网络安全¶

约 3438 个字 4 张图片预计阅读时间 17 分钟

被动攻击:攻击者仅窃听数据包,不篡改数据包
主动攻击:攻击者篡改数据包

被动攻击很难检测,只能通过数据加密的方法

密码学¶

对称密钥密码体制¶

数据加密标准 (DES)¶

DES (Data Encryption Standard) 是一种传统的对称密钥加密算法。

分组: 将明文分为 64位 的分组进行加密。
密钥: 实际上只有 56位 有效 (64位中每8位有1位奇偶校验)。
安全性: 由于密钥过短, 现代计算机可以轻易暴力破解 DES。不再安全。
3DES: 为了延长 DES 的寿命, 使用三个密钥进行三次加密 (加密-解密-加密), 称为 3DES。但效率低下。

高级加密标准 (AES)¶

AES (Advanced Encryption Standard) 是目前广泛使用的替代 DES 的标准。

分组: 固定为 128位。
密钥长度: 支持 128位、192位 和 256位。
效率与安全: 比 DES 快, 且目前没有已知的有效攻击方法 (除了暴力穷举, 但密钥空间巨大)。
原理: 不再使用 Feistel 结构, 而是基于代数结构的替换-置换网络 (SPN)。

DES vs AES

特性	DES	AES
年代	1977 (老旧)	2001 (现代)
密钥长度	56 bit (太短)	128/192/256 bit (安全)
安全性	不安全 (可暴力破解)	非常安全
效率	慢 (软硬件实现较难)	快 (软硬件支持好)

公钥密码体制¶

加密双方共享密钥的机制带来了一个很大的问题,如何保证加密双方持有同样有效的密钥情况下,保证密钥的有效性?这给密钥的管理和分发带来了很大不便

因此,公钥密码体制应运而生.加密密钥(即公钥,PK),加密算法和解密算法都是公开的,而解密密钥(即私钥,SK)则需要保密

RSA 算法¶

RSA 是目前最著名的公钥密码体制。

核心原理: 基于 大整数因子分解 的困难性。
- 选取两个极大的素数 \(p\) 和 \(q\), 计算 \(N = p \times q\)。
- 公开 \(N\), 但要从 \(N\) 分解出 \(p\) 和 \(q\) 是极难的。
密钥对:
- 公钥 (\(PK\)): \((N, e)\) -> 公开给所有人。
- 私钥 (\(SK\)): \((N, d)\) -> 自己保密。
加密与解密:
- 加密: \(C = M^e \pmod N\)
- 解密: \(M = C^d \pmod N\)

报文认证码¶

如果发送的内容被攻击者篡改,那么接收方可能收到错误的信息.

因此,我们希望对报文进行认证,以确保报文的完整性和真实性.

然而,有许多内容不需要保密,只需要验证是否与发送方一致,比如从网站上下载软件,我们只需要验证软件的来源是否可信,而不需要对软件进行加密.

在这种情况下,如果对整个软件的内容进行加密和解密,无疑会增加软件的复杂度,降低软件的性能,因此,我们提出了报文认证码.

总的来说,就是用某种算法从报文中提取出报文摘要,然后发送方加密报文摘要,接收方解密报文摘要,并用解密后的报文摘要和报文进行比较,如果一致,则说明报文未被篡改.

报文认证码工作原理

加密后的报文鉴别码简写为MAC(MAC = Message Authentication Code)

密码散列函数¶

密码散列函数(Password Hash Function)是单向函数,即无法从散列值反推出原始密码.

为了防止被破解,报文摘要算法必须满足以下特征

抗弱碰撞性 (Weak Collision Resistance): 对于任意给定的某个报文摘要值 \(H(x)\), 若想找到一个报文 \(y\) (\(y \neq x\)) 使得 \(H(y)=H(x)\), 在计算上是不可行的。

也就是说, 你无法伪造另一个报文来替代现在的报文。
抗强碰撞性 (Strong Collision Resistance): 若想找到任意两个报文 \(x\) 和 \(y\) (\(x \neq y\)), 使得 \(H(y)=H(x)\), 在计算上是不可行的。

也就是说, 你无法找到任意两个具有相同摘要的报文 (生日攻击防护)。

MD5 与 SHA-1¶

MD5: 128位摘要。已被证明不安全 (容易通过碰撞攻击找到两个不同的报文产生相同的摘要)。
SHA-1: 160位摘要。已不再推荐使用 (被Google/CWI破解)。
SHA-2 / SHA-3: 目前推荐使用的标准 (如 SHA-256)。

散列报文鉴别码 (HMAC)¶

基于散列函数特殊的性质,有时候我们并不需要对报文摘要再作一次加密.

