网络安全威胁
拟人模型
在网络通信中，数据肯定有发送方和接收方，在全双工通信的时候双方既为发送者也为接受者，这便是图上的Alice和Bob，而Trudy可以指破坏通信的软件，也可以指破坏通信的主机。如：
- 病毒（virus）
- 蠕虫（worm）
- 间谍软件（spyware）：记录键盘输入、web站点访问、向收集站点上传信息等
映射（Mapping）
在任何网络攻击发起之前都会有一个映射，这是发起攻击前的“探路”（case the joint），即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）：获得主机地址后依次尝试与每个端口建立TCP连接
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（例如账户密码）
- 不一定所有的嗅探都是有害的，Wireshark就是一个典型免费的分组嗅探软件
- 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
入口过滤（ingress filtering），即路由器不转发源IP地址无效的IP分组（例如当源IP地址不属于所连接网络时）。这是很有效的对策！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，例如C与另一个远程主机协同对A进行SYN攻击。
利用TCP连接的三次握手过程，Trudy向服务器发送第一次握手，服务器给建立TCP连接分配资源，发送第二次握手，但是Trudy在发送第一次握手之后不再做任何响应，服务器接收不到三次握手信号，一直发送第二次握手信息。大量的类似TCP连接产生后，服务器会陷于拒绝服务的状态。
对策：在接收到第一次握手信号后不立即分配资源，而是将源IP、目的IP、源端口、目的端口、随机数构成的五元组哈希成服务器的序列号y，并且发送二次握手信号。此时服务器不进行超时重传等机制。如果再接收到ACK为y+1第三次握手信号才去分配资源。所以在接收到第一次握手后服务器可以保留一份y到五元组的映射，这样的话在接收到ACK为y+1第三次握手信号之后就可以查一下y是否在哈希表中，如果在便可以为为客户端分配资源。
密码学名词
对称秘钥加密
对称密码是我们最容易被理解的密码算法，其对应上图就是，也就是说对于一次加密过程，我们进行一次逆过程就可以完成解密。
DES
Data Encryption Standard。IBM公司研制。DES的部分部分是保密的。
- 1972年，美国国家标准局开始实施计算机数据保护标准的开发计划。
- 1973年5月13日，NBS征集在传输和存贮数据中保护计算机数据的密码算法。
- 1975年3月17日，首次公布DES算法描述。
- 1977年1月15日，正式批准为加密标准，当年7月1日正式生效。
- 1994年1月的评估后决定1998年12月以后不再将DES作为数据加密标准。
AES
Advanced Encryption Standard，1997年美国国家标准技术研究所NIST宣布征集AES算法，要求：
- 可公开加密方法
- 分组加密，分组长度为128位
- 至少像3DES一样安全
- 更加高效、快
- 可提供128/192/256位密钥
- 比利时学者Joan Daemen和Vincent Rijmen提出的Rijndael加密算法最终被选为AES算法。
- NIST在2001年12月正式颁布了基于Rijndael算法AES标准
公钥密码学
公钥密码也是非对称密码。公钥加密算法一般由五个部分组成：
- 原文（Message）：需要加密的信息，可以是数字、文字、视频、音频等，用
表示。
- 密文（Ciphertext）：加密后得到的信息，用
表示。
- 公钥（Public Key）和私钥（Private Key），用
和
表示。
- 加密算法（Encryption）：若
#card=math&code=E%28x%29&id=W8Cwi)为加密算法，加密过程可以理解为
#card=math&code=C%3DE%28m%29&id=QbVps)，根据原文和加密算法得到密文。
- 解密算法（Decryption）：若
#card=math&code=D%28x%29&id=ZMv7U)为解密算法，解密过程可以理解为
#card=math&code=M%3DD%28c%29&id=IpIql)，根据密文和解密算法得到原文。
对于公钥密码学，我们不去探究他们的数学原理是什么，但是需要了解算法的特性和用途。我们先看算法的特性，在下面的其他部分再看算法的用处。
我们先不考虑公钥和私钥，将秘钥设为秘钥A和秘钥B，使用密钥A加密数据得到的密文，只有密钥B可以进行解密操作（即使密钥A也无法解密），对应的，使用了密钥B加密数据得到的密文，只有密钥A可以解密。此时我们把一个秘钥公开出去，一个秘钥自己掌握，便区分为公钥和私钥。而根据不同用途，对数据进行加密所使用的密钥也不相同，即有时用公钥加密，私钥解密；有时则相反，用私钥加密，公钥解密。
数字签名
消息完整性
报文/消息完整性（message integrity），也称为报文/消息认证（或报文鉴别），指在传输、存储信息或数据的过程中，确保信息或数据不被未授权的篡改或在篡改后能够被迅速发现。它有几个核心目标：
- 证明报文确实来自声称的发送方
- 验证报文在传输过程中没有被篡改
- 预防报文的时间、顺序被篡改
- 预防报文持有期被修改
- 预防抵赖
- 发送方否认
- 接收方否认
密码散列函数
密码散列函数（Cryptograph ic Hash Function）的特点：
- 散列算法公开
- H(m)能够快速计算
- 对任意长度报文进行映射，均产生定长输出
- 对于任意报文无法预知其散列值
- 不同报文不能产生相同的散列值
- 单向性：无法根据散列值倒推出报文，即对于给定散列值h，无法计算找到满足h = H(m)的报文m
- 抗弱碰撞性（Weak Collision Resistence-WCR），即对于给定报文x，计算上不可能找到y且y≠x，使得H(x)=H(y)。
