信息网络安全：原理、技术及应用 课件 第1章 通信安全概述

通信安全基础第一章通信安全概述通信安全的概念安全威胁与攻击安全服务与机制通信安全体系一二三四1、什么是通信广义--任何信息的交流传递狭义--以电为载体进行的信息交流池馆寂寥三月尽，落花重叠盖莓苔。惜春眷恋不忍扫，感物心情无计开。梦断美人沉信息，目穿长路倚楼台。琅玕绣段安可得，流水浮云共不回。《暮春怀故人》南唐•李中日常生活音信、消息2、信息的内涵1928年，美国电子工程师哈特莱(R.V.LHartley)在《信息传输》中提出：信息是指有新内容、新知识的消息。1948年，信息论奠基人香农在《通信的数学理论》中提出：信息是用来消除随机不确定性的东西。控制论的创始人维纳认为：信息是人与外部世界相互交换的内容和名称。美国信息管理专家霍顿定义：信息是为了满足用户决策的需要而经过加工处理的数据。科学领域2、信息的内涵信息是对客观世界中各种事物的运动状态和变化的反映，是客观事物之间相互联系和相互作用的表征，表现的是客观事物运动状态和变化的实质内容。认识论2、信息的内涵2、信息的内涵物质在工业化前的社会中起着关键作用能量在工业化社会中起着核心作用信息对当今社会的作用举足轻重信息产业的产值占国民生产总值（GNP）发达国家占比40%~60%（年增长率是传统产业的３至５倍）新兴工业国家占比25%~40%发展中国家占比25%以下3、安全的概念古汉语是故君子安而不忘危，存而不忘亡，治而不忘乱，是以身安而国家可保也。——《周易•系辞下》英语词典Securityisthequalityorstateofbeingsecure—tobefreefromdanger.现代汉语词典安全就是不受威胁，没有危险、危害、损失。3、安全的概念安全的特有属性：没有危险没有外在威胁没有内在隐患安全的原则：客观上不存在威胁，主观上不存在恐惧安全是相对的：没有绝对的安全，任何事物都包括不安全的因素，具有一定的危险性，当危险低于某种程度时，就可认为是安全的3、安全的概念安全是一个多因素、多环节、动态复杂的系统工程涉及技术、管理、环境等多个维度培养系统的总体安全观，从全局视角理解安全问题的内在联系与动态变化，统筹考虑技术防护、风险评估、应急响应等环节，构建多层次、多维度的安全体系4、通信安全的定义通信是载体：信息通过通信系统和网络传输安全是目标：保障信息在传输过程中的机密性、完整性和可用性通信安全体系：需要从技术、管理和策略等多个维度入手，构建动态防御体系，以应对不断变化的威胁环境通信安全是指通过技术手段和管理措施，确保信息在传输过程中不被非法窃听、篡改、伪造或毁坏，保障通信的机密性、完整性和可用性。5、通信安全的目标机密性：信息不泄漏给未授权者完整性：信息在传输过程中未被未授权篡改或者毁坏可用性：确保信息能够在需要的时间和地点被合法用户访问和使用1、通信的脆弱性网络的匿名性和开放性通信网络协议栈本身的脆弱性操作系统的自身漏洞人为因素1、通信的脆弱性网络的匿名性和开放性1、通信的脆弱性通信网络协议栈本身的脆弱性1、通信的脆弱性通信网络协议栈本身的脆弱性物理层–如线路窃听、破坏设备电缆或电话线监听红外监听光纤监听物理设备破坏1、通信的脆弱性通信网络协议栈本身的脆弱性链路层–如ARP欺骗A广播ARPRequest询问B的MAC地址黑客冒充B持续发送ARPReply给AA以为接收的是B的MAC地址，但实际是黑客的MAC地址后果：A发送的数据包会发给黑客1、通信的脆弱性通信网络协议栈本身的脆弱性网络层

–如ICMP洪水攻击ICMP（Internet控制报文协议）-用于在主机和路由器之间传递控制消息ICMP常用命令：ping-探测本机与网络中另一主机是否可达当ping产生的大量回应请求超出了系统的最大限度，以至于系统耗费所有资源来进行响应直至再也无法处理有效的网络信息流ICMP洪水攻击主要的目的使网络瘫痪1、通信的脆弱性通信网络协议栈本身的脆弱性传输层–如TCP洪水攻击TCP连接：采用三次握手建立攻击者向Server发起大量TCP连接请求报文只请求不确认与Server建立连接攻击造成大量未完全建立的TCP连接，占用Server1、通信的脆弱性通信网络协议栈本身的脆弱性应用层

