网络安全

安全威胁

网络通信中面临的 4 种安全威胁

• 截获：窃听通信内容
• 中断：中断网络通信
• 篡改：篡改通信内容
• 伪造：伪造通信内容

网络层-ARP欺骗

ARP 欺骗 (ARP spoofing)，又称 ARP 毒化 (ARP poisoning)、ARP 病毒、ARP 攻击

ARP 欺骗可以造成的效果

• 可让攻击者获取局域网上的数据包甚至可篡改数据包
• 可让网络上特定电脑之间无法正常通信（例如网络执法官这样的软件）
• 让送至特定 IP 地址的流量被错误送到攻击者所取代的地方

ARP欺骗如何防护：

• 静态 ARP
• DHCP Snooping
  • 网络设备可借由 DHCP 保留网络上各电脑的 MAC 地址，在伪造的 ARP 数据包发出时即可侦测到
• 利用一些软件监听 ARP 的不正常变动

DoS、DDoS

DoS 攻击（拒绝服务攻击，Denial-of-Service attack）

• 使目标电脑的网络或系统资源耗尽，使服务暂时中断或停止，导致其正常用户无法访问

DDos 攻击（分布式拒绝服务攻击，Distributed Denial-of-Service attack）

• 黑客使用网络上两个或以上被攻陷的电脑作为"僵尸"向特定的目标发动 Dos 攻击
• 2018 年 3 月，GitHub 遭到迄今为止规模最大的 DDoS 攻击

DoS 攻击可以分为 2 大类

• 带宽消耗性型：UDP 洪水攻击、ICMP 洪水攻击
• 资源消耗型：SYN 洪水攻击、LAND 攻击

传输层-SYN洪水攻击

SYN 洪水攻击（SYN flooding attck）

• 攻击者发送一系列的 SYN 请求到目标，然后让目标因此收不到 ACK（第三次握手）而进行等待，消耗资源

攻击方法：

• 跳过发送最后的 ACK 信息
• 修改源 IP 地址，让目标发送 SYN-ACK 到伪造的 IP 地址，因此目标永不可能收到 ACK（第 3 次握手）

防护：

• 参考：RFC 4987

传输层-LAND攻击

LAND 攻击（局域网拒绝服务攻击，Local Area Network Denial attack）

• 通过持续发送 相同源地址和目标地址 的欺骗数据包，使目标试图与自己建立连接，消耗系统资源直至崩溃
• 有些系统存在设计上的缺陷，允许设备接受并响应来自网络、却宣称来自于设备自身的数据包，导致循环应答

防护：

• 大多数 防火墙 都能拦截类似的攻击包，以保护系统
• 部分操作系统通过发布 安全补丁 修复了这一漏洞
• 路由器 应同时配置上行与下行筛选器，屏蔽所有源地址与目标地址相同的数据包

DoS、DDoS防御

防御方式通常为：入侵检测、流量过滤、多重验证

• 堵塞网络带宽的流量将被过滤，而正常的流量可正常通过

防火墙

• 防火墙可以设置规则，例如允许或拒绝特定通讯协议，端口或 IP 地址
• 当攻击从少数不正常的 IP 地址发出时，可以简单的使用拒绝规则阻止一切从攻击源 IP 发出的通信
• 复杂攻击难以用简单规则来阻止，例如80端口遭受攻击时不可能拒绝端口所有的通信，因为同时会阻止合法流量
• 防火墙可能处于网络架构中过后的位置，路由器可能在恶意流量达到防火墙前即被攻击影响

交换机：大多数交换机有一定的速度限制和访问控制能力

路由器：和交换机类似，路由器也有一定的速度限制和访问控制能力

黑洞引导

• 将所有受攻击计算机的通信全部发送至一个“黑洞”（空接口或不存在的计算机地址）或者有足够能力处理洪流的网络设备商，以避免网络受到较大影响

流量清洗

• 当流量被送到 DDoS 防护清洗中心时，通过采用抗 DDoS 软件处理，将正常流量和恶意流量区分
• 正常的流量则回注回客户网站

应用层-DNS劫持

DNS 劫持，又称为域名劫持

• 攻击者篡改了某个域名的解析结果，使得指向该域名的 IP 变成了另一个 IP
• 导致对相应网址的访问被劫持到另一个不可达的或者假冒的网址
• 从而实现非法窃取用户信息或者破坏正常网络服务的目的

为防止 DNS 劫持，可以考虑使用更靠谱的 DNS 服务器，比如：114.114.114.114

• 谷歌：8.8.8.8、8.8.4.4
• 微软：4.2.2.1、4.2.2.2
• 百度：180.76.76.76
• 阿里：223.5.5.5、223.6.6.6

