计算机等级考试三级网络教程第6章__网络安全技术论.ppt

1、第 6 章 网络安全技术,第 6 章 计算机网络的安全,*6.1 网络安全问题概述 6.1.1 计算机网络面临的安全性威胁 6.1.2 计算机网络安全的内容 6.1.3 一般的数据加密模型 *6.2 常规密钥密码体制 6.2.1 替代密码与置换密码 6.2.2 数据加密标准 DES,第 6 章 计算机网络的安全（续）,*6.3 公开密钥密码体制 6.3.1 公开密钥密码体制的特点 6.3.2 RSA 公开密钥密码体制 6.3.3 数字签名 * 6.4 电子邮件的加密 6.5 链路加密与端到端加密 6.6 因特网商务中的加密 6.7 防火墙(firewall)技术 6.8 认证技术,6.1 网络

2、安全问题概述 6.1.1 计算机网络面临的安全性威胁,计算机网络上的通信面临以下的四种威胁： (1) 截获从网络上窃听他人的通信内容。 (2) 中断有意中断他人在网络上的通信。 (3) 篡改故意篡改网络上传送的报文。 (4) 伪造伪造信息在网络上传送。 截获信息的攻击称为被动攻击，而更改信息和拒绝用户使用资源的攻击称为主动攻击。,对网络的被动攻击和主动攻击,截获,篡改,伪造,中断,被动攻击,主 动 攻 击,目的站,源站,源站,源站,源站,目的站,目的站,目的站,被动攻击和主动攻击,在被动攻击中，攻击者只是观察和分析某一个协议数据单元 PDU 而不干扰信息流。 主动攻击是指攻击者对某个连接中通过

3、的 PDU 进行各种处理。 更改报文流 拒绝报文服务 伪造连接初始化,(1) 防止析出报文内容； (2) 防止通信量分析； (3) 检测更改报文流； (4) 检测拒绝报文服务； (5) 检测伪造初始化连接。,计算机网络通信安全的目标,有可能发生 分组丢失,(1) 计算机病毒(virus)会“传染”其他程序的程序，“传染”是通过修改其他程序来把自身或其变种复制进去完成的。 (2) 计算机蠕虫(worm)通过网络的通信功能将自身从一个结点发送到另一个结点并启动运行的程序。 (3) 特洛伊木马(horse)一种程序，它执行的功能超出所声称的功能。 (4) 逻辑炸弹(bomb)一种当运行环境满足某种特

4、定条件时执行其他特殊功能的程序。,恶意程序(rogue program),6.1.2 计算机网络安全的内容,保密性- 安全可靠的保密通信。 安全协议的设计- 是针对具体的攻击设计安全的通信协议。 接入控制- 对接入网络的权限进行控制。,6.1.3 一般的数据加密模型,E 加密算法,D 解密算法,加密密钥 K,解密密钥 K,明文 X,明文 X,密文 Y = EK(X),截取者,截获,篡改,密钥源,安全信道,DK（Y）=DK（EK（X）=X,密钥 K,6.2 常规密钥密码体制,所谓常规密钥密码体制，即加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。 这种加密系统又称为对称密钥系统。我们先介绍在常规密钥密码体制

5、中的两种最基本的密码。,6.2.1 替代密码与置换密码,替代密码(substitution cipher)的原理可用一个例子来说明。（密钥是 3）,abcdefghijklmnopqrstuvwxyz DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC,caesar cipher,FDHVDU FLSKHU,明文 密文,明文 c 变成了密文 F,6.2.1 替代密码与置换密码,替代密码(substitution cipher)的原理可用一个例子来说明。（密钥是 3）,abcdefghijklmnopqrstuvwxyz DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC,caesar ci

6、pher,FDHVDU FLSKHU,明文 密文,明文 a 变成了密文 D,6.2.1 替代密码与置换密码,替代密码(substitution cipher)的原理可用一个例子来说明。（密钥是 3）,abcdefghijklmnopqrstuvwxyz DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC,caesar cipher,FDHVDU FLSKHU,明文 密文,明文 e 变成了密文 H,CIPHER 145326 attack begins atfour,置换密码,置换密码(transposition cipher)则是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序。,密钥 顺序 明文