–如缓冲区溢出攻击缓冲区是内存中存放数据的地方。在程序试图将数据放到内存中的某一个位置的时候，如果没有足够的空间就会发生缓冲区溢出通过往程序的缓冲区写超出其长度的内容，造成缓冲区溢出，使程序转而执行其它指令，以达到攻击的目的1、通信的脆弱性操作系统的自身漏洞客观原因受编程人员的能力、经验和当时安全技术所限，在程序中难免会有不足之处，轻则影响程序效率，重则导致非授权用户的权限提升。硬件原因由于硬件原因，使编程人员无法弥补硬件的漏洞，从而使硬件的问题通过软件表现。人为原因在程序编写过程中，为实现不可告人的目的，在程序代码的隐藏处保留后门。1、通信的脆弱性人为因素无意的行为恶意的行为操作失误安全配置不当口令选择不慎转借或共享账号等出于政治的、经济的、商业的、或者个人的目的病毒及破坏性程序、网络黑客在Internet上大量公开的攻击手段和攻击程序2、安全威胁互联网安全术语标准（RFC4949）：安全威胁是破坏安全的潜在可能，在环境、能力、行为或事件允许的情况下，它们会破坏安全，造成危害。也就是说，安全威胁是脆弱性被利用而可能带来的危险。类型（1）监听威胁（2）篡改威胁（3）伪造威胁（4）中断威胁2、安全威胁（1）监听威胁系统接入了一个非授权方，非授权方可以是一个人，一台计算机，一个程序。如搭线窃听，文件或程序的不正当拷贝等。主要破坏通信安全的什么目标?机密性2、安全威胁（2）篡改威胁一个非授权方不仅介入系统而且在系统中“瞎捣乱”。如改变数据文件，改变程序使之不能正确执行，修改信件内容等。主要破坏通信安全的什么目标?完整性2、安全威胁（3）伪造威胁一个非授权方将伪造的客体插入系统。如在网络中插入假信息，或在文件中附加记录等。主要破坏通信安全的真实性（该用户是他声称的那个人，以及系统的每个输入均来自可信任的信源）。2、安全威胁（4）中断威胁使信息系统毁坏或不能使用。如硬盘等硬件的毁坏，通信线路的切断，网络的瘫痪，文件管理系统的崩溃等。主要破坏通信安全的什么目标?可用性3、安全攻击互联网安全术语标准（RFC4949）：安全攻击是对系统安全的攻击，它来源于一种具有智能的威胁，即有意违反安全服务和侵犯系统安全策略的（特别是方法和技术方面的）智能行为。类型（1）被动攻击：试图获取和利用系统的信息但并不影响系统资源。（2）主动攻击：试图改变系统资源或影响系统运行。3、安全攻击某实体假装别的实体伪装主动攻击重放攻击者将获取的有效信息以重播的方式产生非授权的效果攻击者修改合法消息的一部分或者延迟消息的传输或改变消息的顺序以获得非授权的效果消息篡改拒绝服务攻击者阻止或破坏网络的正常使用或管理被动攻击信息内容泄露攻击者获取传输信息的内容流量分析攻击者获得消息的模式，例如可以确定通信主机的身份及位置、观察消息的频率和长度，推断本次通信的性质。3、安全攻击主动攻击被动攻击目标：试图了解或利用信息但不影响系统资源。目标：试图改变系统资源或影响系统运行。特点：难以检测，重点在预防。特点：难以预防，但容易检测。4、破坏安全的实例2010年“维基泄密”陆续公开美军有关伊拉克和阿富汗战争的军事文件是美国乃至世界历史上最大规模的一次泄密事件，引起世界各国政府对信息安全工作的重视和反思为防止军事机密泄露，美国军方已下令禁止全军使用USB存储器、CD光盘等移动存储介质4、破坏安全的实例2010年6月，震网（Stuxnet）病毒首次被发现席卷全球工业界，能够对攻击目标实施精确打击，主要感染和控制工业控制系统第一个复杂的网络武器，首次作战应用于对伊朗核实施的瘫痪和破坏，大大延迟了伊朗的核计划进程利用了Windows系统的“零日漏洞”，通过移动介质传播，能够对物理隔离的网络发动攻击4、破坏安全的实例2011年12月，643万CSDN用户信息泄露天涯论坛、人人网、网易土木论坛、太平洋电脑网等多个网站类似遭遇个人数据保护将得到空前关注4、破坏安全的实例2013年，沸沸扬扬的“棱镜门”前CIA职员爱德华·斯诺登通过英国《卫报》和美国《华盛顿邮报》，披露美国国家安全局NSA有一项代号为“棱镜”的秘密项目美国国家安全局和联邦调查局通过九大网络巨头的服务器，监控美国公民乃至全世界的电子邮件、聊天记录、视频及照片等资料全球信息监控4、破坏安全的实例2022年2月24日，俄乌冲突爆发当天，美国Viasat遭遇“断网”这次断网不仅影响了民用通信，还对乌克兰的军事和应急响应能力产生了负面影响地面网入侵+远程访问卫星网：攻击者利用错误配置的VPN设备入侵卫星网管理后台，向数万用户Modem下发破坏性指令，从而造成断网。为恢复网络服务，Viasat为用户更换了近3万个调制解调器卫星网络安全5、通信安全趋势人工智能机器学习物联网量子计算5G/6G卫星通信大模型与生成式AI区块链大数据可信执行环境1、OSI安全架构

