计算机网络——40各个层次的安全性

各个层次的安全性

安全电子邮件

Alice需要发送机密的报文m给Bob

Alice

• 产生随机的对称秘钥，$K_s$
• 使用$K_s$对报文进行加密（为了效率）
• 对$K_s$使用Bob的公钥进行加密
• 发送$K_s(m)$和$K_B(K_S)$给Bob

Bob

• 使用自己的私钥解密$K_S$
• 使用$K_S$解密$K_S(m)$得到报文

Alice数字签署文件
发送报文（明文）和数字签名

Alice 需要提供源端的报文完整性和可认证性

Alice加密：

• Alice 数字签署文件(采用自己的私钥签署报文的散列)
• 发送报文（明文）和数字签名
  Bob解密：
• Bob使用散列函数计算报文的散列 H(m)
• 使用Alice的公钥解密报文的散列 $K_A^{+}(K_A^{-}(m))$
• 比较 H(m) = $K_A+(K_A^{-}(m))$？
• 如果相等，说明m就是正确的
• 能采用Alice的公钥解密，说明是用Alice的私钥加密的，保证了源端可认证性
• 采用散列比较，保证了报文完整性（如果报文被修改，得到的散列也会被修改）

Alice 需要提供机密性，源端可认证性和报文的完整性

Alice使用了3个keys：自己的私钥，Bob的公钥，新产生出的对称式密钥

Pretty good privacy(PGP)

• Internet e-mail加密方案，事实上的标准.
• 使用前面讲述的：对称密钥加密，公开密钥加密，散列函数和数字签名.
• 能够提供机密性，源端的可认证性和报文完整性.
• 发明者, Phil Zimmerman, 是３年的犯罪调查的目标

/*A PGP signed message: */
---BEGIN PGP SIGNED MESSAGE---
Hash: SHA1
Bob:My husband is out of town tonight.Passionately yours, Alice
---BEGIN PGP SIGNATURE---
Version: PGP 5.0
Charset: noconv
yhHJRHhGJGhgg/12EpJ+lo8gE4vB3
mqJhFEvZP9t6n7G6m5Gw2
---END PGP SIGNATURE---

Secure sockets layer(SSL)

• 为使用SSL服务的、基于TCP的应用提供传输层次的安全性
  • e.g.在Web的浏览器和服务器之间进行电子商务的交易(shttp)
• 所提供的安全服务：
  • 服务器的可认证性，数据加密，客户端的可认证性（可选）

SSL三个阶段

握手

• Bob和Alice建立TCP连接
• 通过AC签署的证书认证Alice的身份
• 创建、加密（采用Alice的公钥），传输主密钥给Alice
  • 不重数交换没有显示

密钥导出

• Alice,Bob采用共享的MS产生4个keys
  • $E_B$：Bob -> Alice 数据加密key
  • $E_A$：Alice -> Bob 数据加密key
  • $M_B$：Bob -> Alice MAC(报文鉴别编码) key
  • $M_A$：Alice -> Bob MAC key
• 加密和MAC算法在Bob,Alice之间协商
• 为什么要4个keys？
  • 更安全

数据传输

IPsec：网络层次的安全性

• 网络层次的机密性
  • 发送端主机IP数据报中的数据进行加密
  • 数据：TCP或者UDP的段；ICMP和SNMP报文
• 网络层次的可认可性
  • 目标主机可以认证源主机的IP地址
• 2个主要协议
  • 认证头部（AH）协议
  • 封装安全载荷 encapsulation security payload(ESP) 协议
• 不管AH还是ESP，源和目标在通信之前要握手
  • 创建一个网络层次的逻辑通道：安全关联 security assocication(SA)
• 每一个SA都是单向
• 由以下元组唯一确定
  • 安全协议（AH 或 ESP）
  • 源IP地址
  • 32bit连接ID

Authentication Header(AH)协议

• 提供源端的可认证性，数据完整性，但是不提供机密性
• 在IP头部和数据字段之间插入AH的头部
• 协议字段：51
• 中间的路由器按照常规处理这个数据报

AH头部包括

• 连接ID
• 认证数据：对原始数据计算报文摘要，使用源端的私钥进行数字签名
• 下一个字段定义了数据的类型（e.g. TCP,UDP,ICMP）

ESP协议

• 提供机密性，主机的可认证性，数据的完整性
• 数据和ESP尾部部分被加密
• next header字段在ESP尾部
• ESP认证的头部与AH类似
• 协议号 = 50