安全的 解决技术，但像其他应用层网关一样，s s l v p n 技术仍然受到一些问题的困扰。 首先，完善的安全访问控制机制一直被认为是s s lv p n 的最大优势，但另 ，一方面，在应用层实现协议转换及安全访问控制又会影响系统性能，效率低下已 经开始制约s s l v p n 技术的发展。 其次，s s lv p n 网关服务承载平台的安全性也会直接影响整个系统的安全 性。在本课题中，v p n 服务器的承载平台是l i n u x 操作系统，它是源代码开放 的免费的服务器端软件，相对于树大招风的微软的w i n d o w s 操作系统而言，在 稳定性和安全性方面是非常高的。但是就作为安全网关产品来说，我们采用的 l i n u x 操作系统也显得力不从心。 ， 针对以上问题，本课题着力研究以下几方面的内容：， 4 ( 1 ) 将s s l v p n 的访问控制策略，与l i n u x 系统的安全访问机制相结合起来， 提高s s l v p n 的整体效率； ( 2 ) 对l i n u x 系统进行安全性增强； ( 3 ) 对l i n u x 系统下的s s l v p n 进行性能测试与分析。 1 4 论文结构 “ 本文对s s lv p n 系统中的服务器的实现做了较为深入的研究，后面的研究 工作主要集中在： 。 1 ) 介绍了虚拟专用网技术的发展现状和特点，分析了各种v p n 技术( 隧道 技术、加密技术及相关技术) 。 2 ) 对s s lv p n 涉及到的重要理论做了详细的研究，这主要包括s s l 协议 的工作原理，s s l 协议中所使用的加密认证技术及算法的选择。 3 ) 对本课题中所使用的s s l v p n 的承载平台l i n u x 操作系统进行了安全性 分析。 。， ， 4 ) 对s s l v p n 系统进行总体设计，并对实现中的涉及到的核心技术进行介 绍和分析，同时对l i n u x 系统现有的安全性缺陷，提出了具体的安全增强方案。 5 ) 通过设计实现一个s s lv p n 网关的实例，将s s lv p n 网关与l i n u x 的 核心安全访问控制机制有机的结合在一起，并在此基础上对s s lv p n 服务器的 性能做了测试，对结果进行深入的研究，同时提出了一些提高性能的想法。 第2 章虚拟专用网 2 1 虚拟专用网技术 。 虚拟专用网v p n 并不是真正的专用网络，但却能够实现专用网络的功能， 虚拟专用网指的是依靠i s p 和其他n s p ，在公用网络中建立专用的数据通信网络 技术。在虚拟专用网中，任意两个节点之间的连接并没有传统专用所需的端到端 的物理链路，而是利用某种公众网的资源动态组成的。 v p n 技术涉及的范围很广，包括通信技术、密码技术和认证技术。目前， v p n 技术主要包括两种技术：隧道技术和加密技术。 。 ” 。 2 2 隧道技术 隧道技术是一种通过使用互联网络的基础设施在网络之间传递数据的方式， 使用隧道传递的数据可以是不同协议的数据帧或包。隧道协议将这些其他协议的 数据帧或包重新封装在新的包头中发送。新的包头提供了路由信息，从而使封装 一。 ， 的数据能够通过互联网络传递。被封装的数据包在隧道的两个端点之间通过公共 互联网络进行路由。被封装的数据包在公共互联网络上传递时所经过的逻辑路径 称为隧道。一旦到达网络终点，数据将被解包并转发到最终目的地。隧道技术包 括了数据封装、传输和解包在内的全部过程。7 而要使数据顺利地被封装、传输和解包，隧道协议的作用是非同小可的。目 前v p n 隧道协议主要有4 种：p p t p ( 点对点隧道协议) 、l 2 t p ( 第2 层隧道协 议) 、i p s e c ( 网络层隧道协议) 以及s o c k sv 5 ，它们在o s i 七层结构中的位置 如表2 1 所示。各种协议工作在不同层次，以满足不同的需求。 。 表2 1 常用隧道协议在o s i 七层模型中的位置 o s i 七层模型安全技术安全协议 应用层 应用代理 表示层 会话层 会话代理s o c k sv s s s l 传输层 网络层i p s e c 数据链路层包过滤p p t p 、l 2 f 、l 2 t p 物理层 ( 1 ) 点到点隧道协议p p t p “ 。 ， p p t p 将p p p 作为远程访问协议，用来在基于t c p i p 的网络上发送协议数据。 p p t p 可以建立隧道或将i p 、i p x 或n e t b e u i 协议封装在p p p 数据包内。这意味 着可以远程运行依赖特殊网络协议的应用程序。隧道服务器执行所有的安全检查 和验证，并启用数据加密，使得在不安全的网络上发送信息变得更加安全。