网络安全之安全协议浅谈

安全协议概述

• 安全协议是信息交换安全的核心，它在网络不同层次上、针对不同应用，通过对各种密码学技术的应用与结合，为网络传输协议增加安全算法协商和数据加/解密等安全机制，从而实现信息交换的安全性。
• 数据交换中的机密性、完整性、真实性和不可否认性主要通过密码技术实现。通信双方需要在数据交换之前采用加密算法、签名算法和密钥交换算法等问题进行协商，并达成一致；在数据交换过程中通信双方按所达成的协议进行加密和认证处理，以保证信息交换的安全性。

安全协议分类

• 按网络体系结构层次划分，安全协议可分为：

1. 链路层安全协议：局域网安全协议IEEE 802.10、虚拟局域网VLAN协议IEEE 802.1Q、点对点隧道协议PPTP、L2TP等。
2. 网络层安全协议：IP安全协议IPsec等。
3. 传输层安全协议：安全套接层协议SSL等。
4. 应用层安全协议：安全电子邮件协议PGP、PEM、S-MIME，安全超文本传输协议S-HTTP、安全电子交易协议SET、安全电子付费协议SEPP等。

IPSec

• IPSec是一种开放标准的网络层安全框架结构，通过使用加密为基础的安全服务以确保在IP网络上进行安全通信。比如，Windows系列用的就是IETF IPSec 工作组开发的标准。
• 安全：IPSec是IETF的IPSec小组建立的一组IP安全协议集。IPSec定义在网际层使用的安全服务，其功能包括数据加密、对网络单元的访问控制、数据源地址验证、数据完整性检查和防止重放攻击。
• 协商：IPSec的安全服务要求支持共享密钥。其必须支持手工输入密钥的方式，目的是保证IPSec协议的互操作性。同时，也引入密钥管理协议（Internet密钥交换协议——IKE），该协议可以动态认证IPSec对等体，协商安全服务，并自动生成共享密钥。
• IPSec有两个安全目标：
  1. 保护IP数据包的内容
  2. 通过数据包筛选和受信任通信来抵御网络攻击

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• IPSec协议工作在网络层，使其在单独使用时可以同时保护基于TCP或UDP的协议数据。与传输层或更高层的安全协议相比，IPsec协议提供的安全保护更为基础；但它必须处理可靠性和分片的问题，同时也增加了复杂性和处理开销。

IPSec安全协议

IPSec架构

IPSec（Internet Protocol Security）是一种用于保护网络通信的安全协议套件。它通过提供加密、身份验证和完整性保护等功能，确保数据在传输过程中的机密性、完整性和可信性。

IPSec的架构包括以下几个主要组件：

1. 安全关联IPSec安全联盟SA（Security Association）：SA是IPSec通信的安全参数集合，包括加密算法、身份验证方法、密钥管理和安全参数的生命周期等。

   • 每个SA都有唯一的标识符，用于识别通信中使用的安全参数。
   • 安全联盟是IPSec的基础, 是通信双方建立的一种协定,决定了用来保护数据包的协议、转码方式、密钥以及密钥有效期等。AH和ESP都要用到安全联盟，IKE的一个主要功能就是建立和维护安全联盟。

2. 访问控制列表（Access Control List，ACL）：ACL用于确定哪些数据包需要进行IPSec处理。它可以基于源IP地址、目标IP地址、协议类型等条件来匹配数据包，并指定相应的IPSec策略。

3. 安全策略数据库（Security Policy Database，SPD）：SPD用于存储与IPSec相关的安全策略信息，包括SA的参数、ACL规则等。它决定了数据包的处理方式，即是否需要进行IPSec保护。

4. 安全关联数据库（Security Association Database，SAD）：SAD用于存储已建立的SA的信息，包括标识符、加密算法、密钥等。在数据包传输过程中，根据SA的标识符可以找到相应的安全参数。

5. 密钥管理协议（Key Management Protocol）：密钥管理协议用于生成、分发和更新IPSec通信所需的密钥。常见的密钥管理协议有Internet Key Exchange（IKE）和Internet Security Association and Key Management Protocol（ISAKMP）。

IPSec可以运用于IP层或者在IP层之上的传输层，提供对IP数据包的安全保护。它可以用于虚拟私有网络（VPN）、远程访问控制、数据中心互连等场景，保障网络通信的安全性和机密性。

