【TCP/IP】20. 因特网安全

20. 因特网安全

20.1 安全威胁

网络安全威胁是指对网络资源的机密性、完整性、可用性和非否认性造成的危害，主要分为被动攻击和主动攻击两类。

1. 被动攻击
   攻击者不修改数据，仅通过截获和分析信息获取利益，目标是 “获取信息”。
   • 手段：截获传输中的数据并分析。
   • 分类：
     • 析出消息内容：从截获的信息中提取有用数据（如未加密的明文）；若信息加密，攻击者会尝试破解以获取内容。
     • 通信量分析：通过分析消息模式（如通信主机标识、通信频率 / 长度），推测通信性质（如是否在传输敏感数据）。
   • 特点：难以检测（不干扰数据传输），但可通过加密等技术预防。
2. 主动攻击
   攻击者直接修改、伪造数据或干扰系统运行，目标是 “破坏或篡改信息”。
   • 手段：篡改数据、伪造身份、阻止合法访问。
   • 分类：
     • 篡改消息：非法修改传输中的数据（如修改订单金额），破坏信息完整性。
     • 伪装：冒充合法用户或实体（如伪造 IP 地址），破坏信息真实性。
     • 拒绝服务（DoS/DDoS）：通过大量请求耗尽系统资源（如带宽、服务器算力），阻止合法用户访问，破坏系统可用性。
   • 特点：难以预防（攻击点多样），但易检测（数据或行为异常）。

20.2 安全服务

安全服务是网络安全系统提供的保护机制，用于抵御安全威胁，主要包括以下 9 类：

1. 机密性
   • 作用：保护信息不被未授权者获取（抵御被动攻击）。
   • 实现：
     • 通过加密技术防止消息内容被析出；
     • 通过流量填充（生成伪造流量）干扰通信量分析。
   • 应用：可保护整个消息流、单个消息或消息中的特定字段。
2. 完整性
   • 作用：确保信息未被非法篡改（抵御主动攻击中的篡改消息）。
   • 分类：面向连接的完整性（持续验证）、无连接的完整性（单次验证）。
   • 实现：通过报文鉴别码（MAC）或散列函数检测数据是否被修改，若发现篡改则报告并按需恢复。
3. 身份认证（真实性）
   • 作用：确认通信双方的真实身份（抵御伪装攻击）。
   • 实现：通过交换认证信息（如口令、数字证书、生物特征）验证对等实体的合法性，确保通信对象可信。
4. 访问控制
   • 作用：限制对网络资源的访问，仅授权用户可操作（如文件、数据库、服务器）。
   • 实现：基于身份、角色或权限的策略（如防火墙规则、操作系统权限设置）。
5. 非否认性
   • 作用：防止发送方或接收方抵赖已传输的信息（如交易记录、合同）。
   • 实现：通过数字签名（发送方无法否认发送）和第三方仲裁（双方共同信任的机构验证）。
6. 可用性
   • 作用：保障系统持续正常提供服务（抵御拒绝服务攻击）。
   • 实现：
     • 严格的访问控制和防病毒措施；
     • 资源分布与冗余（如集群服务器、多链路）；
     • 数据备份和快速恢复机制。
7. 安全审计
   • 作用：检查安全事件的跟踪记录（如登录日志、操作记录），追溯攻击源或违规行为。
   • 实现：记录系统活动，定期分析日志以发现异常。
8. 入侵检测
   • 作用：检测试图破坏系统机密性、完整性或可用性的行为（如病毒、黑客攻击）。
   • 实现：基于特征（已知攻击模式）或异常（偏离正常行为）的检测算法。
9. 事故响应
   • 作用：在安全事件发生后，按预案快速处理（如隔离攻击、恢复系统、追查责任），减少损失。

