11 网络安全基本原理

网络安全基本原理

网络安全基本概念

网络安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或者恶意的原因而遭受到破坏、更改、泄露，系统连续可靠正常地运行，网络服务不中断。

网络安全基本属性

• 机密性(confidentiality):只有发送方与预定接收方能够理解报文内容
  • 发送方加密报文
  • 接收方解密报文
• 身份认证(authentication):发送方与接收方希望确认彼此的真实身份
• 信息完整性(message integrity):发送方与接收方希望确保信息未被篡改（传输途中或者后期），发生篡改一定会被检测到
• 可访问与可用性(access and availability):
  • 网络服务必须对被授权用户可访问与可用

网络安全的基本特征

• 相对性
  • 只有相对的安全，没有绝对的安全
• 时效性
  • 新的漏洞与攻击方法不断发现
• 相关性
  • 新配置、新系统组件可能会引入新的安全问题
• 不确定性
  • 攻击时间、攻击者、攻击目标和攻击发起的地点都具有不确定性
• 复杂性
  • 网络安全是一项系统工程，需要技术的和非技术的手段
• 重要性
  • 网络安全关乎国家、政府、企业、个人的安全

网络威胁

• 窃听(eavesdrop): 窃听信息
• 插入(insert): 主动在连接中插入信息
• 假冒(impersonation): 可以通过伪造(spoof)分组中的源地址(或者分组的任意其他字段
• 劫持(hijacking): 通过移除/取代发送发或者接收方“接管”(take over)连接
• 拒绝服务DoS(denial of service): 阻止服务器为其他用户提供服务(e.g.,通过过载资源)
• 映射(Mapping):
  • 发起攻击前:“探路”(case the joint)一找出网络上在运行什么服务
  • 利用ping命令确定网络上主机的地址
  • 端口扫描(Port-scanning):依次尝试与每个端口建立TCP连接
  • nmap (http://www.insecure.org/nmapl)，广为使用的国外端口扫描工具之一
• 对策(Countermeasures)
  • 记录到达的网络流量
  • 分析、识别出可疑活动(IP地址和端口被依次扫描)
• 分组“嗅探”(sniffing):
  • 广播介质(共享式以太网，无线网络)
  • 混杂(promiscuous)模式网络接口可以接收/记录所有经过的分组/帧
  • 可以读到所有未加密数据(e.g.，包括口令!）
  • Wireshark 就是一个典型免费的分组嗅探软件（抓包工具）
• 分组嗅探对策
  • 组织中的所有主机都运行软件，周期性监测网络接口是否工作在混杂模式
  • 每段广播介质连接一台主机(如交换式以太网)
• IP欺骗(Spoofing):
  • 直接由应用生成“原始”IP分组，可以设置分组的源IP地址字段为任意值
  • 接收方无法判断源地址是否被欺骗
  • e.g.:C冒充B
• IP欺骗对策: 入口过滤(ingress filtering)
  • 路由器不转发源IP地址无效的IP分组 (e.g.,源IP地址不属于所连接网络)
  • 很有效!但是不能强制所有网络都执行入口过滤
• 拒绝服务DOS(Denial of service):
  • 向接收方恶意泛洪(flood)分组，淹没(swamp)接收方
    • 带宽耗尽
    • 资源耗尽
  • 分布式拒绝服务攻击(DDOS): 多个源主机协同淹没接收方
    • e.g., C与另一个远程主机协同对A进行SYN攻击
  • DDoS攻击过程:
    • 1.选择目标
    • 2.入侵(break into)网络中主机（构建僵尸网络)
    • 3.控制僵尸主机向目标发送分组
  • 反射式DDoS攻击:
    • 1.选择目标
    • 2.入侵网络中主机(构建僵尸网络）
    • 3.选择反射服务器
    • 4.借助反射服务器向目标发起攻击
• DOS:对策
  • 在到达主机前过滤掉泛洪分组(e.g.,SYN)
    • 可能好坏一起扔
  • 追溯(traceback)攻击源
    • SYN cookie[RFC 4987]

密码学基础

密码学(cryptography)术语：

• m: 明文
• KA(m): 密文，利用秘钥KA加密
• m = KB(KA(m)): 利用秘钥KB解密

对称密钥加密

• 对称密钥加密: Bob和Alice共享相同(对称)密钥: Ks
  • e.g.,单码替代密码的替代模式
• Q: Bob和Alice如何确认密钥值（密钥分发）?