1977年，国际化标准组织（ISO）制定开放式通信系统互联参考模型（OSI/RM）。网络通信分为七层，从低到高分别是：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。OSI安全架构建立在OSI参考模型基础上，为网络安全通信提供了系统化的框架。核心思想：网络安全通信可以通过分层的方式实现，每一层都可以提供相应的安全服务，而这些安全服务则由具体的安全机制来支撑。1、OSI安全架构

以实现完备的网络安全功能为目标，OSI安全架构详细描述了5类安全服务，以及支撑这些服务的8种安全机制和相应的安全管理，并建议将这些安全服务配置在OSI七层模型的相应层次上，以构建分层的网络安全体系。2、安全服务互联网安全术语标准（RFC4949）：安全服务是一种由系统提供的对系统资源进行特殊保护的处理或通信过程，安全服务通过安全机制来实现。OSI安全架构定义了5类基本安全服务认证访问控制数据完整性数据机密性不可否认性2、安全服务（1）认证服务：保证通信的实体是它所声称的实体。认证服务的两种类型实体认证：验证实体身份的真实性数据源认证：验证数据来源的真实性2、安全服务（2）访问控制服务：防止对资源的未授权使用。谁能访问资源？在何种条件下可以访问？这些访问的资源可用于做什么？（访问权限）2、安全服务（3）数据机密性服务：保护信息不泄漏或不暴露给那些未授权的实体。数据机密性服务的四种类型连接机密性：保护一次连接中所有用户数据无连接机密性：保护单个数据块中的所有用户数据选择域机密性：对一次连接或单个数据块中指定的数据部分提供机密性流量机密性：保护那些可以通过观察流量而获得的信息2、安全服务（4）数据完整性服务：保证收到的数据的确是授权实体所发出的数据（即没有修改、插入、删除或重放）。数据完整性服务的五种类型恢复连接完整性无恢复连接完整性选择域连接完整性无连接完整性选择域无连接完整性2、安全服务（5）不可否认性服务：防止通信方否认已发生的通信交互过程及其内容。两种类型起源的不可否认接收的不可否认2、安全服务（6）可用性服务：确保系统、数据或服务在需要时能够被授权用户正常访问和使用。可用性服务的目标系统或服务在需要时能够正常运行数据和资源能够被授权用户访问防止由于攻击、故障或其他原因导致的服务中断3、安全机制互联网安全术语标准（RFC4949）：用来检测、阻止攻击或者从攻击状态恢复到正常状态的过程（或实现该过程的设备）。3、安全机制OSI安全架构定义了8类特定安全机制和5类普遍安全机制特定安全机制：在特定的协议层实现，如TCP或应用层协议加密、数字签名、访问控制、数据完整性、认证交换、流量填充、路由控制、公证普遍安全机制：不局限于任何协议层或OSI安全服务可信功能、安全标签、事件检测、安全审计跟踪、安全恢复3、安全机制特定安全机制加密运用数学算法将数据转换成不可知的形式。数据的变换和还原依赖于算法和密钥。数字签名附加于数据单元之后的一种数据，它是对数据单元的密码变换，使得（如接收方）可证明数据源和完整性，并防止伪造。访问控制对资源行使访问控制的各种机制。数据完整性用于保证数据单元或数据单元流的完整性的各种机制。认证交换通过信息交换来保证实体身份的各种机制。流量填充在数据流空隙中插入若干位以阻止流量分析。路由控制能够为某些数据选择特殊的物理上安全的路线并允许路由变化（尤其是在怀疑有侵犯安全的行为时）。公证利用可信的第三方来保证数据交换的某些性质。3、安全机制安全机制与安全服务的关系1、COMSEC体系①传输安全

②密码安全④物理安全③辐射安全CommunicationsSecurity1、COMSEC体系①传输安全TransmissionSecurityorTRANSECisthecomponentofCOMSECwhichisdesignedtoprotecttransmissionsfromunauthorizedintercepts,trafficanalysis,imitativedeceptionanddisruption.1、COMSEC体系②密码安全CryptographicSecurityorCryptosecurityisthecomponentofCOMSECwhichresultsfromtheuseoftechnicallysoundcryptosystems,andfromtheirproperuse.1、COMSEC体系③辐射安全EmissionsSecurityisthecomponentofCOMSECwhichresultsfromallmeasurestakentopreventcompromisingemanationsfromcryptographicequipmentortelecommunicationssystems.1、COMSEC体系④物理安全PhysicalsecurityisthecomponentofCOMSECthatresultsfromallphysicalmeasurestosafeguardcryptographicmaterials,information,documentsandequipmentfromaccessbyunauthorizedpersons.1、COMSEC体系美国防通信系统通过分层设计、专网专用、加密处理和物理隔绝等措施，充分体现了COMSEC的核心要素，并展示了军事专用互联网在通信安全领域的技术特征和发展趋势。1、COMSEC体系产品类别应用场景具体对象Type1NSA设计Top