20.3 基本安全技术

为实现安全服务，需依赖多种核心技术，主要包括以下 7 类：

20.3.1 密码技术

密码技术是网络安全的基础，通过加密 / 解密保护信息机密性，分为编码学（加密）和密码分析学（破解）。

• 基本模型：
  • 明文：加密前的原始信息；
  • 密文：加密后的不可理解信息；
  • 加密算法：将明文转换为密文的规则；
  • 解密算法：将密文还原为明文的规则（加密算法的逆过程）；
  • 密钥：控制加密 / 解密过程的参数（算法公开，密钥保密）。
• 分类：
  • 对称密码体制（如 DES、AES）：加密和解密使用相同密钥，效率高但密钥分发困难（适合封闭网络）；
  • 非对称密码体制（如 RSA）：加密用公钥，解密用私钥，密钥分发方便（公钥可公开），但算法开销大（适合密钥交换）。

20.3.2 报文鉴别技术

用于证实收到的报文来自可信源且未被篡改（抵御主动攻击）。

• 报文鉴别码（MAC）：
  • 发送方用密钥和算法对报文生成定长 MAC，附加在报文后；
  • 接收方用相同密钥和算法重新计算 MAC，若与报文中的 MAC 匹配，则确认完整性和源真实性。
• 散列函数（Hash Function）：
  • 输入为变长报文，输出为定长散列码（报文摘要 MD），具有 “单向性”（无法从散列码反推报文）和 “抗碰撞性”（不同报文难生成相同散列码）。
  • 常用算法：
    • MD5：生成 128 位散列码，输入按 512 比特分组处理（已被攻破）；
    • SHA-1：生成 160 位散列码，输入最大长度 2⁶⁴比特（已被攻破）；
    • HMAC：结合散列函数和密钥，增强安全性（可替换底层散列函数）。

20.3.3 身份认证技术

确认被认证对象的真实性，基于 “唯一属性” 验证（如口令、生物特征）。

• 基于口令的认证：用户提交口令，系统与存储的口令比对（简单但易被窃取）。
• 双因素认证：结合两种不同属性（如口令 + 硬件令牌），安全性更高。
• 询问 - 响应机制：
  • 示例：挑战握手鉴别协议（CHAP），通过三次握手周期性认证：
    1. 认证方发送随机 “挑战码”；
    2. 被认证方用密钥加密挑战码，返回 “响应”；
    3. 认证方解密响应，与原始挑战码比对，一致则认证通过。
• Kerberos：基于第三方（密钥分发中心 KDC）的认证系统，适用于开放网络，通过票据授予服务（TGS）分发加密票据，实现身份验证。
• X.509：国际电信联盟定义的认证框架，基于公钥证书（包含用户公钥和认证机构签名），广泛用于 SSL/TLS 等协议。

20.3.4 数字签名技术

用于保证信息完整性、源真实性和非否认性，类似 “电子签名”。

• 生成过程：
  1. 发送方用散列函数（如 SHA-1）计算报文的摘要；
  2. 用自己的私钥对摘要加密，生成 “数字签名”；
  3. 将签名附加在报文后发送。
• 验证过程：
  1. 接收方用相同散列函数计算报文摘要；
  2. 用发送方的公钥解密签名，得到原始摘要；
  3. 比对两个摘要，一致则确认完整性和源真实性。

20.3.5 虚拟专用网（VPN）技术

依托公用网络（如因特网），通过加密、封装等技术构建 “虚拟专用链路”，提供类似专用网络的安全性。

• 核心技术：封装（隐藏原始地址）、加密（保护内容）、鉴别（验证节点）、访问控制。
• 分类：
  • 远程访问 VPN（Access VPN）：供远程用户（如员工）接入企业网；
  • 内部网 VPN（Intranet VPN）：连接企业分支机构，构建统一内部网；
  • 外部网 VPN（Extranet VPN）：连接企业与合作伙伴，共享部分资源。