7、,根据英文字母在 26 个字母中的先后顺序，我们可以得出密钥中的每一个字母的相对先后顺序。因为密钥中没有 A 和 B，因此 C 为第 1。同理，E 为第 2，H 为第 3,，R 为第 6。于是得出密钥字母的相对先后顺序为 145326。,CIPHER 145326 attack begins atfour,置换密码,置换密码(transposition cipher)则是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序。,密钥 顺序 明文,根据英文字母在 26 个字母中的先后顺序，我们可以得出密钥中的每一个字母的相对先后顺序。因为密钥中没有 A 和 B，因此 C 为第 1。同理，E 为第 2，H 为

8、第 3,，R 为第 6。于是得出密钥字母的相对先后顺序为 145326。,CIPHER 145326 attack begins atfour,置换密码,置换密码(transposition cipher)则是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序。,密钥 顺序 明文,根据英文字母在 26 个字母中的先后顺序，我们可以得出密钥中的每一个字母的相对先后顺序。因为密钥中没有 A 和 B，因此 C 为第 1。同理，E 为第 2，H 为第 3,，R 为第 6。于是得出密钥字母的相对先后顺序为 145326。,CIPHER 145326 attack begins atfour,置换密码,置换密码(

9、transposition cipher)则是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序。,密钥 顺序 明文,根据英文字母在 26 个字母中的先后顺序，我们可以得出密钥中的每一个字母的相对先后顺序。因为密钥中没有 A 和 B，因此 C 为第 1。同理，E 为第 2，H 为第 3,，R 为第 6。于是得出密钥字母的相对先后顺序为 145326。,CIPHER 145326 attack begins atfour,置换密码,置换密码(transposition cipher)则是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序。,密钥 顺序 明文,根据英文字母在 26 个字母中的先后顺序，我们可以得出

10、密钥中的每一个字母的相对先后顺序。因为密钥中没有 A 和 B，因此 C 为第 1。同理，E 为第 2，H 为第 3,，R 为第 6。于是得出密钥字母的相对先后顺序为 145326。,CIPHER 145326 attack begins atfour,置换密码,置换密码(transposition cipher)则是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序。,密钥 顺序 明文,根据英文字母在 26 个字母中的先后顺序，我们可以得出密钥中的每一个字母的相对先后顺序。因为密钥中没有 A 和 B，因此 C 为第 1。同理，E 为第 2，H 为第 3,，R 为第 6。于是得出密钥字母的相对先后顺序为

11、 145326。,CIPHER 145326 attack begins atfour,密文的得出,密钥 顺序 明文,先读顺序为 1 的明文列，即 aba,CIPHER 145326 attack begins atfour,密文的得出,密钥 顺序 明文,再读顺序为 2 的明文列，即 cnu,CIPHER 145326 attack begins atfour,密文的得出,密钥 顺序 明文,再读顺序为 3 的明文列，即 aio,CIPHER 145326 attack begins atfour,密文的得出,密钥 顺序 明文,再读顺序为 4 的明文列，即 tet,CIPHER 145326 a

12、ttack begins atfour,密文的得出,密钥 顺序 明文,再读顺序为 5 的明文列，即 tgf,CIPHER 145326 attack begins atfour,密文的得出,密钥 顺序 明文,最后读顺序为 6 的明文列，即 ksr,因此密文就是：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端收到密文后按列写下,密钥 顺序 明文,先写下第 1 列密文 aba,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端收到密文后按列写下,密钥 顺序

13、 明文,再写下第 2 列密文 cnu,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端收到密文后按列写下,密钥 顺序 明文,再写下第 3 列密文 aio,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端收到密文后按列写下,密钥 顺序 明文,再写下第 4 列密文 tet,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端收到密文后按列写下,密钥 顺序 明文,再写下第