公开密钥加密

破解加密方法

• 唯密文攻击(cipher-textonly attack): 入侵者(如Trudy)只截获到密文，基于对密文的分析进行破解
  • 两条途径:
    • 暴力破解(brute force): 尝试所有可能的密钥
    • 统计分析
• 已知明文攻击(known-plaintext attack): 入侵者已知(部分)明文以及与之匹配的密文
  • e.g.，在单码替代密码(monoalphabetic
    cipher)中，入侵者已确认字母a,l,i,c,e,b,o的替换关系
• 选择明文攻击(chosen-plaintext attack):入侵者可以获取针对选择的明文的密文

传统加密方法

• 替代密码(substitution cipher): 利用一种东西替代另一种东西
  • 凯撒密码(Casesar cipher): 一个字母替代另一个字母
    • 将一个字母利用字母表中该字母后面的第 k 个字母替代
    • 如k=3，“bob. i love you. alice”→“ere, l oryh brx. dolfh”
  • 单码(字母)替代密码(monoalphabetic cipher)
  • 多码(字母)替代加密(polyalphabetic encryption): 使用多个单码替代密码，明文中不同位置的字母使用不同的单码替代密码
• 换位(transpositions)密码: 重新排列明文中的字母
  • 置换法(permutation method)
    • 将明文划分为固定长度(d)的组，每个组内的字母按置换规则(f)变换位置
    • 密钥: (d, f)
  • 列置换加密
    • 将明文按行组成一个矩阵，然后按给定列顺序输出得到密文
    • 列置换加密的密钥包括列数和输出顺序
      • 可以用一个单词来表示
      • 单词长度表示列数，单词中的字母顺序表示输出顺序

现代加密技术

• 现代加密技术的基本操作包括经典的替代和置换·
  • 不再针对一个个字母，而是针对二进制位操作
• 现代加密技术主要分为:
  • 对称密钥加密
  • 非对称密钥加密（公开密钥加密)
• 对称密钥加密:
  • 流密码( stream ciphers)
  • 分组密码，也称块密码( block ciphers)

数字签名

Q: 如何解决下列与报文完整性相关的问题?

• 否认:发送方不承认自己发送过某一报文
• 伪造:接收方自己伪造一份报文，并声称来自发送方
• 冒充:某个用户冒充另一个用户接收或发送报文
• 篡改:接收方对收到的信息进行篡改

A: 数字签名(Digital signatures) !

• 数字签名技术是实现安全电子交易的核心技术之一
• 可验证性(verifiable)
• 不可伪造性(unforgeable)
• 不可抵赖性(non-repudiation)

对称密钥问题?

Q: 两个实体在网上如何建立共享秘密密钥?

A: 解决方案:
可信任的密钥分发中心(Key Distribution
Center-KDC)作为实体间的中介(intermediary)

公钥问题

Q： 当Alice获得了Bob的公钥(通过web网站、e-mail、磁盘等)，她怎么确认这真的是Bob的公钥而不是Trudy的?

A：解决方案:
可信任的认证中心(Certification Authority-CA)

• 认证中心(CA): 实现特定实体E与其公钥的绑定
• 每个E(如人、路由器等)在CA上注册其公钥
  • E向CA提供“身份证明”.
  • CA创建绑定E及其公钥的证书(certificate).
  • 证书包含由CA签名的E的公钥-CA声明:“这是E的公钥”

当Alice想要Bob的公钥时:

• 首先获取Bob的公钥证书(从Bob或者其他地方)
• 应用CA的公钥，解密证书中签名的公钥，获得Bob公钥

公钥证书主要内容

Web安全威胁

• Web服务器的安全威胁
  • Web服务越强大，包含安全漏洞概率就越高
  • HTTP服务可在不同权限下运行
• Web浏览器的安全威胁
  • 活动Web页可能隐藏恶意程序
• 通信信道的安全威胁
  • 监听程序会威胁通信信道中所传输信息的机密性
  • 伪造、篡改、重放会威胁所传输信息的完整性
  • 缺乏身份认证使得冒充他人身份进行中间人攻击
  • 缺乏数字签名机制使得通信双方能相互攻击
  • 拒绝服务攻击使得通信信道不能保证可用性

应对Web安全威胁的着手点

• 基于应用层实现Web安全
  • 为特定应用定制特定安全服务，将安全服务直接嵌入在应用程序中
• 基于传输层实现Web安全
  • SSL或TLS可作为基础协议栈的组成部分，对应用透明
    • 也可直接嵌入到浏览器中使用
  • 使用SSL或TLS后，传送的应用层数据会被加密
    • 保证通信的安全
• 基于网络层实现Web安全
  • IPSec提供端到端（主机到主机）的安全机制
    • 通用解决方案
  • 各种应用程序均可利用IPSec提供的安全机制
    • 减少了安全漏洞的产生

