计算机科学导论-计算思维程序实践 课件 L16 信息安全与网络空间安全

信息安全与网络空间安全101计划核心课程《计算机概论（计算机科学导论）》课程讲座潘理长聘教授，博士生导师上海交通大学第16讲信息安全与网络空间安全一、信息安全-内涵与外延二、加密解密原理三、网络安全威胁与防范四、网络空间安全(1)Cyber时代的信息安全——以网络购物场景为例

信息安全-内涵与外延CyberSecurity3(2)信息的生命周期——信息安全贯穿全周期

信息安全-内涵与外延创建（Construction）销毁（Destruction）更改（Modification）使用（Utilization）存储（Storage）传递（Transformation）(3)什么是安全——safetyorsecurity?

信息安全-内涵与外延(4)信息安全理解的两种观点

信息安全-内涵与外延信息安全分层结构面向应用的信息安全框架（工程角度）信息安全金三角结构面向属性的信息安全框架完整性可用性保密性信息安全：保护信息及信息系统免受未经授权的进入、使用、披露、破坏、修改、检视、记录及销毁。(5)信息安全要素信息安全-内涵与外延定义：信息本身的保密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）的保持，即防止未经授权使用信息、防止对信息的非法修改和破坏、确保及时可靠地使用信息。保密性：确保信息没有非授权的泄漏，不被非授权的个人、组织和计算机程序使用完整性：确保信息没有遭到篡改和破坏可用性：确保拥有授权的用户或程序可以及时、正常使用信息其他扩展：可鉴别性（真实性，不可抵赖，可计量性…）,可靠性，可控性，隐私….(5)信息安全CIA三要素

信息安全-内涵与外延不该知道的人，不让他知道！保密性属性：确保信息没有非授权的泄漏，不被非授权的个人、组织和计算机程序使用保密性Confidentiality(5)信息安全CIA三要素

信息安全-内涵与外延信息不能追求残缺美！完整性属性：确保信息没有遭到篡改和破坏完整性Integrity(5)信息安全CIA三要素

信息安全-内涵与外延信息要方便、快捷！可用性属性：确保拥有授权的用户或程序可以及时、正常使用信息可用性Availability(6)安全攻击信息安全-内涵与外延主动攻击：更改数据流，或伪造假的数据流。伪装（Masquerade)：即冒名顶替。一般而言，伪装攻击的同时往往还伴随着其他形式的主动攻击重放（Replay）：先被动地窃取通信数据，然后再有目的地重新发送篡改（Modification）：即修改报文内容。或者对截获的报文延迟、重新排序拒绝服务（DenialofService）：阻止或占据对通信设施的正常使用或管理。针对特定目标或是某个网络被动攻击：对传输进行偷听与监视，获得传输信息。报文分析：窃听和分析所传输的报文内容流量分析：分析通信主机的位置、通信的频繁程度、报文长度等信息(7)

从信息安全属性角度看常见攻击信息安全-内涵与外延正常信息流中断(Interruption)↔可用性修改(Modification)

↔完整性窃听(Interception)

↔机密性伪造(Fabrication)

↔

不可否认性四种常见攻击：中断窃听修改伪造(8)ISO/OSI安全体系结构内容信息安全-内涵与外延安全服务在对威胁进行分析的基础上，规定5种标准安全服务：对象认证服务、访问控制安全服务、数据保密性安全服务、数据完整性安全服务、防抵赖性安全服务(非否认性安全服务)。

