网络基础安全 7

《网络安全与管理》第3章认证及密钥管理为什么说，保密和认证是网络安全中的两个最为重要的因素？本章通过对网络安全中认证理论、机制和方法的讨论，包括哈希函数、数字签名、数字证书、认证协议以及密钥的分配及管理等内容，旨在解决如何将认证及密钥管理技术应用于网络安全，以保障信息在网络传输过程中的完整性、真实性，尽可能防止遭受主动攻击。引言水因地而制流，兵因敌而制胜。故兵无常势，水无常形，能因敌变化而取胜者，谓之神。——《孙子兵法》（虚实篇）妙用兵法3.1消息认证3.2数字签名3.3身份认证3.4密钥管理本章小结小测验第3章认证及密钥管理了解网络安全中认证理论、机制和方法；掌握消息认证、数字签名的密码学基础；掌握网络身份认证方法。第3章认证及密钥管理数字签名的理论基础及应用方法；密钥的管理与安全使用。学习目标关键知识点消息认证是指消息的接收者对消息进行的验证，是一个证实收到的消息来自可信源点且未被篡改的过程。可用来消息认证的函数分为信息加密函数、消息摘要算法。信息加密函数是指用完整信息的密文对信息进行认证，包括对称密钥加密函数和公钥加密函数。消息摘要算法的主要特征是加密过程不需要密钥，并且经过加密的数据无法被解密，只有输入相同的明文数据经过相同的消息摘要算法才能得到相同的密文。消息摘要算法采用单向哈希函数H(M)从明文产生摘要密文，摘要密文又称为数字指纹。3.1消息认证

3.1.1哈希函数

3.1.1哈希函数3.哈希函数的应用消息认证消息认证是用来验证消息完整性的一种机制或服务。数字签名在数字签名中，哈希函数一般用来产生“消息摘要”或“消息指纹”。4.哈希函数的安全性3.1.1哈希函数1.MD5算法描述MD5以512bit分组处理输入文本，每个分组又划分为16个32bit子分组。算法的输出由4个32bit分组组成，将它们级联成一个128bit哈希值。MD5算法的工作原理如图所示。3.1.2消息摘要算法（MD）2.MD5的安全性MD5的安全性依赖于求解具有相同哈希值的两个消息在计算上是不可行的。一直以来认为，MD5加密验证的安全性都是非常高的。3.MD5的应用一致性验证数字证书安全访问认证3.1.2消息摘要算法（MD）安全哈希算法（SHA）是一个使用最为广泛的消息摘要函数，主要用于数字签名标准里面定义的数字签名算法（DSA）。SHA包含SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512等，分别输出160、224、256、384、512bit。SHA算法建立在MD4算法之上，其基本框架与MD4类似。SHA-1算法产生160bit的哈希值（比MD5多32bit），因此它有5个参与运算的32bit寄存器字，消息分组和填充方式与MD5相同，主循环也同样是4轮，但每轮进行20次操作，非线性运算、移位和加法运算也与MD5类似，但非线性函数、加法常数和循环左移操作的设计有一些区别。SHA-2与SHA-1类似，都使用了同样的迭代结构和同样的模算法运算与二元逻辑操作。3.1.3安全哈希算法（SHA）及SM3消息认证码（MAC）也称为密码校验和，是一种不依赖加密技术实现报文内容完整性验证方法。MAC是对信源消息的一个编码函数，是指消息被一密钥控制的公开哈希函数作用后产生的、用作认证符的、固定长度的数值。采用消息认证码通信双方需要共享一个密钥，以K来表示。同时，需要用于生成消息认证码的函数F。消息认证码除了能够认证报文内容的完整性之外，还能够用于报文源认证和报文顺序认证。MAC函数与加密虽然类似，但MAC方法与加密方法之间存在明显区别。3.1.4消息认证码数字签名（DigitalSignature）是实现认证的重要工具，它采用规范化的程序和科学化的方法，用于鉴定签名人的身份以及对一项电子数据内容的认证。数字签名可以提供其他方法难以实现的安全性，确保传输电子文件的完整性、真实性和不可抵赖性。3.2数字签名1.数字签名的基本概念接收方能够确认或核实发送方发送的消息签名，但不能伪造。发送方事后不能否认发送的消息签名。接收方对已收到的签名消息不能否认；因为有收报认证。第三方开源确认收发双方之间的消息传送，但不能伪造这一过程。数字签名具有信息认证、完整性检查、发送不可否认性功能，但不提供原文信息加密，不保证对方能否收到消息，也不对接收方的身份进行验证。3.2.1何谓数字签名2.数字签名的工作原理大多数数字签名都是使用公钥密码算法实现的。一个数字签名s附在所发送的消息m之后，并随同消息m一起被储存和传送，数字签名的基本原理如图所示。3.2.1何谓数字签名3.数字签名的实现方式实现数字签名有多种方法，采用较多的是公钥密码技术，如由RSA数据安全公司及其合作伙伴制定的一组公钥密码学标准(PublicKeyCryptographyStandards，PKCS)、数字签名算法(DigitalSignatureAlgorithm，DSA)、X.509、PGP等。按照数字签名的执行方式可以把数字签名分为：直接数字签名（DirectDigitalSignature）；仲裁数字签名（ArbitratedDigitalSignature）。3.2.1何谓数字签名1.RSA算法适于数字签名的证明2.利用RSA实现数字签名及验证设计密钥签名过程验证签名事实上，上述签名和验证过程是一种理想状况，在实际中并不可行。这不仅是因为对整个消息进行签名的速度非常慢，而且RSA算法还存在乘法攻击的可能性。3.2.2RSA签名体制

