网络安全协议

网络安全协议授课教师：董晓慧Email：[e-mail]为什么需要协议？密码学的用途是解决种种难题。密码学解决的各种难题围绕机密性、鉴别、完整性和不诚实的人。你可能了解各种算法和技术，但除非它们能够解决某些问题，否则这些东西只是理论而已。课程介绍密码协议网络安全应用：Kerberos、PGP、S/MIME、IPSec、SSL/TLS和SET等系统安全：网络入侵、恶意软件和防火墙等。参考书籍应用密码学（美）BruceSchneier著吴世忠等译机械工业出版社网络安全基础WilliamsStallings著白国强等译清华大学出版社第一章协议结构模块1.1协议概述什么是协议一系列步骤，它包括两方或多方，设计它的目的是要完成一项任务。协议的特点协议中的每个人都必须了解协议，并且预先知道所要完成的所有步骤协议中的每个人都必须同意并遵循它协议必须是清楚的，每一步必须明确定义，并且不会引起误解协议必须是完整的，对每种可能的情况必须规定具体的动作协议的目的计算机需要正式的协议来完成人们不用考虑就能做的事情。保证公平和安全根据完成某一任务的机理，协议抽象出完成此任务的过程。密码协议使用密码学的协议。参与该协议的伙伴可能是朋友和完全信任的人，或者也可能是敌人和互相完全不信任的人。协议中的角色为了帮助说明协议，列出了几个人作为助手。Alice和Bob是开始的两个人，他们将完成所有的两人协议。按规定，由Alice发起所有协议，Bob响应。如果协议需要第三或第四人，Carol和Dave将扮演这些角色。由其他人扮演的专门配角，将在后面介绍。剧中人人名角色Alice所有协议中的第一个参加者Bob所有协议中的第二个参加者Carol三、四方协议中的参加者Dave四方协议中的参加者Eve窃听者Mallory恶意的主动攻击者Trent值得信赖的仲裁者Walter监察人：在某些协议中保护Alice和BobPeggy证明人Victor验证者仲裁协议仲裁者是在完成协议的过程中，值得信任的公正的第三方。“公正”意味着仲裁者在协议中没有既得利益，对参与协议的任何人也没有特别的利害关系。“值得信任”表示协议中的所有人都接受这一事实，即仲裁者说的都是真实的，他做的是正确的，并且他将完成协议中涉及他的部分。仲裁者能帮助互不信任的双方完成协议。例1：Alice要卖汽车给不认识的Bob，Bob想用支票付账，但Alice不知道支票的真假。在Alice将车子转给Bob前，他必须查清支票的真伪。同样，Bob也并不相信Alice，就像Alice不相信Bob一样，在没有获得所有权前，也不愿将支票交给Alice。这时就需要双方信任的律师，在律师的帮助下，Alice和Bob能够用下面的协议保证互不欺骗。TrendAliceBob（1）Alice将车的所有权交给律师（2）Bob将支票交给Alice（3）Alice在银行兑现支票（4）在等到支票鉴别无误能够兑现的时间之后，律师将车的所有权交给Bob。如果在规定的时间内支票不能兑现，Alice将证据出示给律师，律师将车的所有权和钥匙还给Alice。例2：银行也使用仲裁协议。Bob能够用保付支票从Alice手中购买汽车：（1）Bob开一张支票并交到银行。（2）在验明Bob的钱足以支付支票上的数目后，银行将保付支票交给Bob。（3）Alice将车的所有权交给Bob，Bob将保付支票交给Alice。（4）Alice兑现支票。裁决协议由于雇用仲裁者代价高昂，仲裁协议可以分成两个低级的子协议一个是非仲裁子协议，执行协议的各方每次想要完成的；另一个是仲裁子协议，仅在例外的情况下，既有争议的时候才执行，这种特殊的仲裁者叫做裁决人。合同-签字协议可以归纳为下面的形式非仲裁子协议（每次都执行）：Alice和Bob谈判合同的条款Alice签署合同Bob签署合同裁决子协议（仅在有争议的时候执行）Alice和Bob出现在法官面前Alice提出他的证据Bob也提出他的证据法官根据证据裁决裁决者和仲裁者的不同：裁决者不总是必需的。对协议的攻击密码攻击可以直接攻击协议中所用的密码算法，或用来实现该算法和协议的密码技术，或攻击协议本身。我们仅讨论最后一种情况，假设密码算法和密码技术都是安全，只关注对协议本身的攻击。被动攻击与协议无关的人能够窃听协议的一部分或全部，因为攻击者不可能影响协议，所以他能做的事是观察协议并试图获取消息。主动攻击可能改变协议以便对自己有利。可能假装是其他一些人，在协议中引入新的消息，删除原有的消息，用另外的消息代替原来的消息，重放旧的消息，破坏通信信道，或者改变存储在计算机中的消息等；他们具有主动的干预。1.2使用对称密码学通信通信双方怎样安全地通信呢？当然，他们可以对通信加密。（1）Alice和Bob协商用同一密码系统。（2）Alice和Bob协商同一密钥。（3）Alice用加密算法和选取的密钥加密他的明文消息，得到了密文消息。（4）Alice发送密文消息给Bob。（5）Bob用同样的算法和密钥解密密文，然后读它。对称密码算法存在下面的问题密钥必须秘密地分配，它们比任何加密的消息更有价值，因为知道了密钥意味着知道了所有消息。如果密钥被损害了（被偷窃，猜出来，被逼迫交出来，受贿等等），那么Eve就能用该密钥去解密所有传送的消息，也能够假装是协议的一方，产生虚假消息去愚弄另一方。假设网络中每对用户使用不同的密钥，那么密钥总数随着用户数的增加迅速增多。1.3单向函数单向函数本身并不是一个协议，但对本书所要讨论的大多数协议却是一个基本结构模块。