安全机制基本机制：加密机制、数字签名机制、访问控制机智、数据完整性机制、认证交换机制、防业务流量分析机制、路由控制机制、公证机制等；其它普遍采用的机制：可信功能机制、安全标记机制、事件检测机制、安全审计追踪机制、安全恢复机制等；OSI安全体系结构说明了：实现哪些安全服务？应该采用哪些机制？(8)ISO/OSI安全体系结构内容——安全服务与安全机制关系信息安全-内涵与外延安全服务体现了安全系统的功能；而安全机制则是安全服务的实现。一个安全服务可由多个安全机制实现；一个安全机制也可用于实现多个安全服务中。安全目标完整性可用性保密性(9)基于风险评估的信息安全保障机制信息安全-内涵与外延信息安全风险评估低级：对于组织（处理能力、功能）、资产、个人造成有限的轻微的影响中级：对于组织（处理能力、功能）、资产、个人造成严重的影响高级：对于组织（处理能力、功能）、资产、个人造成巨大或灾难性的影响(10)信息安全和网络安全发展历程信息安全-内涵与外延第16讲信息安全与网络空间安全一、信息安全-内涵与外延二、加密解密原理三、网络安全威胁与防范四、网络空间安全(1)密码学的发展加密解密原理密码学——研究编制密码和破译密码的技术科学密码学是一个即古老又新兴的学科。密码学(Cryptology)一字源自希腊文"krypto's"及"logos"两字，直译即为"隐藏"及"讯息"之意密码学发展的二个阶段

古典密码（手工、机械阶段-1949）

现代密码（信息论:1949-1975）（计算机:1976-）(2)古典密码——基于移位与替换的加密加密解密原理凯撒密码明文密文加密密文明文解密NovemberQRYHPEHUQRYHPEHUNovember右移3个字母左移3个字母公元前1世纪(2)古典密码——典型解密原理加密解密原理破译方法：频率分析公元前9世纪阿拉伯的密码学家提出解密的频度分析方法单表替换密码字母频率统计(3)现代加密解密模型加密解密原理

加密和解密算法的操作通常都是在一组密钥的控制下进行的，分别称为加密密钥(EncryptionKey)和解密密钥(DecryptionKey)。数据的安全基于密钥而不是算法的保密。一个密码体系是安全的，其必要条件是穷举密钥搜索是不可行的。(4)分组密码-DES密码加密解密原理数据加密标准(DES)1977年称为美国联邦信息处理标准64位的分组长度和56位的秘钥长度初始和末尾有一个置换中间进行16轮Feistel函数，其作用产生明文和密文的混乱与扩散效果。分组密码以64bit的明文为一个单位进行加密秘钥通过固定的移位和置换函数产生16个子秘钥(4)分组密码-密码强度加密解密原理

思考：采用对称秘钥算法加密通信，通信双方如何获取秘钥？(4)公开秘钥密码体制加密解密原理公开密钥密码体制使用不同的加密密钥与解密密钥，是一种“由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的”密码体制。虽然秘密密钥SK是由公开密钥PK决定的，但却不能根据PK计算出SK。(4)公开秘钥密码体制-RSA密码算法加密解密原理RSA原理：根据数论，寻求两个大素数比较简单，而将它们的乘积分解开的复杂度为指数级n为两个大素数p和q之积（素数p和q一般为100位以上的十进数），e和d满足一定的关系。当敌手已知e和n时并不能求出d每个用户有两个密钥：加密密钥PK

{e,n}和解密密钥SK

{d,n}RSA流程：取两个素数p和q（保密），计算n=pq（公开），φ(n)=(p–1)(q–1)（保密）随机选取整数e，满足gcd(e，φ(n))=1（公开），即gcd最大公约数，e与φ(n)互素且小于φ(n)计算d，满足de≡1(modφ(n))（保密）(4)公开秘钥密码体制-RSA密码算法举例加密解密原理利用RSA加密第一步需将明文数字化，并取长度小于log2n位的数字作明文块。

加密算法：c=E(m)≡me(modn) 解密算法：D(c)≡cd(modn)RSA实例1假设p=3、q=11，计算n=pq=33，φ(n)=(p–1)(q–1)=20随机选择整数e，满足1<e<φ(n)=20,gcd(e，φ(n))=1,这里选择

e=7解方程de≡1(modφ(n))，即7d≡1(mod20)，得d=3。密钥对即为：(7,33),(3,33)