3.2.3Elgamal签名体制

3.2.4椭圆曲线密码数字签名体制

3.2.5SM2签名方案身份认证是指用户进入系统或访问不同保护级别的系统资源时，确认该用户身份是否真实、合法和唯一。基于网络工作原理，一切网络信息包括用户的身份信息都是用一组特定数据来表示的，系统只能识别用户的数字身份，所有对用户的授权也是针对用户数字身份的授权。如何保证以数字身份进行操作的操作者就是这个数字身份的合法拥有者，也就是说如何保证操作者的物理身份与数字身份相一致呢？这一直是网络安全研究的重要问题。目前已有系列的认证技术及措施，其中包括Kerberos认证交换协议、X.509目录认证服务、数字证书，以及其他一些实体认证技术。3.3身份认证1.Kerberos认证系统的基本功能Kerberos的设计目标就是针对这些安全威胁提供一种安全、可靠、透明、可伸缩的认证服务。安全。使网络窃听者不能获得必要的信息来伪装成另一客户机。可靠。对所有以Kerberos进行访问控制的服务来说，客户机无法通过Kerberos服务器的认证就意味着无法获得所需要的服务。透明。用户除了需要输入一个口令外，不必知道鉴别过程的存在以及细节。可伸缩。采用模块化、客户机/服务器模式，支持大量用户和服务器。3.3.1Kerberos认证系统2.Kerberos认证系统的组成认证服务器(AS)。AS是一个密钥分配中心（KDC），同时负责用户的AS注册、分配账号和密钥，负责确认用户并发布用户与TGS之间的会话密钥。票据授予服务器(TGS)。TGS负责发行服务器的票据，提供用户与服务器之间的会话密钥。Kerberos把用户认证与票据发行分开了。虽然AS只用对用户自身的ID认证一次，但为了获得不同的真实服务器票据，用户需要多次联系TGS。应用服务器。该服务器为用户提供服务。另外，Kerberos认证系统还有一个所有客户机和自己安全通信所需的秘密密钥数据库即KDC。3.3.1Kerberos认证系统3.Kerberos认证过程Kerberos认证系统的组成及认证过程如图所示，该系统为计算机系统之间的认证提供了技术手段。3.3.1Kerberos认证系统4.Kerberos认证系统的安全性1.简单认证在X.509所提供的简单认证方式中，最简单的一种运行方式为：用户将其口令及用户ID不做任何加密保护，直接以明文方式传送给接收端，如图所示。3.3.2X.509认证服务2.强认证X.509定义了一个高安全度的强认证机制。其认证程序使用公钥密码技术来识别通信双方。强认证分为单向、双向及三向3种认证方式，分别提供不同安全层次的安全认证。3.密钥及证书管理X.509的基础是公钥密码体制和数字签名，但其中未特别指明使用哪种密码体制(建议使用RSA)，也未特别指明数字签名中使用哪种哈希函数。X.509还定义了基于公钥证书的认证协议。X.509中定义的证书结构和认证协议已广泛应用于S/MIME、IPSec、SSL/TLS以及SET。3.3.2X.509认证服务1.数字证书的功能身份认证：数字证书的主要内容有证书拥有者的个人信息、证书拥有者的公钥、公钥的有效期、颁发数字证书的认证机构（CA）、CA的数字签名等。加密传输信息：数字证书认证技术采用了加密传输和数字签名技术，无论是文件、批文，还是合同、票据、协议、标书等，都可以经过加密后在互联网上传输。数字签名抗否认：在现实生活中用公章、签名等来实现的抗否认，在互联网上可以借助数字证书的数字签名来实现。3.3.3数字证书2.X.509数字证书的内容版本号：指出该证书使用了哪个版本的X.509标准（版本1、版本2或是版本3）。序列号：标识证书的唯一整数，是由证书颁发者分配给本证书的唯一标识符。签名算法标识符：用于数字证书的算法标识，由对象标识符加上相关的参数组成，用于说明该数字证书所用的数字签名算法。认证机构的数字签名：使用发布者私钥生成的签名，以确保这个证书在发放之后没有被篡改过。认证机构：证书颁发者的可识别名，是签发该证书实体的唯一CA的X.500名称。有效期：证书起始日期和时间以及终止日期和时间，指明证书在时间域内有效。主体信息：证书持有人唯一的标识符，持有人名称在互联网上是唯一的。3.3.3数字证书3.数字证书的管理和使用数字证书的获取通常，可以从CA获取数字证书。认证中心一般采用多层的树状分级结构组织，CA的树状结构可以被映射为证书链。图所示为一个简单的证书链。数字证书的颁发数字证书的撤销3.3.3数字证书4.基于数字证书的身份认证单向身份认证：发送者A对自己身份的证明，发送者单方面向接收者B提供认证消息。接收者收到认证消息后，只需利用发送者A的证书对消息的签名进行解密，并核对接收者B的身份、一次性随机数和时间戳，便可以达到认证发送者A身份的目的。双向身份认证：在单向身份认证的基础上，增加接收者B的应答，使发送者A能够对接收者B的身份进行认证，从而使通信双方相互确认身份。三向身份认证：双向身份认证的一种加强模式，适用于通信双方无法建立时钟同步的场合。3.3.3数字证书1.用户名/密码认证2.主体特征认证3.USBKey认证4.IC卡认证5.动态密码（也称动态口令）未来，身份认证技术将向更加安全、易用、多种技术手段相结合的方向发展。动态口令将会成为身份认证技术的发展方向之一，其易用性也将不断提高。3.3.4常用实体认证方法密钥是密钥算法在对信息进行加解密变换时所使用的秘密参数，是安全的关键所在，需要加强安全管理。密钥管理主要研究解决从密钥产生到销毁整个过程中的各种问题，包括密钥的生成、密钥的分配和协商、密钥的保护和存储、密钥的更换和注入、密钥的吊销及销毁。密码管理政策涉及用于密码管理的法律法规及制度等，主要为国家颁布的《中华人民共和国密码法》。密码测评则是对密码产品的安全性、合规性进行评估，确保其安全有效。在此主要讨论密钥管理问题。密钥管理的目的：一是保证密码系统对密钥的安全使用，并及时维护；二是保障密钥的绝对安全。3.4密钥管理1.密钥的种类基本密钥会话密钥密钥加密密钥主机主密钥2.密钥的分级保护主机主密钥密钥加密密钥会话密钥或文件密钥3.4.1密钥种类及分级保护1.基于对称密码体制的密钥分配密钥由用户A选取并通过物理手段发送给用户B。密钥由第三方选取并通过物理手段发送给用户A和B。如果用户A、B事先已有一密钥，则其中一方选取新密钥后，用已有的密钥加密新密钥并发送给另一方。如果用户A、B与第三方C分别有一个保密信道，则C为A、B选取密钥后，分别在两个保密信道上发送给A、B。这种方法比较常用，其中第三方是负责为用户分配密钥的中心（KDC）。3.4.2密钥的协商与分配2.基于公钥密码体制的密钥分配公开发布公用目录表公钥管理机构公钥证书公钥分配完成之后，用户就可以用公钥密码体制进行保密通信了。然而由于公钥加密的速度较慢，不太适合用于保密通信，但非常适于分配对称密码体制的密钥。3.4.2密钥的协商与分配