SSL: Secure Sockets Layer

• 广泛部署的安全协议
  • 几乎所有浏览器和Web服务器都支持
  • https
  • 每年通过SSL交易额达数十亿美元
• 实现:Netscape
• 变体:TLS(RFC 2246)
• 提供:
  • 机密性(confidentiality)
  • 完整性(integrity)
  • 认证(authentication)
• 最初目标:
  • Web电子商务交易
  • 加密(尤其信用卡号)
  • Web服务器认证可选的客户认证
  • 方便与新商户的商务活动(minimum hassle)
• 可用于所有基于TCP的网络应用
  • 安全socket接口

SSL和TCP/IP

• SSL为网络应用提供应用编程接口(API)
• C语言和Java语言的SSL库/类可用

简化的(Toy)SSL: 一个简单的安全信道

• 握手(handshake): Alice和Bob利用他们的证书、私钥认证（鉴别）彼此，以及交换共享密钥
• 密钥派生(key derivation): Alice和Bob利用共享密钥派生出一组密钥
• 数据传输(data transfer): 待传输数据分割成一系列记录
• 连接关闭(connection closure): 通过发送特殊消息, 安全关闭连接

握手

• MS:主密钥
• EMS:加密的主密钥

密钥派生

• 不同加密操作使用不同密钥会更加安全
  • 例如:报文认证码(MAC)密钥和数据加密密钥
• 4个密钥:
  • Kc=用于加密客户向服务器发送数据的密钥
  • Mc=用于客户向服务器发送数据的MAC密钥
  • Ks=用于加密服务器向客户发送数据的密钥
  • Ms=用于服务器向客户发送数据的MAC密钥
• 通过密钥派生函数(KDF)实现密钥派生
  • 提取主密钥和（(可能的）一些额外的随机数，生成密钥

数据传输

• 为什么不直接加密发送给TCP的字节流?
  • MAC放到哪儿?
    • 如果放到最后，则只有全部数据收全才能进行完整性认证
  • e.g.,对于即时消息应用，在显示一段消息之前，如何针对发送的所有字节进行完整性检验?
• 方案: 将字节流分割为一系列记录
  • 每个记录携带一个 MAC
  • 接收方可以对每个记录进行完整性检验
• 问题: 对于每个记录，接收方需要从数据中识别出MAC
  • 需要采用变长记录

简化的SSL: 序列号

• 问题: 攻击者可以捕获和重放记录或者重新排序记录
• 解决方案: 在MAC中增加序列号
  • MAC= MAC(Mx,sequence][data)
  • 注意:记录中没有序列号域
• 问题: 攻击者可以重放所有记录
• 解决方案: 使用一次性随机数(nonce)

简化的SSL: 控制信息

• 问题:截断攻击
  • 攻击者伪造TCP连接的断连段，恶意断开连接
  • 一方或双方认为对方已没有数据发送
• 解决方案: 记录类型, 利用一个类型的记录专门用于断连
  • type 0用于数据记录; type 1用于断连
• MAC=MAC(Mx,sequence || type || data)

SSL协议栈

• 介于HTTP与TCP之间的一个可选层
  • 绝大多数应用层协议可直接建立在SSL之上
• SSL不是一个单独的协议，而是两层协议

SSL密码组(cipher suite)

• 密码组(cipher suite)
  • 公开密钥算法(public-keyalgorithm)
  • 对称加密算法(symmetricencryption algorithm)
  • MAC算法
• SSL支持多个密码组
• 协商(negotiation): 客户与服务器商定密码组
  • 客户提供选项(choice)
  • 服务器挑选其一

• 常见的SSL对称密码:
  • DES-分组密码
  • 3DES-分组密码
  • RC2 -Rivest Cipher 2分组密码
  • RC4 -Rivest Cipher 4流密码
• SSL公开密钥加密: RSA

SSL握手过程

1. 客户发送其支持的算法列表，以及客户一次随机数(nonce)
2. 服务器从算法列表中选择算法，并发回给客户: 选择＋证书＋服务器一次随机数
3. 客户验证证书，提取服务器公钥，生成预主密钥(pre_master_secret)，并利用服务器的公钥加密预主密钥，发送给服务器
4. 客户与服务器基于预主密钥和一次随机数分别独立计算加密密钥和MAC密钥
5. 客户发送一个针对所有握手消息的MAC
6. 服务器发送一个针对所有握手消息的MAC

最后2步的意义: 保护握手过程免遭篡改

• 客户提供的算法，安全性有强、有弱
  • 明文传输
• 中间人攻击可以从列表中删除安全性强的算法
  • 最后2步可以预防这种情况发生

为什么使用两个一次随机数?