假设明文M=4，加密：47=16384mod(33)=16，解密：163=4096mod(33)=4RSA实例2选素数p=47和q＝71，计算n=pq=3337,φ(n)=(p–1)(q–1)＝3220选择e=79，求得私钥d

e-1(mod3220)=1019(公开n=3337和e=79）现要发送明文688，计算：

68879(mod3337)=1570收到密文1570后，用私钥d＝1019进行解密：

15701019(mod3337)=688(4)公开秘钥密码体制-RSA密码算法应用模型加密解密原理公钥密码：RSA算法公钥：e和n私钥：d和nBob将公钥发给AliceAlice用公钥加密Alice发送密文Bob用私钥解密

AliceBob产生d,e,n明文密文密文发送e,n(5)数字签名与防篡改加密解密原理报文鉴别（MessageAuthentication)：

是一个证实收到的报文或消息来自可信的源点且未被篡改的过程。散列函数（HashFunctions)是一种单向加密体制，它是一个从明文到密文的不可逆映射，只有加密，不存在解密过程。以一个变长的报文作为输入，并产生一个定长的散列码，也称为报文摘要。(5)数字签名与防篡改-应用模型加密解密原理第16讲信息安全与网络空间安全一、信息安全-内涵与外延二、加密解密原理三、网络安全威胁与防范四、网络空间安全信息安全与网络空间安全101计划核心课程《计算机概论（计算机科学导论）》课程讲座潘理长聘教授，博士生导师上海交通大学第16讲信息安全与网络空间安全一、信息安全-内涵与外延二、加密解密原理三、网络安全威胁与防范四、网络空间安全(1)网络安全威胁

网络安全威胁与防范拒绝服务攻击内部、外部泄密逻辑炸弹特洛伊木马黑客攻击计算机病毒信息丢失、篡改、销毁后门、隐蔽通道蠕虫网络(2)恶意软件分类

网络安全威胁与防范90年代末，恶意软件（或恶意代码）被定义为：经过存储介质和网络进行传播，从一台计算机系统到另外一台计算机系统，未经授权认证破坏计算机系统完整性的程序或代码。两个显著的特点是：非授权性和破坏性恶意软件（或恶意代码）包括：计算机病毒(ComputerVirus)、蠕虫(Worms)、特洛伊木马(TrojanHorse)、逻辑炸弹(LogicBombs)、后门(Backdoor)、用户级RootKit、核心级RootKit、脚本恶意代码(MaliciousScripts)、僵尸（Zombie)、间谍软件、网络钓鱼软件和恶意ActiveX控件等(3)恶意软件行为网络安全威胁与防范删除敏感信息监视键盘收集你的相关信息获取屏幕在系统上执行指令/程序窃取文件，如文档//财务/技术/商业机密开启后门，作为攻击其他计算机的起点/（肉鸡）隐藏在你主机上的所有活动

诱骗访问恶意网站……恶意行为攻击方式(4)计算机病毒网络安全威胁与防范概念：编制或者在计算机程序中插入的破坏计算机功能或者毁坏数据，影响计算机使用，并能自我复制的一组计算机指令或者程序代码特征：复制、感染、隐蔽、破坏危害：病毒运行后能够损坏文件、使系统瘫痪，从而造成各种难以预料的后果。网络环境下，计算机病毒种类越来越多、传染速度也越来越快、危害更是越来越大。防治：以防为主，病原体(病毒库)是病毒防治技术的关键。结构：病毒起作用的关键是被感染的程序调用时先执行病毒代码，之后再执行原本的程序代码。(5)特洛伊木马网络安全威胁与防范特洛伊木马(TrojanHorse)：是指寄宿在计算机里的一种非授权的远程控制程序。木马一般由两部分组成：服务器端和客户端。驻留在对方服务器的称之为木马的服务器端，远程的可以连到木马服务器的程序称之为客户端。木马的功能是通过客户端可以操纵服务器，进而操纵对方的主机。常见的简单木马有NetBus远程控制、“冰河”木马、PCAnyWhere远程控制等等。(6)特洛伊木马原理网络安全威胁与防范木马的植入漏洞系统漏洞；浏览器漏洞；其他应用软件漏洞（PDF、DOC