目前 p p t p 协议在新的v p n 产品中应用很少了。 ( 2 ) 第二层隧道协议l 2 t p 现代的l 2 t p 结合了p p t p 协议和l 2 f 协议的优点，能以隧道方式使p p p 数 据包通过各种网络协议，包括帧中继、x 2 5 和a t m 。但是l 2 t p 没有任何的加 6 密措旌，它使用i p s e c 协议加密保障隧道客户端和服务器之间数据流的安全。 ( 3 ) i p s e c 协议 。 i p s e c 协议是一个范围广泛，开放的v p n 安全协议。i p s e e 适应向i p v 6 迁 移，它提供所有在网络层上的数据保护，提供透明的安全通信。i p s e c 用密码技 术提供以下安全服务：接入控制，无连接完整性，数据源认证，防重放，加密，。 防传输流分析。 一 一 i p s e c 协议可以设置成在两种模式下运行：一种是隧道( t u n n e l ) 模式，一 种是传输( t r a n s p o r t ) 模式。在隧道模式下，口s e c 把i p v 4 数据包封装在安全的i p 帧中。传输模式是为了保护端到端的安全性，即在这种模式下不会隐藏路由信息。 隧道模式是最安全的，但会带来较大的系统开销。在1 9 9 9 年底，i e t f 安全工 作组完成了口s e e 的扩展，在i p s e e 协议中加上i s a k m p ( i n t e m e ts e c u r i t y a s s o c i a t i o na n dk e ym a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) 协议，其中还包括密钥分配协 议i k e 、o a k l e y 。i s a k m p i k e o a l d e y 支持自动建立加密、认证信道，以及 密钥的自动安全分发和更新。 ， 结合l 2 t p 和i p s e c 的特点，一种应用趋势是将l 2 t p 和i p s e c 结合起来使 用，用l 2 t p 作为隧道协议，用t p s e c 协议保护数据。目前，市场上大部分的v p n 产品采用这一类技术。 ， 但i p s e c 协议的局限性在于，除了包过滤外，它没有指定其他访问控制方法i ； 对于移动用户而言，如果处于某个防火墙之内，很可能就无法使用i p s e c 访问远 程网络。 ( 4 ) s o c k s v 5 协议；j ” s o c k sv 5 工作在o s i 模型中的第五层一会话层，可作为建立高度安全的 v p n 的基础。它们的优势在访问控制。因此适用于安全性较高的v p n 。 s o c k sv 5 支持非常详细的访问控制。在网络层只能根据源i p 地址或目的 i p 地址允许或拒绝数据包通过，而在会话层控制手段更多一些。由于工作在会 话层，能同低层协议，如i p v 4 、i p s e c 、p p t p 、l 2 t p 一起使用。用s o c k sv 5 代理服务器可隐藏网络地址结构，能为认证、加密和密钥管理提供“插件”模块， 让用户自由地采用所需的技术。此外还可根据规则过滤数据流，包括j a v a a p p l e t 和a c t i v e s 控制。s o c k sv 5 的缺点是性能比低层协议差，必须制定更复杂的安 全管理策略。 2 3 加密技术 在v p n 中，对通过公共互联网络传递的数据必须经过加密，从而确保网络 上未授权的用户无法读取信息。可以说密码技术是网络安全的核心问题。在v p n 中更是如此。 数据加密的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法处理，使其 成为不可读的一段代码，通常称为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才 能显示出本来内容。通过这样的途径来达到保护数据不被非法人员窃取、阅读的 目的。 ， ， 2 3 1 两种加密技术 。 加密技术通常分为两大类：对称式和非对称式。 对称式加密就是加密和解密使用同一个密钥。 非对称式加密就是指加密和解密所使用的不是同一个密钥。通常有两个密 钥：公钥和私钥，它们两个必须配对使用，否则不能打开加密文件。 2 3 2 数字证书 。 。 数字证书是互联网通信中标志通信各方身份信息的一系列数据，提供了一种 在i n t e m e t 上验证你身份的方式。简单说来，数字证书是一个经证书授权中心 ( c a ) 数字签名的包含公开密钥拥有者信息以及公开密钥的文件。最简单的证 书包括一个公开密钥、名称以及证书授权中心的数字签名。一般情况下证书中还 包括密钥的有效时间、发证机关的名称、该证书的序列号等信息。