网络安全的概念和协议

本节导读

大纲计算机网络的第 6 条是「网络安全的概念和协议」。这一节先讲安全威胁和安全目标，再讲密码体制、数字签名和密钥分配，最后讲网络各层的安全协议以及防火墙、入侵检测和 VPN。

常见的考法：名词解释（主动攻击与被动攻击、数字签名、防火墙）、简答（数字签名的过程、IPsec 两个协议的区别），以及 RSA、Diffie-Hellman 的小数值计算。学完你应该能说清「用谁的什么钥匙做什么」，这是这一节最容易混的地方。

安全威胁与安全目标

类别	形式	说明
被动攻击	截获（窃听）、流量分析	只观察不改动，难以检测，主要靠加密预防
主动攻击	篡改、伪造（假冒）、中断（拒绝服务）	改动数据流或破坏服务，主要靠检测和鉴别应对
恶意程序	计算机病毒、蠕虫、特洛伊木马、逻辑炸弹、后门	病毒附着在其他程序上传播；蠕虫通过网络自我复制传播；木马伪装成有用的程序

网络安全的基本目标是机密性（信息不被泄露）、完整性（信息不被篡改）、可用性（服务不被中断），此外还有真实性（鉴别对方身份）、不可否认性和访问控制。分布式拒绝服务攻击（DDoS）控制大量主机同时向目标发送请求，使其无法提供正常服务。

对称密钥密码

加密模型由明文、密钥、加密算法、密文、解密算法组成。现代密码学的原则是：算法可以公开，安全性只依赖于密钥的保密。对称密钥密码的加密和解密用同一个密钥：

算法	分组长度	密钥长度
DES	64 位	56 位有效密钥
三重 DES	64 位	112 位或 168 位
AES	128 位	128、192 或 256 位

对称密码速度快，适合加密大量数据，难点在于密钥分配：n 个用户两两之间保密通信需要 $\frac{n(n-1)}{2}$2n(n−1)​ 个密钥，常用密钥分配中心（KDC）解决。

公钥密码与 RSA

公钥密码每个用户有一对密钥：公钥公开，私钥自己保存，用其中一个加密的内容只能用另一个解密。要保密地发给 B，就用 B 的公钥加密，只有 B 的私钥能解开；n 个用户只需要 n 对密钥。

RSA 的密钥生成与加解密：选两个大素数 p、q，计算 n = pq 和 $\varphi(n) = (p-1)(q-1)$φ(n)=(p−1)(q−1)；选与 $\varphi(n)$φ(n) 互素的 e，求 d 使 $ed \equiv 1 \pmod{\varphi(n)}$ed≡1(modφ(n))；公钥是 (e, n)，私钥是 (d, n)。加密 $C = M^e \bmod n$C=Memodn，解密 $M = C^d \bmod n$M=Cdmodn。安全性来自大数分解的困难。例如 p = 11、q = 13：n = 143，$\varphi(n) = 120$φ(n)=120，取 e = 7，因为 $7 \times 103 = 721 = 6 \times 120 + 1$7×103=721=6×120+1，所以 d = 103。

Diffie-Hellman 密钥交换让双方在公开信道上协商出共享密钥：公开大素数 p 和底数 g；A 选秘密数 a，发出 $g^a \bmod p$gamodp；B 选秘密数 b，发出 $g^b \bmod p$gbmodp；双方各自算出 $g^{ab} \bmod p$gabmodp。它本身不鉴别对方身份，可能遭受中间人攻击，所以要配合数字签名或证书使用。

数字签名、报文摘要与证书

数字签名：发送方用自己的私钥对报文（实际上通常是对报文的摘要）进行签名，接收方用发送方的公钥验证。它能实现三个功能：报文鉴别（确认是谁发的）、报文完整性（没有被改过）、不可否认（只有发送方有私钥，事后无法抵赖）。既要签名又要保密时，先用发送方私钥签名，再用接收方公钥加密。

报文摘要由散列函数生成，常用的有 MD5（128 位）、SHA-1（160 位）和 SHA-2 系列。好的散列函数是单向的，而且很难找到两个散列值相同的不同报文。双方共享密钥时，也可以用报文鉴别码（MAC）检验完整性。实体鉴别常用「挑战—应答」方式：一方发一个一次性的随机数，另一方用密钥处理后返回。

公钥也需要可信地分发，否则可能被冒充。认证中心（CA）用自己的私钥给「某实体与某公钥的绑定」签名，生成数字证书（常见格式 X.509）；浏览器内置了根 CA 的证书，就能逐级验证网站证书。这一套体系叫公钥基础设施（PKI）。