• 假设Trudy嗅探Alice与Bob之间的所有报文
• 第二天，Trudy与Bob建立TCP连接，发送完全相同的记录序列
• Bob(如Amazon)认为Alice对同一产品下发两个分离的订单
• 解决方案:Bob为每次连接发送完全不同的一次随机数
  • 确保两天的加密密钥不同

虚拟专用网VPN

• 动机: 安全+成本
• 虚拟专用网VPN(Virtual Private Networks): 通过建立在公共网络(如Internet)上的安全通道，实现远程用户、分支机构、业务伙伴等与机构总部网络的安全连接,从而构建针对特定组织机构的专用网络。
  • 虚拟:“安全通道”不实际独占公共网络的资源，是一条逻辑的穿过公共网络的安全、稳定的隧道
  • 通过隧道技术、加密技术、密钥管理、认证和访问控制等，实现与专用网类似的安全性能

VPN的功能

• 数据机密性保护
• 数据完整性认证
• 数据源身份认证
• 防重放攻击
• 访问控制

VPN关键技术

• 隧道技术
• 数据加密
• 身份认证
• 密钥管理
• 访问控制
• 网络管理

隧道技术

• 构建VPN的核心技术
• 隧道: 通过Internet提供安全的点到点(或端到端)的数据传输“安全通道”
  • 实质上是一种封装
• VPN隧道利用隧道协议对通过隧道传输的数据进行封装
  • 使数据安全穿越公共网络(通常是Internet)
  • 通过加密和认证以确保安全
  • 数据包进入隧道时，由VPN封装成IP数据报
  • 通过隧道在Internet上安全传输
  • 离开隧道后，进行解封装，数据便不再被保护

隧道协议

隧道协议内包括以下三种协议:

• 乘客协议(Passenger Protocol)
• 封装协议（Encapsulating Protocol)
• 承载协议(Carrier Protocol)

常见VPN隧道协议:

• 第二层隧道:PPTP、L2TP
  • 主要用于远程客户机访问局域网方案
• 第三层隧道: IPSec
  • 主要用于网关到网关、或网关到主机方案
  • 不支持远程拨号访问

典型VPN实现技术

• IPSec: 最安全、适用面最广
• SSL:具有高层安全协议的优势
• L2TP:最好的实现远程接入VPN的技术
• 典型VPN技术结合:
  • IPSec与SSL、IPSec与L2TP

防火墙（firewall）

防火墙：隔离组织内部网络与公共互联网，允许某些分组通过, 而阻止其他分组进入/离开内部网络的软件/硬件设施。

为什么需要防火墙?

• 预防拒绝服务攻击（DoS) :
  • SYN泛洪: 攻击者建立许多虚假TCP连接，耗尽资源，导致“真正”的连接无法建立
• 预防非法修改内部数据访问:
  • e.g.,攻击者替换CIA网站主页
• 只允许对内部网络的授权访问:
  • 认证的用户/主机

三种类型的防火墙:

• 无状态分组过滤器(stateless packet filters)
• 有状态分组过滤器(stateful packet filters)
• 应用网关(application gateways)

无状态分组过滤器

• 内部网络通过路由器防火墙(router firewall)与Internet连接
• 路由器逐个分组过滤，决策是否转发或丢弃分组，依据:
  • 源IP地址、目的IP地址
  • TCP/UDP源、目的端口号
  • ICMP报文类型
  • TCP SYN和ACK标志位

无状态分组过滤器: 笨拙

• 不加以区分放行满足条件的所有分组
• 例如:放行dest port = 80、ACK=1的分组，即使没有建立的TCP连接

有状态分组过滤器：跟踪每个TCP连接

• 跟踪连接建立(SYN)、拆除(FIN): 根据状态确定是否放行进入或外出的分组
• 超时的非活动连接: 不再允许分组通过

应用网关

• 基于应用数据以及lP/TCP/UDP头部字段过滤分组
• 例如:允许特定用户telnet外部网络

1. 要求所有Telnet用户通过网关Telnet外部网络;
2. 对于授权的用户，网关代理用户与目的主机建立Telnet连接，并且在两个连接之间进行数据中继;
3. 路由器阻止所有不是由网关发起的Telnet连接。

防火墙、应用网关的局限性

• IP欺骗(spoofing): 路由器不知道数据是否来自于声称的源
• 如果多个应用需要特殊处理，则每个应用需要一个应用网关
• 客户软件必须知道如何连接网关
  • e.g..必频配置Web浏览器的代理服务器的IP地址
• 过滤器经常对UDP流量使用“全部通过”或者“全部不通过”策略
• 折衷(tradeoff):确定安全级别
• 与外部网络的通信度
  • 很多安全防护级别很高的网站仍然遭受攻击