20.3.6 防火墙技术

隔离可信网络（如企业内网）与不可信网络（如因特网），控制出入流量的访问控制设备。

• 本质：实施访问控制策略的系统（可为路由器、专用设备或软件）。
• 体系结构：
  • 静态包过滤：基于 IP 地址、端口等静态字段过滤，简单但灵活性差；
  • 动态包过滤：结合连接状态（如 TCP 三次握手）过滤，支持临时开放端口；
  • 电路级网关：在传输层建立 “代理连接”，隐藏内网细节；
  • 应用级网关：在应用层代理特定服务（如 HTTP、FTP），细粒度控制但效率低。

20.3.7 防病毒技术

抵御计算机病毒（具有传染性、破坏性的恶意程序）。

• 病毒特点：传染性、隐蔽性、潜伏性、破坏性、触发性（如特定时间激活）。
• 病毒结构：
  • 引导模块：将病毒载入内存，激活其他模块；
  • 传染模块：复制病毒到其他文件或系统；
  • 破坏模块：实施破坏（如删除文件、格式化磁盘）。
• 防御手段：杀毒软件（特征码匹配、行为分析）、防火墙、定期备份。

20.4 IP 层安全

IP 层安全主要通过IPSec（IP Security） 协议族实现，提供鉴别、机密性和密钥管理，保护 IP 数据报传输。

1. IPSec 体系结构

   • 核心组成：
     • 安全协议：鉴别首部（AH）和封装安全有效载荷（ESP）；
     • 安全关联（SA）：定义通信双方的安全策略（如算法、密钥）；
     • 密钥管理：交换和维护加密 / 鉴别密钥；
     • 算法：加密（如 AES）、鉴别（如 HMAC-SHA）算法。
   • 保护范围：主机与主机、安全网关之间、主机与安全网关之间的通信。
   • 安全服务：访问控制、无连接完整性、数据源鉴别、抗重放攻击、机密性、有限流量机密性。

2. 安全关联（SA）

   • 定义：通信双方为保护流量达成的 “安全约定”，标识为SA =（SPI，IPDA，协议）：
     • SPI（安全参数索引）：32 位值，区分相同目的地和协议的不同 SA（本地有效）；
     • IPDA（IP 目的地址）：单播地址（目前仅支持单播）；
     • 协议：AH 或 ESP。
   • 作用：接收方通过 SPI 确定对应的 SA，应用约定的安全策略。

3. 鉴别首部（AH）

   • 功能：提供无连接完整性、数据源鉴别、抗重放攻击（可选），不提供机密性。

   • 首部格式

     （固定 32 字节 + 可变部分）：

     • 下一个首部（8 位）：标识 AH 后的协议（如 TCP、UDP）；
     • 载荷长度（8 位）：AH 首部长度（单位 32 位字 - 2）；
     • 保留（16 位）：为 0；
     • SPI（32 位）：安全参数索引；
     • 序列号（32 位）：防止重放攻击（递增）；
     • 鉴别数据（可变）：用密钥计算的散列值（验证完整性和源）。

   • 工作模式：

     • 传输模式：保护 IP 数据报的上层协议（如 TCP），适用于主机间端到端通信；
     • 隧道模式：保护整个 IP 数据报（加新 IP 首部），适用于安全网关间通信（隐藏原始地址）。

4. 封装安全有效载荷（ESP）

   • 功能：提供机密性（必选）和鉴别（可选），支持访问控制、抗重放攻击。
   • 格式：
     • 首部：SPI（32 位）、序列号（32 位）；
     • 载荷：加密的上层数据；
     • 尾部：填充（满足加密块对齐）、填充长度（8 位）、下一个首部（8 位）；
     • 鉴别数据（可选）：验证完整性和源。
   • 工作模式：
     • 传输模式：加密 IP 数据报的上层数据（如 TCP），保留原始 IP 首部；
     • 隧道模式：加密整个原始 IP 数据报，添加新 IP 首部（隐藏原始地址）。