HMAC (Keyed-Hash Message Authentication Code) 引入了密钥。

原理: \(HMAC = H(K, M)\)
- \(H\): 散列函数 (如 MD5, SHA-256)。
- \(K\): 通信双方共享的密钥。
- \(M\): 原始报文。
作用: 同时验证 完整性 (Integrity) (没被改过) 和 真实性 (Authenticity) (是持有密钥的人发的)。
安全性: 即使攻击者截获了报文和 HMAC, 由于不知道密钥 \(K\), 无法伪造合法的 HMAC。

HMAC工作原理

数字签名¶

类似我们生活中的印章

数字签名需要具备如下性质:

接受方能够核实发送方的数字签名
任何人都无法伪造数字签名
发送方不能抵赖数字签名

数字签名的原理如下:

\[ D_{SK}(E_{PK}(X)) = E_{PK}(D_{SK}(X)) = X \]

这意味着, 无论是 先加密后解密 (保密通信), 还是 先解密后加密 (数字签名), 都能还原出原始报文。

数字签名工作原理

上述过程存在一个问题,那就是任何人截获到加密后的报文,只要知道A的公钥,就能窃取出内容.

为了实现保密的数字签名,我们只需要在使用A的私钥加密完后,再使用B的公钥加密即可.这样,解密时就要先使用B的私钥解密,再使用A的公钥解密,才能还原出原始报文.

保密的数字签名

实体鉴别¶

实体鉴别 (Entity Authentication) 和 报文鉴别 (Message Authentication) 是有区别的:

报文鉴别: 对每一个收到的报文进行验证 (内容没变? 是你发的?)。
实体鉴别: 在连接建立阶段, 验证通信对方的身份 (你是谁?)。

重放攻击 (Replay Attack)¶

攻击者截获 A 发送给 B 的身份验证报文，虽无法解密，但可以直接把这个报文重新发给 B，试图以此冒充 A。

不重数 (Nonce)¶

为了防止重放攻击, 实体鉴别通常采用 挑战-响应 (Challenge-Response) 机制，并引入 不重数 (Nonce)。

不重数: 一个只使用一次的大随机数。
过程:
1. A -> B: "我是 A"
2. B -> A: "好, 请加密这个随机数 \(R_B\) (Nonce)"
3. A -> B: "这是用我私钥加密的 \(R_B\)"
4. B: 解密验证成功 -> "你确实是 A"

这样，即使攻击者截获了第三步的加密报文，下次 B 会生成一个新的随机数 \(R'_B\)，以前的加密报文就没用了。

中间人攻击（MITM）¶

中间人攻击（Man-in-the-Middle, MITM） 指攻击者位于通信双方之间，分别与两端建立连接，使双方“以为”自己在和对方直接通信，但实际上所有数据都经过攻击者转发（并可能被窃听/篡改/注入）。

典型例子：未认证的密钥交换会被 MITM

仅“加密”并不能自动防 MITM，关键在于：你加密的对象是不是你以为的那个人。

sequenceDiagram
    participant A as A (客户端)
    participant M as M (中间人)
    participant B as B (服务器)

    A->>M: 发起协商 (A 的参数)
    M->>B: 伪装成 A 发起协商 (M 的参数)
    B-->>M: 返回参数 (B 的参数)
    M-->>A: 伪装成 B 返回参数 (M 的参数)

    Note over A,M: A 与 M 得到共享密钥 K_AM
    Note over M,B: M 与 B 得到共享密钥 K_MB
    A->>M: 用 K_AM 加密的数据
    M->>B: 解密/篡改后用 K_MB 重新加密转发

结果是：A 和 B 都以为得到了“对方”的会话密钥，但实际上密钥分别和 M 共享，M 可以全程明文查看与修改数据。

密钥分发¶

对称密码体制中，通信双方需要共享同一把密钥；因此“如何安全地让双方拿到同一把密钥”是网络安全的基础问题之一。密钥分发做不好，就会给 MITM、重放、冒充等攻击留下入口。

对称密钥的分发

依赖于KDC(密钥分发中心)来为通信双方生成并分发会话密钥。
非对称密钥的分发
- 公钥的分发
  - 尽管公钥是可以公开的,但是如果不验证公钥背后的组织,那么就容易发生中间人攻击等.
  - 因此,需要 CA (Certification Authority, 认证中心) 来为公钥颁发一个证书, 标识公钥所属的组织。

CA 签发证书的过程:

核实身份: CA 必须核实申请用户的真实身份。
生成密钥: CA 为用户产生 公钥-私钥对, 并生成证书 (包含用户公钥、身份信息等)。
数字签名: CA 用 自己的私钥 对证书进行数字签名 (防止证书被伪造)。
发布证书: 证书可以通过网络发送, 也可以放在公共服务器供下载。

Danger

私钥保护: CA 为用户产生的私钥, 必须由 用户自己 秘密保存。
CA 公钥: 任何人都可以从可信地方 (如系统预置、权威渠道) 获取 CA 自身的公钥。用这个公钥来验证证书的真伪 (验证 CA 的签名)。

所有用户信任顶级的根CA,但可以选择不信任中间CA.