14、5 列密文 tgf,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端收到密文后按列写下,密钥 顺序 明文,最后写下第 6 列密文 ksr,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端从密文解出明文,密钥 顺序 明文,最后按行读出明文,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端从密文解出明文,密钥 顺序 明文,最后按行读出明文,收到的密文：abacnuai

15、otettgfksr,CIPHER 145326 attack begins atfour,接收端从密文解出明文,密钥 顺序 明文,最后按行读出明文,收到的密文：abacnuaiotettgfksr,得出明文：attackbeginsatfour,从密文序列结构分： 序列密码与分组密码,序列密码是将明文 X 看成是连续的比特流(或字符流)x1x2，并且用密钥序列 K k1k2中的第 i 个元素 ki 对明文中的 xi 进行加密，即：,分组密码它将明文划分成固定的 n 比特的数据组，然后以组为单位，在密钥的控制下进行一系列的线性或非线性的变化而得到密文。,序列密码体制框图,密钥序列产生器,种子

16、I0,发端,ki,密钥序列产生器,种子 I0,收端,ki,密文序列,明文序列,明文序列,xi,xi,yi,yi,在开始工作时种子 I0 对密钥序列产生器进行初始化。 按照模 2 进行运算，得出：,(9-1),序列密码体制,密钥序列产生器,种子 I0,发端,ki,密钥序列产生器,种子 I0,收端,ki,密文序列,明文序列,明文序列,xi,xi,yi,yi,在收端，对 yi 的解密算法为：,(9-2),序列密码又称为密钥流密码。,分组密码,它将明文划分成固定的 n 比特的数据组，然后以组为单位，在密钥的控制下进行一系列的线性或非线性的变化而得到密文。这就是分组密码。 分组密码一次变换一组数据。 分

17、组密码算法的一个重要特点就是：当给定一个密钥后，若明文分组相同，那么所变换出密文分组也相同。 分组密码的一个重要优点是不需要同步,分组密码体制,输入,输出,加密 算法,密钥,明文,输入,输出,解密 算法,密钥,明文,n bit,n bit,n bit,n bit,密文,密文,6.2.2 数据加密标准 DES,数据加密标准 DES 属于常规密钥密码体制，是一种分组密码。 在加密前，先对整个明文进行分组。每一个组长为 64 bit。 然后对每一个 64 bit 二进制数据进行加密处理，产生一组 64 bit 密文数据。 最后将各组密文串接起来，即得出整个的密文。 使用的密钥为 64 bit（实际密

18、钥长度为 56 bit，有 8 bit 用于奇偶校验，48bit实际密钥长度)。,DES 加密标准,R16 = L15 f (R15, K16),密文 Y (64 bit),L0,R0,L1 = R0,IP,L2 = R1,L15 = R14,R1 = L0 f (R0, K1),R2 = L1 f (R1, K2),R15 = L14 f (R14, K15),L16 = R15,IP1,f,f,f,输出,明文 X (64 bit),输入,K16 (48 bit),K2 (48 bit),K1 (48 bit),X0 的左半边 (32 bit),X0 (64 bit),X0 的右半边 (32

19、 bit),R16L16 (64 bit),DES 的明显缺点,DES 实际上就是一种单字符替代，而这种字符的长度是 64 bit。 也就是说，对于 DES 算法，相同的明文就产生相同的密文。这对 DES 的安全性来说是不利的。 为了提高 DES 的安全性，可采用加密分组链接的方法。,加密分组的链接,X0,Y0,X1,Y1,X2,Y2,X3,Y3,X0,Y0,X1,Y1,X2,Y2,X3,Y3,初始 向量,初始 向量,密钥,密钥,明文,明文,密文,密文,加密,解密,E,E,E,E,D,D,D,D,DES 的保密性,DES 的保密性仅取决于对密钥的保密，而算法是公开的。尽管人们在破译 DES 方