3.4.3Diffie-Hellman密钥交换2.D-H密钥交换算法描述整个D-H密钥交换流程如图所示。3.4.3Diffie-Hellman密钥交换3.D-H密钥交换算法的应用D-H密钥交换算法是一种确保共享密钥K安全穿越不安全网络的方法，目的是完成通信双方的对称密钥交互。D-H密钥交换机制的巧妙在于在不安全的环境下（有人侦听）也不会造成密钥泄露；然后用这个密钥可以进行加密和解密。D-H密钥交换算法已广泛应用于网络通信，比如https协议的TLS(TransportLayerSecurity)和IPsec协议的IKE(InternetKeyExchange)均以D-H密钥交换作为密钥交换算法。D-H密钥交换算法只能用于密钥的交换，而不能进行消息的加密和解密。3.4.3Diffie-Hellman密钥交换1.密钥管理基础设施（KMI）密钥管理基础设施（KMI）是一种密钥集中式管理机制，由密钥管理中心(KMC)提供统一的密钥管理服务，涉及密钥生成服务器、密钥数据库服务器和密钥服务管理器等组成部分。KMI适用于各种专用网，已成为目前应用较为广泛的密钥管理机制。静态分发：静态分发是在KMC和各所属用户之间建立信任关系的基础上，密钥由KMC统一生成、分发和更换的一种预配置技术。动态分发：动态分发是一种“请求-分发”机制，即与物理分发相对应的电子分发，一般用于建立实时通信中的会话密钥。3.4.4密钥管理机制2.公钥基础设施公开密钥基础设施（PKI）是一种遵循既定标准的密钥管理平台，适用于开放性网络。PKI基本组成：构建PKI也将围绕着这几大基础构件来完成。具体PKI体系结构如图所示。PKI的体系标准PKI的优势3.4.4密钥管理机制3.授权管理基础设施（PMI）本章小结认证是密码学在网络安全领域的一项重要应用。认证的基本思想是通过验证需认证实体的一个或多个参数的真实性和有效性，来确认是否名副其实。数字签名是通信双方在网络上交换信息用公钥密码，防止伪造和欺骗的一种身