《计算机网络—自顶向下方法》（第7版）第8章：计算机网络中的安全，学习笔记

1 什么是网络安全

安全通信所需要具备的特性：

1. 机密性 —— 通过对报文进行加密，使得报文内容仅有发送方和接收方能够理解报文内容，其他窃听者虽然可以截获报文，但却无法理解报文内容。
2. 报文完整性 —— 接收方在收到报文后，能够检验出报文在传输过程中是否被意外改动或者人为篡改。CRC、检验和就是一种用于检验报文完整的方式。
3. 端点鉴别 —— 发送方和接收方都应该能够证实对方的身份。例如发送方声称自己是“Alice”，对于安全的通信来说，接收方需要能够确认发送方的身份的确是“Alice”。
4. 运行安全性 —— 对与一个与互联网连接的机构（或者个人）来说，希望能够实时监控流入和流出该机构的分组，以预防攻击者安放蠕虫病毒、获取公司机密。防火墙与入侵检测系统就是用于维护网络的运行安全性的。

2 加密的方式——机密性

发送方通过加密算法将原始报文（明文）生成密文，然后将密文发送给接收方。加密算法都涉及到了用一个东西替换另一个东西的思想。加密算法可分为两类：对称密钥加密和公开密钥加密。

2.1 对称密钥加密

举个例子：

发送者将报文中的所有字母所对应的ASCII码减3（明文"hello" -> 密文"ebiil"）。接收方收到报文后需要对报文中所有字母对应的ASCII码加3才能得到原始报文（密文"ebiil"->明文"hello"）。

这个例子中加密算法是：将ASCII加3（发送方）和减3（接收方），密钥是：3。密钥作为加密算法的输入，通常是一串数字或字符。在对称密钥加密方式中，发送方和接收方的密钥是相同的，且这个密钥只有他们两个知道。简单的对称加密算法——如上面那个例子或者密码本，可以利用报文中某些单词出现的概率，或者报文中肯定会出现的单词（如接收者的名字）等信息来破解密文。为了加大破解难度，某些对称加密算法在加密过程中混入一些随机性，如块密码中通常使用了密码块连接技术。

此外对称加密还存在一个问题：密钥如何分发？ 似乎只能是双方首先见个面，人为协商确定密钥。

2.2 公开密钥加密

公开密钥加密可以很好的解决对称密钥加密中密钥分发的问题。在公开密钥加密方式中，接收方有两个密钥，一个是世界上任何一个人都可以得到的公钥，另一个是只有接收方自己知道的私钥。可以用符号 $K^{+}$ 和 $K^{-}$ 分别表示公钥和私钥。 公开密钥加密算法能够实现 $K^{-}(K^{+}(m))=m$ (m是报文)，即用公钥加密后的报文只能用对应的私钥解开。举个例子：

当 Alice 向 Bob 发送一个消息 m 时，Alice 首先会使用 Bob 的公钥 $K_B^{+}$ 对报文进行加密，得到密文 $K_B^{+}(m)$ ，然后将密文发送给 Bob。 Bob在收到密文后，用自己的私钥 $K_B^{-}$ 对密文进行解密 $K_B^{-}(K_B^{+}(m))$ ，从而得到原始报文 m。

图2.1 公开密钥密码

在此用RSA加密算法举个例子，方便理解一下公开密钥加密。
RSA的加密算法是：

$$c=m^{e}modn$$

RSA的解密算法是：

$$m=c^{d}modn$$

上式中 m表示明文，c表示密文，mod表示取余运算，对数(n, e) 为公钥，对数(n, d)为私钥。假设 Alice 向 Bob 发送一个报文m = “love”，Alice知道Bob的公钥( $K_B^{+}$ )为(n=35,e=5)，Alice对报文的加密过程如下：

图2.2 Alice的RSA加密

表中的数字表示是将26个字母a 到 z放别用数字1~26表示。可以看出在不知道Bob的私钥情况下，很难找到规律来破解密文。当Bob收到密文后会使用自己的私钥(n=35,d=29)来解密：

图2.3 Bob的RSA加密

公开密钥加密存在的问题： 对于一个长报文来说，使用 RSA 算法的计算量是非常大，而对称密钥加密算法的计算量通常会小很多。此外就是公钥认证的问题，若Trudy骗Alice，说Bob的公钥是xxx（其实这是Trudy自己的公钥），然后Alice给Bob发消息时，Trudy就可以截获并用自己的私钥破解报文，而Bob则完全看不懂报文。