20、面取得了许多进展，但至今仍未能找到比穷举搜索密钥更有效的方法。 DES 是世界上第一个公认的实用密码算法标准，它曾对密码学的发展做出了重大贡献。 目前较为严重的问题是 DES 的密钥的长度。 现在已经设计出来搜索 DES 密钥的专用芯片。,三重 DES (Triple DES),三重 DES 使用两个密钥，执行三次 DES 算法。下图中的方框 E 和 D 分别表示执行加密和解密算法。因此加密时是 E-D-E，解密时是 D-E-D。,E,D,E,K1,K2,K1,明文,密文,D,E,D,K1,K2,K1,密文,明文,加密,解密,6.3 公开密钥密码体制6.3.1 公开密钥密码体制的特点,公开密钥

21、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。 公开密钥密码体制的产生主要是因为两个方面的原因，一是由于常规密钥密码体制的密钥分配问题，另一是由于对数字签名的需求。 现有三种公开密钥密码体制，其中最著名的是RSA 体制，它基于数论中大数分解问题的体制，由美国三位科学家 Rivest, Shamir 和 Adleman 于 1976 年提出并在 1978 年正式发表的。,加密密钥与解密密钥,在公开密钥密码体制中，加密密钥(即公开密钥) PK 是公开信息，而解密密钥(即秘密密钥) SK 是需要保密的。 加密算法 E 和解密算法 D 也都是公

22、开的。 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。,应当注意,任何加密方法的安全性取决于密钥的长度，以及攻破密文所需的计算量。在这方面，公开密钥密码体制并不具有比传统加密体制更加优越之处。 由于目前公开密钥加密算法的开销较大，在可见的将来还看不出来要放弃传统的加密方法。公开密钥还需要密钥分配协议，具体的分配过程并不比采用传统加密方法时更为简单。,公开密钥算法的特点,(1) 发送者用加密密钥 PK 对明文 X 加密后，在接收者用解密密钥 SK 解密，即可恢复出明文，或写为： DSK(EPK(X) X 解密密钥是接收者专用的秘密密钥，对其他人都保密。 此外，

23、加密和解密的运算可以对调，即 EPK(DSK(X) X,公开密钥算法的特点,(2) 加密密钥是公开的，但不能用它来解密，即 DPK(EPK(X) X (3) 在计算机上可容易地产生成对的 PK 和 SK。 (4) 从已知的 PK 实际上不可能推导出 SK，即从 PK 到 SK 是“计算上不可能的”。 (5) 加密和解密算法都是公开的。,公开密钥密码体制,接收者,发送者,E 加密算法,D 解密算法,加密密钥 PK,解密密钥 SK,明文 X,密文 Y = EPK(X),密钥对 产生源,明文 X = DSK(EPK(X),6.4 电子邮件的加密 PGP (Pretty Good Privacy),P

24、GP 是一个完整的电子邮件安全软件包，包括加密、鉴别、电子签名和压缩等技术。 PGP 并没有使用什么新的概念，它只是将现有的一些算法如 MD5，RSA，以及 IDEA 等综合在一起而已。 虽然 PGP 已被广泛使用，但 PGP 并不是因特网的正式标准。,6.5 链路加密与端到端加密6.5.1 链路加密,在采用链路加密的网络中，每条通信链路上的加密是独立实现的。通常对每条链路使用不同的加密密钥。,D1,E2,明文 X,结点 1,D2,E3,明文 X,结点 2,Dn,明文 X,用户 B,E1,明文 X,用户 A,E1(X) 链路 1,E2(X) 链路 2,En(X) 链路 n,E3(X),密文,密

25、文,密文,密文,相邻结点之间具有相同的密钥，因而密钥管理易于实现。链路加密对用户来说是透明的，因为加密的功能是由通信子网提供的。,链路加密,由于报文是以明文形式在各结点内加密的，所以结点本身必须是安全的。 所有的中间结点(包括可能经过的路由器)未必都是安全的。因此必须采取有效措施。 链路加密的最大缺点是在中间结点暴露了信息的内容。 在网络互连的情况下，仅采用链路加密是不能实现通信安全的。,6.5.2 端到端加密,端到端加密是在源结点和目的结点中对传送的 PDU 进行加密和解密，报文的安全性不会因中间结点的不可靠而受到影响。,结点 1,结点 2,DK,明文 X,结点 n,EK,明文 X,结点 0