etc）伪装捆绑；伪装成图片、文本等；社会工程电子邮件、论坛、SNS聊天软件木马的危害你能做的木马都有可能做到

(7)恶意软件防治网络安全威胁与防范计算机病毒（恶意软件）传播方式第一种途径：通过不可移动的计算机硬件设备进行传播第二种途径：通过移动存储设备来传播这些设备包括软盘、磁带等第三种途径：通过计算机网络(邮件、网页、局域网、远程攻击、网络下载）进行传播。计算机病毒可以附着在正常文件中通过网络进入一个又一个系统第四种途径：通过点对点通信系统和无线通道传播防治技术概括为6个层次检测清除预防（被动防治）免疫（主动防治）防范策略数据备份及恢复三分技术、七分管理、十二分数据(8)网络入侵网络安全威胁与防范入侵(Intrusion)是指任何企图危及资源的完整性、机密性和可用性的活动。不仅包括发起攻击的人取得超出合法范围的系统控制权，也包括收集漏洞信息，造成拒绝服务等对计算机系统产生危害的行为。假冒用户违法用户隐秘用户(9)防火墙与入侵检测系统网络安全威胁与防范防火墙（Firewall）是一种互连的网关。它对两个或多个网络之间传输的数据分组和连接方式按照一定的安全策略对其进行检查，来决定通信是否被允许，从而保护内部网络不受外部非授权用户的访问和过滤不良信息的目的。入侵检测/防御系统（IDS/IPS:IntrusionDetection/PreventionSystem）是一种对网络传输进行即时监视，在发现可疑传输时发出警报或采取主动反应措施的安全系统。它不仅发现入侵行为，还为安全策略制订提供帮助。(10)网络安全防御体系网络安全威胁与防范第16讲信息安全与网络空间安全一、信息安全-内涵与外延二、加密解密原理三、网络安全威胁与防范四、网络空间安全(1)什么是网络空间？网络空间安全网络空间已经成为继陆、海、空、天之外的第五维国家安全领域信息安全基础设施安全国家与社会安全信息世界(机)物理世界(物)人类社会(人)网络空间与现实世界相互渗透，推进人机物三元融合(2)国家高度重视网络空间安全网络空间安全网络安全成为国家战略2013年11月12日，中央国家安全委员会正式成立2014年02月27日，中央网络安全和信息化领导小组成立2017年6月，我国网络安全领域的基本法《中华人民共和国网络安全法》正式实施提升到国家战略高度重视网络空间安全保障工作加快构建关键信息基础设施安全保障体系全天候全方位感知网络安全态势增强网络安全防御能力和威慑能力要有高素质的网络安全和信息化人才队伍没有网络安全就没有国家安全——2018年4月21日，习近平在全国网络安全和信息化工作会议上的讲话没有信息化就没有现代化——2018年2月27日，习近平在中央网络安全和信息化领导小组第一次会议上的的讲话(3)网络空间主权网络空间安全链路对抗重要节点威胁泛在威胁精确打击物理压制1960-1990

1990-2000

2000-2010

2010-2030【网络空间主权】是指一个国家在建设、运营、维护和使用网络，以及在网络安全的监督管理方面所拥有的自主决定权。体现了国家在网络空间可以独立自主地处理内外事务，享有在网络空间的管辖权、独立权、防卫权和平等权等权利。网络空间安全威胁演化(4)国家网络强国战略网络空间安全

要从国际国内大势出发，总体布局，统筹各方，创新发展，努力把我国建设成为网络强国。建设网络强国的战略部署要与“两个一百年”奋斗目标同步推进。

按照技术要强、内容要强、基础要强、人才要强、国际话语权要强的要求，向着网络基础设施基本普及、自主创新能力显著增强、数字经济全面发展、网络安全保障有力、网络攻防实力均衡的方向不断前进，最终达到技术先进、产业发达、攻防兼备、制网权尽在掌握、网络安全坚不可摧的目标。(5)国家网络空间治理能力需求网络空间安全(6)我国网络空间安全法治建设历程网络空间安