IPSec封装模式

• 隧道模式（Tunnel Mode）：用户的整个IP数据包被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被封装在一个新的IP数据包中。通常，隧道模式应用在两个安全网关之间的通信。

• 传输模式（Transport Mode）：只是传输层数据被用来计算AH或ESP头，AH或ESP头以及ESP加密的用户数据被放置在原IP包头后面。通常，传输模式应用在两台主机之间的通信，或一台主机和一个安全网关之间的通信。

AH协议

• AH(Authentication Header) 协议：AH用来向IP数据包（IP 报头+数据负载）提供身份验证、完整性与抗重播攻击。但不提供机密性，即它不对数据进行加密。数据可读，但禁止修改。AH使用哈希算法签名数据包。

• 例如，使用计算机 A 的 Alice 将数据发送给使用计算机 B 的 Bob。IP 报头、AH 报头和数据的完整性都得到保护。这意味着 Bob 可以确定确实是 Alice 发送的数据并且数据未被修改。

• AH被置于IP报头与IP负载之间。在IP 报头的协议字段使用 51 来标识AH。AH可以独立使用，也可以与ESP协议组合使用。
  
  

字段	描述
Next Header	使用IP协议字段的协议标识符来标识IP负载
AH Length	表示AH报头的长度
Reserved	保留字段
SPI	安全参数索引，与目标地址及安全协议（AH或ESP）组合使用，以确保通信的正确安全关联
Sequence Number	用于该数据包的抗重放攻击
Authentication Data	身份与完整性认证数据

ESP协议

• ESP(Encapsulated Security Payload) 协议：ESP封装安全负载协议是IPsec体系结构中另一个主要协议，它提供IP层加密和验证数据源，以抵御网络监听，保证机密性。

• 因为AH虽然可以保护通信免受篡改,但并不对数据进行加密。

• ESP通过加密需要保护的数据以及在ESP的数据部分放置这些加密的数据来提供机密性，且其加密采用对称密钥加密算法。

  • 传输模式：ESP头放置在IP头之后、上层协议头之前（IP数据负载部分之前），加密一个传输层的段（如：TCP、UDP、ICMP、IGMP）
  • 隧道模式：ESP头在被封装的IP头之前，加密一整个的IP 数据报

• 封装受保护数据可以为整个原始数据报提供机密性。

• IANA分配给ESP的协议标识值为50，在ESP头前的协议头总是在“next head”字段（IPv6）或“协议”（IPv4）字段里包含该值 50。

• ESP提供机密性、数据起源验证、无连接的完整性、抗重放和有限业务流机密性。ESP可以独立使用，也可与 AH 组合使用。
  

字段	描述
SPI	安全参数索引（32位），用来标识处理此数据包的特定安全关联
Sequence Number	序号（32位），用于抵抗重放攻击的唯一、递增序号
受保护数据	通过加密保护的传输层协议内容（传输模式）或IP包（隧道模式）
填充	用于满足加密算法对明文长度要求、保证填充长度字段和下一个头字段排列、提供部分业务流机密性
填充长度	填充字节的数量（8位）。
下一个头	标识受保护数据的协议标识，如上层协议标识符（8位）。
验证数据	包含完整性校验值（ICV）的可变长度字段，用于验证数据完整性。

• 验证数据（可变）：完整性检查值。验证数据是可变长字段，它包含一个完整性校验值（ICV），ESP分组中该值的计算不包含验证数据本身。字段长度由选择的验证函数指定。验证数据字段是可选的，只有安全联盟SA选择验证服务，才包含验证数据字段。验证算法规范必须指定ICV长度、验证的比较规则和处理步骤。

SET协议

• 电子交易安全性一直是影响电子商务发展的主要因素之一。在开放式网络环境下, 交易过程所涉及的商业信息、个人隐私和支付资金如果不能得到有效的保护, 以电子支付为基础的网上交易就不可能得到真正的发展。
• SET（Security Electronic Transaction）是由世界两大信用卡组织Visa和Master Card联合Netscape、Microsoft等公司，于1997年6月1日推出的，基于RSA不对称密钥算法的安全电子交易标准。
• SET是以信用卡支付为基础, 在Internet上实现安全电子交易的技术协议和系统规范。该协议得到了IBM、微软、AOL、GTE、SAIC等众多公司的支持和IETF标准的认可, 是构建安全电子支付系统和网上交易环境的重要标准之一。