SecretSuiteA算法：AES(256),BATON,FIREFLY,HAVEQUICK,…设备：KG-84,KIV-7,KY-57andKY-99Type2NSA认证SecretSuiteA算法：CORDOBA,KEAandSKIPJACK设备：Cypriscyptochip，Fortezza(Plus)cryptocardsType3NIST认证ConfidentialSuiteB算法：DES，AES，SHA，DSAType4在NIST备案，非政府机构的一般场景美国国家安全局（NSA）将加密设备分为四种产品类型，将算法分为两类1、COMSEC体系

1972年，美国国家安全局（NSA）进行了一项代号为TEMPEST的机密研究，该文档在2007年被部分解密TEMPES：TransientElectromagneticPulseEmanationSurveillanceTechnology瞬时电磁脉冲辐射监测技术2、互联网TCP/IP安全体系TCP/IP参考模型TCP/IP安全体系基于TCP/IP参考模型的安全体系，包括网络接口层安全、网络层安全、传输层安全、应用层安全。在不同层次，可增加不同安全策略和措施。互联网的事实上的参考模型。它基于一组用于实现网络互连的TCP/IP通信协议，从下到上分成四个层次：网络接口层、网络层、传输层、应用层。2、互联网TCP/IP安全体系网络接口层安全物理层安全由网络环境及物理特性产生的网络设施和线路安全，如设备问题、意外故障、信息探测与窃听等。采用隔离技术保证网络在逻辑上能够连通，同时从物理上隔断，并加强实体安全管理与维护。数据链路层安全由于以太网上存在交换设备并采用广播方式，可能在某个广播域中侦听、窃取并分析信息。为此，利用链路加密设备对所有用户数据一起加密，通过通信线路到另一节点后解密。2、互联网TCP/IP安全体系网络层安全网络层的功能主要用于数据包的网络传输，其中IP协议是整个TCP/IP协议体系结构的重要基础，TCP/IP中所有协议的数据都以IP数据包形式进行传输。为了防止IP欺骗、ICMP攻击等，在网络层实施IP认证机制；为了确保路由表不被篡改，在网络层实施数据完整性机制。IPv6协议提供两种安全机制：认证头（AH）协议、封装安全载荷（ESP）协议。2、互联网TCP/IP安全体系传输层安全传输层的功能是负责实现源主机和目的主机上的实体之间的通信，用于解决端到端的数据传输问题。提供两种服务：一种是可靠的、面向连接的服务（TCP协议）；一种是无链接的数据包服务（UDP协议）。传输层的安全主要包括：传输与控制安全、数据交换与认证安全、数据保密性与完整性等。传输层安全由传输层安全协议（TLS）保证。TLS协议提供了身份认证、数据完整性和机密性服务。2、互联网TCP/IP安全体系应用层安全应用层的功能是直接为应用进程服务，实现不同系统的应用进程之间的互相通信，完成特定的业务处理和服务。应用层提供的服务有电子邮件、文件传输、虚拟终端和远程数据输入等。根据所传输不同内容的安全需求，在应用层建立相应的安全机制。例如，隐私增强邮件（PEM）是一种为电子邮件系统提供加密安全服务的协议；PGP是一种加密电子邮件系统，提供数字签名和加密功能；HTTPS是Web上使用的超文本传输协议（HTTP）的安全增强版本。TCP/IP安全体系3、传输安全模型3、传输安全模型提供传输安全服务应包含3个方面的设计内容安全变换算法，该算法攻击者应无法攻破秘密信息的产生、分配和共享通信协议，该协议利用安全算法和秘密信息实现安全服务4、访问安全模型入侵者人（黑客）恶意软件（病毒、蠕虫、木马）访问通道计算资源（处理器、内存和I/O）数据处理软件网络安全控制②②内部安全监管程序负责检测和阻止蠕虫、病毒、木马及其他类似的攻击①①门卫功能基于口令的登录，该过程只允许授权用户的访问5、防御安全模型

在整体安全策略的控制和指导下，综合运用防护工具（如防火墙、加密机、防病毒等手段）和检测工具（如隐患扫描、入侵检测等）了解和评估系统的安全状态，通过适当的安全响应，将系统保持或恢复到“最安全