证书的格式遵 循i t u t x 5 0 9 国际标准。 2 3 3摘要算法 ， 摘要是一种防止改动的方法，其中用到的函数叫摘要函数。摘要有这样一个 性质：如果改变了输入消息中的任何东西，甚至只有一位，输出的摘要将会发生 不可预测的改变。也就是说输入消息的每一位对输出摘要都有影响。总之，摘要 算法从给定的文本块中产生一个数字签名，数字签名可以用于防止有人从一个签 名上获取文本信息或改变文本信息内容和进行身份认证。现在比较流行的摘要算 法有m d 5 和s h a 1 。 ， 2 3 4 密钥交换和管理 4 + 密钥既然要求保密，这就涉及到密钥的交换和管理问题。v p n 中密钥的分 发与管理非常重要。密钥的分发有两种方法：一种通过手工配置，另一种采用密 钥交换协议动态分发。手工配置的方法由于密钥更新困难，只适合安全要求较低 的情况。密钥交换协议采用软件方式动态生成密钥，适合于复杂网络的情况且密 钥更新快，可以显著提高v p n 的安全。目前主要的密钥交换与管理协议有i k e ( 互联网密钥交换) 、s k i p 和o a k l e y 2 4v p n 的应用领域 “ 根据用户使用的情况和应用环境的不同特点，v p n 技术可分为以下几种应 用方式，并且在各种不同应用方式下采用的隧道协议也有所不同。 ( 1 ) 内联网v p n ( i n t r a n e tv p n ) 。 内联网v p n 业务用于连接公司内部各办事处，可以建立企业总部及分支机 构问的安全连接，为企业现有的专线网络增加或建立新的带宽。i p s e c 隧道协议 可满足所有网关到网关的v p n 连接，因而成为这类应用方式的首选安全协议。 ( 2 ) 外联网v p n ( e x t r a n e tv p n ) 外联网v p n 业务用于将公司与外部供应商、客户及其他利益相关群体相连 接。外联网使公司与其相应客户之间能进行电子商务等活动。其最主要的好处是 改善提供商务的速度和效率。由于不同公司的网络相互通信，所以有一系列的技 术问题需要首先考虑。例如，设备的互连、网络地址的规化、验证授权机制等。 它也属于网关到网关的连接，也可选用i p s e e 协议。 ( 3 ) 远程接入v p n ( a c c e s s v p n ) 5 8 a c c e s sv p n 一般工作模式为客户端到网关。 远程用户只需要拨入本地的i s p ，然后通过a c c e s sv p n 访问公司内部网络。 它适用于在外是工远程办公，可大大降低远程拨入企业网的通信费用s s l 和 s o c k sv 5 协议适合这一类连接。 9 第3 章s s l 协议分析及安全性研究 3 1s s l 协议分析 s s l 是在i n t e m e t 基础上提供的一种保证私密性的安全协议，它能使客户 服务器应用之间的通信不被攻击者窃听，并且始终对服务器进行认证，还可以选 择对客户进行认证。s s l 协议要求建立在可靠的传输层协议之上。s s l 协议的优 势在于它是与应用层协议独立无关的。高层的应用协议( 如h r r p 、f t p 、t e l n e t ) 能透明的建立手s s l 协议之上。s s l 协议在应用层协议通信之前就已经完成加 密算法、通信密钥的协商以及服务器认证工作。在此之后应用层协议所传送的数 据都会被加密，从而保证通信的私密性。 3 1 1s s l 协议体系结构 s s l 不是单个协议，而是两层协议。如图3 1 所示。 应用层协议 s s ls s l 修改s s l 握手协议密码协议报警协议 s s l 记录层协议 t c p i p 。 图3 1s s l 协议栈 底层为记录层协议( r e c o r dp r o t o c 0 1 ) ，实现对数据的分块、加密解密、压缩 与解压缩、完整性检查、封装各种高层协议。高层为握手层，它由三个并列的协 议构成；握手协议( h a n d s h a k ep r o t o c 0 1 ) 、修改密码参数协议( c h a n g ec i p h e rs p e e p r o t o c 0 1 ) 、报警协议( a l e r tp r o t o c 0 1 ) ，主要用来产生会话状态的密码参数、当 s s l 客户方与服务器开始通信时协商协议版本、选择密码算法、进行身份认证， 使用公开密钥技术产生共享密钥。 3 1 2s s l 记录层协议 。 记录层用来处理由高层获得的数据，主要是握手消息、报警消息、改变密钥 参数消息和应用数据消息，所有这些要传输的数据都被封装在记录中，记录由记 录头和长度不为零的记录数据组成的。记录层首先将这些任意长度的数据进行分 块，每块的最大长度为2 1 4 字节。