- 抗强碰撞性（Strong Collision Resistence-SCR），在计算上，不可能找到任意两个不同报文x和y(x≠y)，使得
H(x)=H(y)。
散列函数算法
MD5：被广泛应用的散列函数（RFC 1321）。对任意长度的报文输入，计算输出128位的散列值。但是MD5不是足够安全，1996年，Dobbertin找到了两个不同的512-bit块，在MD5计算下产生了相同的散列值
SHA-1：Secure Hash Algorithm，SHA-1要求输入消息长度，SHA-1的散列值为160位。其速度慢于MD5，安全性优于MD5。
报文摘要
Message digests，对报文m应用散列函数H，得到一个固定长度的散列码，称为报文摘要（message digest），记为H(m)。可以作为报文m的数字指纹（fingerprint）。
报文认证
简单的报文认证
报文认证码MAC
Message Authentication Code。在简单报文的基础上，加上认证密钥（对称秘钥）。
- 否认
- 发送方不承认自己发送过某一份报文
- 接收方不承认自己接收过某一份报文
- 伪造：接收方自己伪造一份报文，并声称来自发送方
- 篡改：接收方对收到的信息进行篡改
数字签名
- Bob签名了m。
- 没有其他人签名m的可能。即这份报文只能是来自Bob。
- Bob签名的是m而不是其他报文m。因为只有Bob知道他自己的私钥。
同时，Alice没有Bob的私钥，不可能伪造，篡改Bob发来的报文。
数字签名相比于MAC又能解决更多的问题，但是数字签名不能解决“接收方不承认自己接收过某一份报文”的问题，想要解决这个问题必须采用其他的协议。
秘钥分发
KDC
Key Distribution Center。对称秘钥的问题便是如何建立共享秘钥。即在Alice和Bob通信过程中，如何保证双方接收到的会话秘钥都是正确的且没有被Trudy接收到。而解决办法就是设立一个可信任的密钥分发中心作为中介。
密钥分发中心是一种运行在物理安全服务器上的服务，KDC维护着领域中所有安全主体账户信息数据库。与每一个安全主体的其他信息一起，KDC存储了仅安全主体和KDC知道的加密密钥，这个密钥也称长效密钥（主密钥），用于在安全主体和KDC之间进行交换。而用于Alice和Bob相互认证的会话密钥就是由KDC分发的。
- Alice使用自己和KDC共享的那一份秘钥加密自己和Bob的信息。表示自己想和Bob通信。
- KDC使用Bob和KDC共享的那份秘钥加密Alice的信息和给本地通信颁发的会话秘钥R1。设为E。
- KDC将E用Alice的秘钥加密，发送给Alice。
- Alice用自己的秘钥解密后，可以获得E。
- Alice将E发送给Bob，Bob用其有KDC共享的秘钥解密E后就可以知道自己需要和Alice使用R1通信。
CA
Certification Authority。公钥通信的问题就是如何保证接收方接到的是发送方的公钥。即如何避免中间人攻击。
中间人攻击
可信任的认证中心
中间人攻击的解决方案就是寻找一个可信任的认证中心。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。需要Bob的个人信息和Bob的公钥。
- 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”
HTTPS
数字证书
我们上面的https能够抵御中间人攻击，但是却无法抵御回放攻击。什么是回放攻击呢？
假如Alice想向Bob转10块钱。Alice发送一个报文个给支付宝，Alice和支付宝之间的通信使用https进行加密，此时Trudy通过嗅探的方式获得了这个数据包，虽然Trudy无法知道这个报文的内容是什么，但是如果Trudy将这个报文多次发送给支付宝，Alice就相当于转了好多次钱给Bob。那么该如何解决呢？
一次性随机数
Alice在向服务器发送转账报文之前，先向服务器申请一个一次性随机数，服务器在生成这个随机数R后一边将其存储在服务器上（设为表X），一边再将其发送给Alice。然后在发送转账报文的时候将R+1附在报文上，服务器收到报文后解密报文再减一得到便可以得到R，然后再查表X，此时服务器就知道R没有被使用过，在处理完此次请求后，服务器将R从表X中删除。如果Trudy伪造了一份报文发送给服务器，服务器在表中查不到R，便不会处理此次请求。
过期时间
一次性随机数可以抵御回访攻击，但是还有点缺陷，就是如果Alice在获得R后不发送转账报文，表X中的R永远不会被删除，就会造成内存泄漏。此时可以将表中的每个随机数设置一个过期时间，便可以很好的解决这个问题。
SSH
SSH是一种网络协议，用于计算机之间的加密登录。如果一个用户从本地计算机，使用SSH协议登录另一台远程计算机，我们就可以认为，这种登录是安全的，即使被中途截获，密码也不会泄露。
SSH使用的加密方式也是公钥加密技术，所以其和https面临相同的问题，就是中间人攻击。但是和https寻找CA认证不同，SSH采用用户自行确认的方式进行认证。
所以在第一次登录到对方主机的时候，系统会出现类似下面的提示：
$ ssh user@hostThe authenticity of host 'host (12.18.429.21)' can't be established.RSA key fingerprint is 98:2e:d7:e0:de:9f:ac:67:28:c2:42:2d:37:16:58:4d.Are you sure you want to continue connecting (yes/no)?
很自然的一个问题就是，用户怎么知道远程主机的公钥指纹应该是多少？回答是没有好办法，远程主机必须在自己的网站上贴出公钥指纹，以便用户自行核对。
如果用户经过核对（或者不核对）之后确定是对方主机，就可以和对方主机建立连接。然后便是输入用户名密码的环节了。
参考
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