26、,EK(X) 链路 1,EK(X) 链路 2,EK(X) 链路 n,端到端链路传送的都是密文,在端到端加密的情况下，PDU 的控制信息部分(如源结点地址、目的结点地址、路由信息等)不能被加密，否则中间结点就不能正确选择路由。,6.6 因特网商务中的加密6.6.1 安全插口层 SSL,SSL 又称为安全套接层 (Secure Socket Layer)，可对万维网客户与服务器之间传送的数据进行加密和鉴别。 SSL 在双方的联络阶段协商将使用的加密算法和密钥，以及客户与服务器之间的鉴别。 在联络阶段完成之后，所有传送的数据都使用在联络阶段商定的会话密钥。 SSL 不仅被所有常用的浏览器和万维网服务

27、器所支持，而且也是运输层安全协议 TLS (Transport Layer Security)的基础。,安全插口层 SSL 的位置,TCP,应用层,安全插口层,运输层,HTTP IMAP,SSL 功能 标准插口,在发送方，SSL 接收应用层的数据（如 HTTP 或 IMAP 报文），对数据进行加密，然后将加了密的数据送往 TCP 插口。 在接收方，SSL 从 TCP 插口读取数据，解密后将数据交给应用层。,Internet Message Access Protocol,Hyper Text Transfer Protocol,SSL 提供以下三个功能,(1) SSL 服务器鉴别 允许用户证实

28、服务器的身份。具有 SS L功能的浏览器维持一个表，上面有一些可信赖的认证中心 CA (Certificate Authority)和它们的公开密钥。 (2) 加密的 SSL 会话 客户和服务器交互的所有数据都在发送方加密，在接收方解密。 (3) SSL 客户鉴别 允许服务器证实客户的身份。,6.6.2 安全电子交易 SET (Secure Electronic Transaction),安全电子交易 SET 是专为在因特网上进行安全支付卡交易的协议。 SET 的主要特点是： (1) SET 是专为与支付有关的报文进行加密的。 (2) SET 协议涉及到三方，即顾客、商家和商业银行。所有在这三

29、方之间交互的敏感信息都被加密。 (3) SET 要求这三方都有证书。在 SET 交易中，商家看不见顾客传送给商业银行的信用卡号码。,6.7 防火墙(firewall)技术(P.180),防火墙是由软件、硬件构成的系统，用来在两个网络之间实施接入控制策略。接入控制策略是由使用防火墙的单位自行制订的，为的是可以最适合本单位的需要。 防火墙内的网络称为“可信赖的网络”(trusted network)，而将外部的因特网称为“不可信赖的网络”(untrusted network)。 防火墙可用来解决内联网和外联网的安全问题。,防火墙的定义- 限制被保护网络与互联网之间，或其它网络之间信息访问的部件，或

30、部件集。,防火墙的发展史- 第一代防火墙- 第二代防火墙- 第三代防火墙- 第四代防火墙- 第五代防火墙-,6.7.1 防火墙技术 计算机网络安全的概述,PP.261-266(V.1) 防火墙概述 一般来说，防火墙是设置在被保护网络和外部网络之间的一道屏障，以防止发生不可预测的、潜在破坏性的侵入。它可以通过监测、限制、更改跨越防火墙的数据流，尽可能的对外部屏蔽内部网络的信息、结构和运行状况，以此来实现网络的安全保护。 一个防火墙可以是一个实现安全功能的路由器、个人计算机、主机或主机的集合等，通常位于一个受保护的网络对外的连接处，若这个网络到外界有多个连接，那么需要安装多个防火墙系统。,6.7.