HTTP 劫持：对 HTTP 数据包进行拦截处理，比如插入 JS 代码

• 比如你访问某些网站时，在右下角多了个莫名其妙的弹窗广告

HTTP 安全问题

HTTP 协议默认是采用明文传输的，因此会有很大的安全隐患

• 常见的提高安全性的方法是：对通信内容进行加密后，再进行传输

常见的加密方式

• 不可逆

  单向散列函数：MD5、SHA 等

• 可逆

  对称加密：DES、3DES、AES 等

  非对称加密：RSA等

• 其它

  混合密码系统

  数字签名

  证书

encrypt：加密

decrypt：解密

plaintext：明文

ciphertext：密文

单向散列函数

单向散列函数，可以根据根据消息内容计算出散列值。

单向散列函数，也被称为

• 消息摘要函数（message digest function）
• 哈希函数（hash function

输出的散列值，也被称

• 消息摘要（message digest）
• 指纹（fingerprint）

MD5 加密：https://www.cmd5.com/hash.aspx

MD5 解密：https://www.cmd5.com

散列值的长度和消息的长度无关，无论消息是 1bit、10M、100G，单向散列函数都会计算出固定长度的散列值

单向散列函数特点

• 根据任意长度的消息，计算出 固定长度的散列值

• 计算速度快，能快速计算出散列值

• 具备 单向性

  

• 消息不同，散列值不同，具有雪崩效应

  

常见的几种单向散列函数

• MD4，MD5

  产生 128bit 的散列值，MD 就是 Message Digest 的缩写，目前已经不安全

• SHA-1

  产生 160bit 的散列值，目前已经不安全

• SHA-2

  SHA-256，SHA-384，SHA-512，散列值长度分别是 256bit，384bit，512bit

• SHA-3

  全新标准

防止数据被篡改

一般情况下是这样做的

应用单向散列函数来防止数据被篡改

单向散列函数 - 防止数据被篡改的应用：

• 例如 RealVNC 下载界面

  官方给处一串 SHA-256，用于检验下载后的文件是否被篡改

单向散列函数-密码加密

现在数据库不会直接存储密码明文，存储的都是加密过后的值。（所以现在的 找回密码 也无法看到原密码，只能重置成新密码）

对称加密

对称加密（ Symmetric Cryptography）

如何加密解密？

在 对称加密 中，加密、解密时使用的是同一个密钥

DES

DES（Data Encryption Standard）

• DES 是一种将 64bit 明文加密成 64bit 密文的对称加密算法，密钥长度是 56bit
• 规格上来说，密钥长度是 64bit，但每隔 7bit 会设置一个用于错误检查的 ，因此密钥长度实质上是 56bit
• 由于DES 每次只能加密 64bit 的数据，遇到比较大的数据，需要对 DES 加密进行迭代（反复）
• 目前已经可以在短时间内被破解，所以不建议使用

3DES

3DES（Triple Data Encryption Algorithm），将 DES 重复 3 次所得到的一种密码算法，也叫做 3重DES

• 三重DES 并不是进行三次 DES 加密（加密 → 加密 → 加密）
• 而是 加密(Encryption) → 解密(Decryption) → 加密(Encryption) 的过程
• 目前还被一些银行等机构使用，但处理速度不高，安全性逐渐暴露出问题

由于3个密钥都是不同的，也称为 DES-EDE3

• 如果 所有密钥都使用同一个，则结果与普通的 DES 是等价的

如果密钥1、密钥3相同，密钥2不同，称为 DES-EDE2

AES

AES（Advanced Encryption Standard），AES 取代 DES 成为新标准的一种对称加密算法，又称 Rijndeal 加密法

• AES 的密钥长度有 128、192、256bit 三种
• 目前 AES 已经逐步取代 DES、3DES ，成为首选的 对称加密算法
• 一般来说，我们也不应该去使用任何自制的密码算法，而是应该使用 AES
  • 它经过了全世界密码学家所进行的高品质验证工作

密钥配送问题

• 可以用非对称加密解决

在使用 对称加密 时，一定会遇到密钥配送问题

如果 Alice 将使用 对称加密 过的消息发给了 Bob

• 只有将密钥发送给 Bob，Bob 才能完成解密
• 在发送密钥过程中
  • 可能会被 Eve 窃取密钥
  • 最后 Eve 也能完成解密

有以下几种解决密钥配送的方法

• 事先共享密钥（比如私下共享）
• 密钥分配中心（Key Distribution Center，简称 KDC）
• Diffie-Hellman 密钥交换
• 非对称加密

非对称加密

非对称加密（Asymmetric Cryptography）。在 对称加密 中，加密、解密时使用的是同一个密钥

加密密钥：一般是公开的，因此该密钥称为 公钥(public key)

• 因此，非对称加密 也被称为公钥密码(Public-key Cryptography)

解密密钥：由消息接收者自己保管的，不能公开，因此也称为 私钥(private key)

公钥和私钥是一一对应的，不能单独生成

• 一对公钥和私钥统称为 密钥对(key pair)