两种加密方式的混合使用（解决对称密钥分发问题）： 在实际应用中 RSA 和对称密钥加密是结合使用的，因为对于一个长报文来说，使用 RSA 算法的计算量是非常大。例如，Alice给Bob发送报文m前，先选择一个用于加密报文的会话密钥 $K_S$（也就是对称密钥），将报文加密得到密文 $K_S(m)$，然后用Bob的公钥将会话密钥加密得到 $K_B^{+}(K_S)$，最后将 $K_S(m)$ 和 $K_B^{+}(K_S)$ 一起发送给Bob，Bob收到后现有自己的私钥解开 $K_B^{+}(K_S)$ 得到会话密钥，然后用会话密钥获取原始报文m。

3 报文鉴别码——报文完整性

密码散列函数： 和 CRC 和 检验和 类似，密码散列函数以报文m作为输入，计算得到一个固定长度的字符串 H(m) 。此外密码散列函数还具有这样一个性质，找到任意两个不同的报文x和y使得H(x)=H(y)，在计算上是不可能的。MD5散列算法就是一个被广泛使用的密码散列函数。

报文鉴别码（缩写为 MAC）： Bob将报文m 和 鉴别密钥s（s是对称密钥，只有Bob和Alice知道） 输入密码散列函数得到报文鉴别码 H(m+s) ,然后H(m+s)附加到m上，生成一个扩展报文 (m, H(m+s)) 发送给Alice，Alice收到后，将从报文中取出的 m 和自己已知的 s 输入密码散列函数得到H(m+s)，最后Alice将自己算出的 H(m+s) 与Bob发送过来的 H(m+s) 做对比，如果相同则说明报文在传输过程中没有被改动。

图3.1 报文鉴别码

4 数字签名——报文完整性、端点鉴别

4.1 数字签名技术的基础

其实要是公开密钥加密算法中的公钥和私钥加密能够交换，我们就能得到更神奇的结果：$K^{-}(K^{+}(m))=K^{+}(K^{-}(m))=m$ 。即用私钥加密后的报文只能用对应的公钥解开。其实这就是数字签名技术的基础。我们回到 Alice 和 Bob 的例子：

如果 Bob 将报文 m 输入密码散列函数得到报文 H(m) ，然后用自己的私钥对 H(m) 进行加密得到 数字签名 $K_B^{-}(H(m))$，最后将报文连同数字签名 (m, 数字签名 )一起发送给 Alice 。Alice在收到后，为了确定报文是 Bob 发过来的，Alice用 Bob 的公钥尝试解开数字签名得到H(m)，然后将收到的报文m输入散列函数得到自己算出的H(m)。若两个H(m)相同，则说明报文确实是 Bob 发送的，因为只有 Bob 知道 Bob的私钥，并且也证实了报文传送过程中没有被改动。

图4.1 Bob发送数字签名的报文

图4.2 Alice验证数字签名报文

4.2 公钥认证

公钥认证，即证实一个公钥属于某个特定的实体，用在许多安全的网络协议中，包括IPsec和SSL。将公钥与特定实体绑定通常是由认证中心（ CA）完成的，CA 的职责就是使识别和发行证书合法化。

1. CA 证实一个实体(一个人、 一台路由器等)的真实身份。
2. 一旦CA验证了某个实体的身份，这个CA会生成一个将其身份和实体的公钥绑定起来的证书(certificate) 这个证书包含这个公钥和公钥所有者全局唯一的身份标识信息(例如，一个人的名字或一个IP地址)。由CA对这个证书进行数字签名。的职责就是使识别和发行证书合法化。

Bob给Alice发送报文m的同时,他也发送了其CA签署的证书。Alice使用CA的公钥来核对Bob证书的合法性并提取Bob的公钥。这要就可以确定证书里面的公钥确实属于 Bob 了。

5 案例——设计安全电子邮件系统

本节利用对称密钥密码、公开密钥密码、散列函数和数字签名，设计一个安全电子邮件系统。我们还是以Bob和Alice为例，当Alice给Bob发送一个报文时，会进行如下工作：

图 5.1 Alice给Bob发送报文的过程：Alice使用对称密钥密码、公开密钥密码、散列函数和数字签名来提供安全性、发送方鉴别和报文完整性

Bob接收到以后只要按照相反的动作将密文解开即可。最后就是Alice利用4.2节中的CA认证的方式将自己的公钥发给Bob即可。像 SSL 、IPsec 等安全的网络协议的原理都与之类似。