31、2 防火墙在互连网络中的位置,G,内联网,可信赖的网络,不可信赖的网络,分组过滤 路由器 R,分组过滤 路由器 R,应用网关,外局域网,内局域网,防火墙,因特网,6.7.3 防火墙的功能和作用,防火墙的功能： 防火墙的功能有两个：阻止和允许。 “阻止”就是阻止某种类型的通信量通过防火墙（从外部网络到内部网络，或反过来）。 “允许”的功能与“阻止”恰好相反。 防火墙必须能够识别通信量的各种类型。不过在大多数情况下防火墙的主要功能是“阻止”。,6.7.3防火墙的功能和作用,防火墙的作用： 防火墙能有效的对网络进行保护,防止其它网络的入侵，归纳起来，防火墙具有以下作用： （1）控制进出网络的信息流向

32、和信息包； （2）提供对系统的访问控制； （3）提供使用和流量的日志和审计； （4）增强保密性。使用防火墙可以阻止攻击者获取攻击网络系统的有用信息。 （5）隐藏内部IP地址及网络结构的细节； （6）记录和统计网络利用数据以及非法使用数据。,6.7.4 防火墙技术分类,(1) 网络级防火墙用来防止整个网络出现外来非法的入侵。属于这类的有分组过滤和授权服务器。前者检查所有流入本网络的信息，然后拒绝不符合事先制订好的一套准则的数据，而后者则是检查用户的登录是否合法。 (2) 应用级防火墙从应用程序来进行接入控制。通常使用应用网关或代理服务器来区分各种应用。例如，可以只允许通过访问万维网的应用，而阻止

33、 FTP 应用的通过。,6.7.5 防火墙技术 防火墙可以提供的服务,（1）限定人们从一个特别的控制点进入或离开； （2）保证对主机的应用安全访问； （3）防止入侵者接近你的其它防御设施； （4）有效防止破坏者对客户机和服务器所进行的破坏； （5）监视网络。,6.7.6 防火墙关键技术,（1）包过滤技术 （2）代理技术 （3）双穴主机防火墙,（1）包过滤技术防火墙 包过滤防火墙设置在网络层,在大部分路由器上就可以实现包过滤.它的工作方式是由用户根据自己的需要建立一张特定的信息过滤表,信息过滤表是以其收到的数据包头信息为基础而建成的.信息包头中含有数据包源IP地址,目的p地址,传输协议类型(1P

34、,UDP,ICMP等),协议源端口号,协议目的端口号,连接请求方向,ICMP报文类型等.例如可以设定允许某些地址的数据包进人网络,某些地址的数据包可以被传送到外部网络,或者哪些协议的数据包被允许进出网络等特定规则,只有数据包满足过滤表中的规则时,才允许数据包通过,否则禁止通过.这种防火墙可以用于禁止外部不合法用户对内部的访问,也可以用来禁止访问某些服务类型.但包过滤技术不能识别有危险的信息包,无法实施对应用级协议的处理.,（2）代理技术防火墙 代理防火墙又称应用层网关防火墙,它由代理服务器和过滤路由器组成,是目前较流行的一种防火墙.过滤路由器负责网络互连,并对数据进行严格选择,然后将过滤后的数

35、据传送给代理服务器. 代理服务器起到外部网络与内部网络间的转接作用,也就是说内部网络的数据包不能直接进入外部网络,而是要经过代理服务器的处理.外部网络的数据也不能直接进入内部网络,要经过代理处理后才能到达内部网络.,(3)双穴主机防火墙 双穴主机防火墙是用主机来执行安全控制功能.一台主机配置多个网卡,分别连接不同的网络.双穴主机从一个网络收集数据,并且有选择地把它发送到另一个网络上.网络服务由双穴主机上的服务代理来提供.内部网和外部网的用户可通过双穴主机的共享数据区传递数据,从而保护了内部网络不被非法访问.信息加密技术,6.7.7 防火墙技术 防火墙系统结构,防火墙的系统结构一般分为以下几种： （1）屏蔽路由器