由公钥加密的密文，必须使用与该公钥对应的私钥才能解密

由私钥加密的密文，必须使用与该私钥对应的公钥才能解密

*密钥配送问题

• 由消息的接收者，生成 一对公钥、私钥

• 将公钥发给消息的发送者

• 消息的发送者使用公钥加密消息

• 为什么要用非对称加密解决密钥配送问题，而不是直接使用非对称加密传输消息呢？

  非对称加密的加密解密速度比对称加密要慢，直接用来传输消息效率低

RSA

目前使用最广泛的 非对称加密 算法是 RSA

RSA 的名字由来

• 由它的 3 位开发者，Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman 的姓氏首字母组成

混合密码系统

混合密码系统（Hybrid Cryptosystem) - 加密、解密

对称加密的缺点

• 不能很好地解决密钥配送问题（密钥会被窃听）

非对称加密的缺点

• 加密解密速度比较慢

混合密码系统：是将对称加密和非对称加密的优势相结合的方法

• 解决了非对称加密速度慢的问题
• 并通过非对称加密解决了对称加密的密钥配送问题

网络上的密码通信所用的 SSL/TLS 都运用了混合密码系统

混合密码的加密

会话密钥 (session key)

• 为本次通信随机生成的临时密钥
• 作为对称加密的密钥，用于加密消息，提高速度

加密步骤（发送消息）

1. 首先，消息发送者要拥有消息接收者的公钥
2. 生成会话密钥，作为对称加密的密钥，加密消息
3. 用消息接收者的公钥，加密会话密钥
4. 将前 步生成的加密结果，一并发给消息接收者

发送出去的内容包括

• 用会话密钥加密的消息（加密方法：对称加密）
• 用公钥加密的会话密钥（加密方法：非对称加密）

简述

• A 发给 B 用 B 的公钥加密的会话密钥，并发送用会话密钥加密的消息
• B 收到后先用私钥解密会话密钥，再用解密后的会话密钥解密消息

混合密码的解密

解密步骤（收到消息）

1. 消息接收者用自己的私钥解密出会话密钥
2. 再用第 1 步解密出来的会话密钥，解密消息

加密解密流程

Alice -> Bob

发送过程（加密过程）

1. Bob 先 生成一对公钥、私钥
2. Bob 把公钥共享给 Alice
3. Alice 随机生成一个会话密钥（临时密钥）
4. Alice 用会话密钥加密需要发送的消息（使用的是对称加密）
5. Alice 用 Bob 的公钥加密会话密钥（使用的是非对称加密）
6. Alice 把第 4、5 步的加密结果，一并发送给 Bob

接收过程（解密过程）

1. Bob 利用自己的私钥解密会话密钥（使用的是非对称加密算法进行解密）
2. Bob 利用会话密钥解密发送过来的消息（使用的是对称加密算法进行解密）

数字签名

Alice 发的内容有可能是被篡改的，或者有人伪装成 Alice 发消息，或者就是 Alice 发的，但她可以否认

• 问题来了：Bob 如何确定这段信息的真实性？如何识别篡改、伪装、否认？

解决方案：

• 数字签名

在数字签名技术中，有以下 2 种行为：

• 生成签名
  • 由消息的发送者完成，通过 "签名密钥" 生成
• 验证签名
  • 由消息的接收者完成，通过 "验证密钥" 验证

如何能保证这个签名是消息发送者自己签的？

• 用消息发送者的私钥进行签名

过程

过程改进

如果对全部消息进行加密，如果消息很大，加密时间会很长

• 可以对全部消息进行单向散列函数（指纹），生成固定长度散列值

*全部过程

如果有人篡改了消息内容或签名内容，会是什么结果？

• 签名验证失败，证明内容被篡改了

数字签名不能保证机密性？

• 数字签名的作用不是保证机密性，仅仅是为了能够识别内容有没有被篡改

数字签名的作用

• 确认消息的完整性
• 识别消息是否被篡改
• 防止消息发送人否认

总结

数字签名，其实就是将非对称加密反过来使用

	公钥	私钥
非对称加密	发送者加密时使用	接受者解密时使用
数字签名	验证者验证签名时使用	签名者生成签名时使用
谁持有密钥？	只要有需要，任何人都可以持有	个人持有

• 既然是加密，那肯定是不希望别人知道我的消息，所以只有我才能解密
  • 公钥负责加密，私钥负责解密
• 既然是签名，那肯定是不希望有人冒充我发消息，所以只有我才能签名
  • 私钥负责签名，公钥负责验签

公钥的合法性

如果遭遇了中间人攻击，那么

• 公钥将可能是伪造的

如何验证公钥的合法性？

• 证书

证书

说到证书

• 首先联想到的是驾驶证、毕业证、英语四六级证等等，都是由权威机构认证的

密码学中的证书，全称叫 公钥证书 (Public-key Certificate，PKC)，跟驾驶证类似

• 里面有姓名、邮箱等个人信息，以及此人的公钥
• 并由 认证机构 (Certificate Authority，CA) 施加数字签名

CA 就是能够认定 "公钥确实属于此人" 并能够生成数字签名的个人或者组织

• 有国际性组织、政府设立的组织
• 有通过提供认证服务来盈利的企业
• 个人也可以成立认证机构

使用

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