访问控制¶

访问控制 (Access Control) 用于限制谁（主体）可以对什么（客体）进行什么样的操作（读/写/执行）。常见的策略有三种：

自主访问控制 (DAC - Discretionary Access Control)
- 核心: 资源的拥有者 决定谁可以访问。
- 特点: 灵活但安全性较低。如果拥有者把权限给了一个恶意用户，恶意用户可以把权限再转给别人。
- 例子: Linux 文件系统 (chmod 755 file), 社交网络隐私设置。
强制访问控制 (MAC - Mandatory Access Control)
- 核心: 系统管理员 制定统一的安全策略，用户不能改变。系统根据用户的安全级别 (如绝密、机密) 和资源的密级标签来决定访问权限。
- 特点: 安全性极高，但灵活性差，管理复杂。
- 规则示例: “上读下写” (No Read Up, No Write Down) —— 低密级用户不能读高密级文件，高密级用户不能写低密级文件 (防止泄密)。
- 例子: 多级安全数据库，军事系统 (SELinux)。

各层安全协议¶

网络安全不仅仅是某个单一层面的问题，而是贯穿于网络模型的各个层次。

1. 物理层 (Physical Layer)¶

物理隔离: 对于极高安全需求的网络 (如军网), 实行物理上的断网 (Air Gap)。
扩展频谱 (Spread Spectrum): 如跳频技术 (FHSS) 和直接序列扩频 (DSSS), 用于防止通信被窃听和干扰 (抗干扰能力强)。

2. 数据链路层 (Data Link Layer)¶

802.1X: 基于端口的网络访问控制。在用户认证通过前，交换机端口只允许 EAPOL 认证流量通过。
无线安全:
- WPA2/WPA3: Wi-Fi 安全协议。WPA3 引入了 SAE (对等实体同时验证) 取代了 WPA2 的四次握手，防止离线字典攻击。
VLAN: 虚拟局域网，通过逻辑隔离广播域来提高安全性。

3. 网络层 (Network Layer) - IPSec¶

IPSec (IP Security) 是一组协议，用于在 IP 层提供安全性 (支持 IPv4 和 IPv6)。

两大协议:
- AH (Authentication Header): 鉴别首部。只提供 源点鉴别 和 数据完整性，不提供加密 (内容是明文的)。
- ESP (Encapsulating Security Payload): 封装安全有效载荷。提供 所有功能 (鉴别、完整性、机密性/加密)。现在主要用 ESP。
两种模式:
- 传输模式 (Transport Mode): 主机到主机 (End-to-End)。只加密 IP 载荷，IP 头部不加密。
- 隧道模式 (Tunnel Mode): 网关到网关 (Site-to-Site VPN)。加密整个原始 IP 数据包，并封装在一个新的 IP 头部中。

4. 传输层 (Transport Layer) - SSL/TLS¶

SSL (Secure Sockets Layer) 及其继任者 TLS (Transport Layer Security) 是目前应用最广泛的安全协议。

位置: 介于应用层 (HTTP) 和传输层 (TCP) 之间。HTTP + SSL/TLS = HTTPS。

工作流程:

握手阶段 (Handshake): 协商加密算法, 交换随机数, 验证服务器证书, 生成会话主密钥 (Master Secret)。
记录阶段 (Record): 使用主密钥对应用层数据进行对称加密传输。

sequenceDiagram
autonumber
participant C as 客户端/浏览器
participant S as 购物网站 Web服务器(HTTPS/443)

C->>S: ClientHello（浏览器支持的加密算法/版本/随机数）
S-->>C: ServerHello（服务器选定的加密算法/版本/随机数）
S-->>C: 服务器数字证书（含公钥）
Note over C: 使用CA公开发布的公钥验证证书
C->>S: 秘密数/预主密钥（用服务器公钥加密）
Note over S: 用服务器私钥解密得到秘密数
Note over C,S: 按协商算法由随机数+秘密数生成共享的对称会话密钥
C-->>S: 会话密钥产生完成（Finished）
S-->>C: 会话密钥产生完成（Finished）
C<->>S: 用会话密钥加密的安全数据传输

5. 应用层 (Application Layer) - PGP¶

PGP (Pretty Good Privacy): 是一种用于电子邮件加密和签名的标准。
信任模型: PGP 不依赖单一的 CA 中心，而是使用 Web of Trust (信任网) 模型 (即 "我朋友信任他，那我也信任他")。
基于角色的访问控制 (RBAC - Role-Based Access Control)
- 核心: 权限分配给角色 (Role)，用户被分配到角色。
- 特点: 简化了权限管理，适合大型企业。人员变动时，只需调整用户的角色，不需要逐个修改文件的权限列表。
- 例子: 公司系统 (角色: 经理、员工、财务)。经理可以审批，员工只能提交。