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SET协议电子交易模型

• 基于SET的电子交易与传统信用卡购物在交易流程上十分相似，但实施过程是在Internet上进行。数据传输和交易安全遵循SET规范。
  
• 在SET协议电子交易模型图中，连接各交易角色的实线代表Internet，虚线代表专用网。

1. 交易前，买方应在发卡银行开设信用卡帐户，获取信用卡，并向认证中心注册签证，成为电子交易的合法用户。卖方应与信用卡收单银行签约，并取得认证中心的电子证书, 成为Internet上提供商品或服务的可信商家。
2. 交易时，用户通过Internet在商家Web上浏览产品目录、选择购买商品，并将定单填好、确认后连同付款指令发送给商家。其中，用户要对付款指令中的信用卡帐户信息用自己的公开密钥进行加密（以保证商家无法看到），并对全部信息进行加密和数字签名（对摘要），以保证定单和付款指令的安全性和有效性。
3. 商家收到订单和付款指令后，验证用户身份并解密取出定单信息，再将用户公钥加密的帐户信息加密和数字签名后，发送给认证中心。
4. 认证中心验证商家身份并初次解密后，将信息与Internet隔绝，用用户的私有密钥再次解密，从而获得用户信用卡帐户的明文信息，然后通过专线发送给收单银行。
5. 收单银行根据收到的付款信息，通过金融专用网络向发卡银行发出付款认证要求，发卡银行将认证结果传回收单银行。收单银行将认证结果加密和数字签名后传回商家。
6. 商家验证收单银行身份并解密取出认证结果后，将交易是否成功的消息加密和数字签名后发送给用户。用户验证商家身份并解密，可得到交易是否成功的确认。
7. 若交易成功，商家发送商品或提供服务，然后通知收单银行请求支付，收单银行将相应款项从发卡银行用户帐户中解付到商家帐户上，从而完成了一次电子交易过程。

SET协议安全目标

• SET协议规定电子交易时证书信息、购买信息、认可信息及划帐信息的格式和实体间消息的传输协议，为不同交易软件遵循相同的传输协议和消息格式，具有兼容性和互操作性提供保证。
• 基于SET协议的电子交易系统可实现以下安全目标：
  1. 信息传输的安全性：信息在Internet上安全传输, 不会被窃取或篡改。
  2. 用户资料的安全性：商家只能看到定单, 不能看到帐户信息。
  3. 多方认证：解决交易中用户支付能力、商家信誉度和通信双方身份确认等一系列认证问题。

认证中心CA

• 为实现这些安全目标，SET协议引入认证中心，作为整个交易体系的核心。

• 认证中心CA（Certificate Authority），是电子交易中受信任的第三方机构，负责生成、颁发、撤销和管理证书，提供对各个交易实体身份和密钥的认证。

• 根据国际电信联盟制定的X.509 标准为电子交易系统中的各个实体颁发证书。X.509证书包含版本号、证书序列号、证书有效期限、拥有者的唯一标识名、拥有者的公开密钥信息、CA的唯一标识名、CA的数字签名与签名算法等内容（见PKI证书格式）。

AttributeCertificate ::= SEQUENCE {acinfo               AttributeCertificateInfo,signatureAlgorithm    AlgorithmIdentifier,signatureValue        BIT STRING}AttributeCertificateInfo ::= SEQUENCE {version               AttCertVersion, --version is v2,holder                Holder,issuer                AttCertIssuer,signature             AlgorithmIdentifier,serialNumber          CertificateSerialNumber,attrCertValidityPeriod   AttCertValidityPeriod,attributes             SEQUENCE OF Attribute,issuerUniqueID        UniqueIdentifier  OPTIONAL,extensions            Extensions  OPTIONAL}

• 在SET协议下，不同的CA结点构成多个信任层次，呈树型结构。如果通信实体对签发证书的CA结点本身不信任，可通过回溯祖先结点的方法向上层CA验证该CA结点的身份，以确定证书的有效性，依此类推，可一直追溯到公认权威的Root CA处。
• 不同层次的CA结点之间，也可通过回溯共同祖先结点的方法进行相互认证。这样，SET协议下电子交易系统中的各种实体或角色包括CA自身都能够通过证书予以认证。