20.5 传输层安全

传输层安全主要通过SSL（安全套接层） 协议实现，位于 TCP 之上、应用层之下，为应用层提供安全传输（如 HTTPS）。

1. SSL 协议组成
   • 记录协议：封装高层协议数据，提供压缩、加密和 MAC 保护；
   • 握手协议：最复杂部分，用于双方认证身份、协商加密算法（如 AES）、MAC 算法（如 HMAC-SHA）和会话密钥；
   • 修改密文协议：单个字节（值为 1），用于更新当前加密状态（将挂起的密钥 / 算法生效）；
   • 告警协议：传递告警信息（如 “警告” 或 “致命” 级别），如证书无效、算法不支持。
2. TLS 与 SSL 的关系
   • TLS（传输层安全）是 IETF 标准化的 SSL 版本，与 SSLv3 类似，但存在差异：
     • 版本号不同（TLS 为 3.1，SSLv3 为 3.0）；
     • MAC 计算、密钥扩展函数、告警代码等细节不同。

20.6 应用层安全

应用层安全针对特定应用协议（如 HTTP、电子邮件）提供增强保护，主要包括 S-HTTP 和 S/MIME。

20.6.1 安全超文本传输协议（S-HTTP）

• 定义：HTTP 的安全增强版本，为 Web 通信提供机密性、完整性和鉴别。
• 特点：
  • 支持多种加密算法（如 RSA、AES）、散列函数（如 SHA-1）和数字签名；
  • 保留 HTTP 的事务模型，消息格式为 “请求行 / 状态行 + 首部 + 实体”，首部可加密；
  • 用 “Secure” 方法和 “Secure-HTTP/1.4” 标识，与 HTTP 共享 80 端口。
• 安全机制：
  • 消息签名（防抵赖）、消息鉴别（防篡改）、消息加密（防泄露）；
  • 支持密钥管理（如公钥交换、对称密钥预分配）和抗重放攻击（询问 - 响应机制）。

20.6.2 电子邮件安全（S/MIME）

• 定义：对 MIME（多用途因特网邮件扩展）的安全扩展，保护电子邮件及其他 MIME 传输（如 HTTP）。
• 安全服务：报文完整性、机密性、非否认性。
• 内容类型：通过 MIME 首部标识安全实体，主要包括：
  • multipart/signed：明文 + 签名部分；
  • application/pkcs7-mime; smime-type=signed-data：签名的 MIME 实体；
  • application/pkcs7-mime; smime-type=enveloped-data：加密的 MIME 实体。
• 签名过程：
  1. 准备 MIME 实体，用 SHA-1/MD5 计算散列值；
  2. 用发送方私钥加密散列值，生成签名；
  3. 打包签名者证书、算法标识和签名，Base64 编码后添加 S/MIME 首部。
• 验证过程：
  1. 对接收的实体 Base64 解码；
  2. 用发送方公钥解密签名，得到原始散列值；
  3. 重新计算实体散列值，比对一致则验证通过。

本章要点

• 安全威胁分为被动攻击（难检测、可预防）和主动攻击（难预防、易检测），被动攻击包括析出消息内容和通信量分析，主动攻击包括篡改消息、伪装和拒绝服务。
• 安全服务包括机密性、完整性、身份认证等 9 类，分别通过加密、鉴别、访问控制等技术实现。
• 基本安全技术核心包括：密码技术（对称 / 非对称加密）、报文鉴别（MAC / 散列函数）、身份认证（口令 / Kerberos/X.509）、数字签名（防抵赖）、VPN（虚拟专用链路）、防火墙（访问控制）、防病毒（抵御恶意程序）。
• IP 层安全通过 IPSec 实现，AH 提供鉴别，ESP 提供加密和鉴别，均支持传输和隧道模式，依赖安全关联（SA）定义安全策略。
• 传输层安全以 SSL/TLS 为核心，通过记录协议和握手协议提供加密和鉴别。
• 应用层安全包括 S-HTTP（Web 安全）和 S/MIME（电子邮件安全），分别增强 HTTP 和 MIME 的安全性。