单向函数计算起来相对容易，但求逆却非常困难已知x，很容易计算f(x)，但已知f(x)，却难于计算x很好的例子：打碎盘子陷门单向函数有一个秘密陷门的一类特殊的单向函数。在一个方向上易于计算而反方向却难于计算；但是如果知道那个秘密，就能很容易在另一个方向上计算出这个函数。1.4单向散列函数单向散列函数有很多名字：压缩函数、收缩函数、消息摘要、指纹、密码校验和、信息完整性检验，操作检验码是现代密码学的中心，是许多协议的另一个结构模块。散列函数把可变输入长度串（叫做预映射）转换成固定长度（经常更短）输出串（叫做散列值）的一种函数。简单的散列函数就是对预映射的处理，并且返回由所有输入字节异或组成的一字节。消息鉴别码消息鉴别码（MessageAuthenticationCode,MAC）也叫数据鉴别码（DAC），它是带有秘密密钥的单向散列函数。散列值是预映射的值和密钥的函数。在理论上，与散列函数一样，只有拥有密钥的某些人才能验证散列值。1.5使用公开密钥密码学通信公开密钥密码学（public-keycryptography）使用两个不同的密钥，一个是公开的，另一个是秘密的。从公开密钥很难推断出私人密钥。持有公开密钥的任何人都可加密消息，但却不能解密，只有持有私人密钥的人才能解密。例：下面描述Alice怎样使用公开密钥密码发送消息给Bob（1）Alice和Bob选用一个公开密钥密码系统；（2）Bob将他的公开密钥传送给Alice；（3）Alice用Bob的公开密钥加密他的消息，然后传送给Bob；（4）Bob用他的私人密钥解密Alice消息。一般的说，网络中的用户约定一公开密钥密码系统，每一用户有自己的公开密钥和私人密钥，并且公开密钥在某些地方的数据库中都是公开的。这个协议就更容易了（1）Alice从数据库中得到Bob的公开密钥。（2）Alice用Bob的公开密钥加密消息，然后送给Bob。（3）Bob用自己的私人密钥解密Alice发送消息。混合密码系统(HybridCryptosystems)在大多数实际的实现中，公开密钥密码用来保护和分发会话密钥（sessionkey），这些会话密钥用在对称算法中，对通信消息进行保密，有时称这种系统为混合密码系统。例：（1）Bob将他的公开密钥发给Alice。（2）Alice产生随机会话密钥K，用Bob的公开密钥加密，并把加密的密钥Eb(K)送给Bob.（3）Bob用他的私人密钥解密Alice的消息，恢复出会话密钥：DB(EB(K))=K。（4）他们两人用同一会话密钥对他们的通信消息进行加密。1.6数字签名在文件上手写签名长期以来被用作作者身份的证明，或至少同意文件的内容，为什么？签名是可信的。签名使文件的接收者相信签名者是慎重地在文件上签字的。签名不可伪造。签名证明是签字者而不是其他人慎重地在文件上签字。签名不可重用。签名是文件的一部分，不法之徒不可能将签名移到不同的文件上。签名的文件是不可改变的。在文件签名后，文件不能改变。签名是不可抵赖的。签名和文件是物理的东西。签名者事后不能声称他没有签过名。使用对称密码系统和仲裁者对文件签名Trent是一个有权的、值得依赖的仲裁者。他能同时与Alice和Bob（也可以是其他想对数据文件签名的任何人）通信。他和Alice共享秘密密钥KA，和Bob共享另一个不同的秘密密钥KB。签名过程如下（1）Alice用KA加密她准备发送给Bob的消息，并把它传送给Trent。（2）Trent用KA解密消息。（3）Trent把这个解密消息和他收到Alice消息的声明，一起用KB加密。（4）Trent把加密的消息包传给Bob。（5）Bob用KB解密消息包，他就能读Alice所发的消息和Trent的证书，证明消息来自Alice。使用公开密钥密码术对文件签名有几种公开密钥算法能用作数字签名。在某些算法中，例如RSA，公开密钥或者私人密钥都可用作加密。用你的私人密钥加密文件，你就拥有安全的数字签名。在其他情况下，如DSA，算法便区分开来了——数字签名不能用于加密。签名过程如下（1）Alice用她的私人密钥对文件加密，从而对文件签名。（2）Alice将签名的文件传给Bob。（3）Bob用Alice的公开密钥解密文件，从未验证签名。使用公开密钥密码学和单向散列函数对文件签名在实际的实现过程中，采用公开密钥密码算法对长文件签名效率太低，为了节约时间，数字签名协议经常和单向散列函数一起使用。签名过程（1）Alice产生文件的单向散列值。（2）Alice用她的私人密钥对散列加密，凭此表示对文件签名。（3）Alice将文件和散列签名送给Bob。（4）Bob用Alice发送的文件产生文件的单向散列值，然后用数字签名算法对散列值运算，同时用Alice的公开密钥对签名的散列解密。如果签名的散列值与自己产生的散列值匹配，签名就是有效的。1.7带加密的数字签名通过把公开密钥密码和数字签名结合起来，能够产生一个协议，可把数字签名的真实性和加密的安全性合起来。例：想象你妈妈写的一封信：签名提供了原作者的证明，而信封提供了秘密性。（1）Alice用她的私人密钥对消息签名：SA(M)。（2）Alice用Bob的公开密钥对签名的消息加密，然后送给Bob：EB(SA(M))。（3）Bob用他的私人密钥解密：DB(EB(SA(M)))=SA(M)（4）Bob用Alice的公开密钥验证并且恢复出消息：VA(SA(M))=M。小结协议的定义协议的目的仲裁协议裁决协议使用对称密码学通信数字签名