每个数据块结构中都包含数据类型、协议版本 信息和要传输的数据，然后对每个数据块进行压缩，压缩后的数据按照握手过程 中协商的散列算法计算m a c ，并将压缩后数据连同m a c 一起用握手过程中协 商的加密算法进行加密，发送给接收方，接收方的记录层收至o 后首先解密，然后 根据m a c 对数据进行验证，再经过解压，合并。针对不同的数据类型分别交给 握手层的不同部分进行处理。当使用块加密算法时，如果数据的长度不是块长度 的整数倍，需要对数据进行填充，此时记录的数掘部分将包含三部分：消息验证 码m a c 、实际数据和填充数据。 1 0 应用数据 分片 增加m a c 加密 增加s s l 记录首部 图3 2 记录层工作流程 ， 记录层协议工作流程如图3 2 所示。详细步骤如下【2 l 】： ( 1 ) 将上层数据分成适当大小的块。每个块的大小不得超过2 1 4 字节( 1 6 3 8 2 字节) 。 ( 2 ) 对数据块进行压缩，压缩不能丢失信息，并且增加的长度不能超过1 0 2 4 字节 ( 3 ) 在压缩后的数据上计算消息认证码m a c 。为了这个目的，需要使用共 享的密钥。计算定义如下： h a s h ( m a c _ w r i t e _ s e c r e t l l p a d _ 2 h a s h ( m a cw r i t e _ s e c r e t l l p a d _ li l s e q _ n u m l l s s l c o m p r e s s e d t y p e 1 s s l c o m p r e s s e d 1 e n g t h l s s l c o m p r e s s e d f i a g m e n t ) ) 。 其中 ， i l = 连接 m a cw r i t es e c r e t = 共享的密钥 h a s h = 加密散列算法；或者是m d 5 或者s h a 1 p a d - 1 = 对于m d 5 重复4 8 次( 3 8 4 比特) ，对于s h a 1 重复4 0 次( 3 2 0 比特) 的字节0 x 3 6 ( 0 0 1 1 0 1 1 0 ) p a d 一2 = 对于m d 5 重复4 8 次，对于s h a 1 重复4 0 次的字节0 x 5 e ( 0 1 0 1 1 1 0 0 ) s e qn u r n = 这个报文的序号 s s l c o m p r e s s e d t y p e = 用来处理这个块的更高级的协议 s s l c o m p r e s s e d 1 e n g t h = 这个压缩块的长度 s s l c o m p r e s s e d f r a g m e n t = 压缩块( 如果不使用压缩时就是明文块) ( 4 ) 使用同步加密算法对压缩报文加上m a c 进行加密加密对内容长度的 增长不可以超过1 0 2 4 字节，因此总长度不可以超过2 1 4 + 2 0 4 8 ( 5 ) 对于流加密，压缩报文加上m a c 被加密。对于分组加密，在m a c 之 后，加密之前可以增加填充。填充是由表示填充长度的字节跟着一定数 目的填充字节组成的：填充字节的数目是使得要加密的数据( 明文加上 m a c ，再加上填充) 的总长度成为加密分组长度整数倍的最小数目。 一囫一一圆l盔一一 举个例子，一个5 8 字节的明文( 如果使用压缩，就是压缩正文) ，带有 2 0 字节的m a c ，使用分组长度为8 字节的算法进行加密( 例如d e s ) 。 加上填充长度字节，产生的总长度为7 9 字节，为了使得总长度为8 的 整数倍，需要增加一个字节的填充。 0 + ( 6 ) s s l 记录协议处理的最后个步骤是附加一个首部。该首部由下面一些 字段组成： ， 内容类型( 8 比特) ：用来处理这个包装的数据块的更高层协议； 主要版本( 8 比特) ：指示使用s s l 的主要版本。对于s s l v 3 ，字段值为3 ； 次要版本( 8 比特) ：指示使用的次要版本。对于s s l v 3 ，字段值为o ； 。压缩长度( 8 比特) ：明文数据块以字节为单位的长度( 如果使用压缩就是 压缩数据块) 。最大值是2 1 2 0 4 8 ； 对于接收方的记录层，其工作步骤是：取i = 1 , 2 ，3 ，k ，依次执行1 - 6 的步 骤： ( 1 ) 接收发送方发送的数据r ，； ( 2 ) 去掉r 的记录头，从中得到加密后的数据部分e 。； + ( 3 ) 对e 解密，得到s 。； 。r ，。t 嗥 。，。， ( 4 ) 从s 中分解出n ，和m a c ( n 。) 。如果有填充数据，还要去掉填充数据； ( 5