信息安全原理與技術(shù)ch07-網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議課件

信息安全原理與技術(shù)郭亞軍宋建華李莉清華大學(xué)出版社信息安全原理與技術(shù)郭亞軍宋建華李莉第7章網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議主要知識點：

--簡單的安全認證協(xié)議

--Kerberos協(xié)議

--SSL協(xié)議

--IPSec協(xié)議

--PGP第7章網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議主要知識點：網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議按照其完成的功能可以分為:（1）密鑰交換協(xié)議:一般情況下是在參與協(xié)議的兩個或者多個實體之間建立共享的秘密，通常用于建立在一次通信中所使用的會話密鑰。（2）認證協(xié)議:認證協(xié)議中包括實體認證（身份認證）協(xié)議、消息認證協(xié)議、數(shù)據(jù)源認證和數(shù)據(jù)目的認證協(xié)議等，用來防止假冒、篡改、否認等攻擊。（3）認證和密鑰交換協(xié)議：這類協(xié)議將認證和密鑰交換協(xié)議結(jié)合在一起，是網(wǎng)絡(luò)通信中最普遍應(yīng)用的安全協(xié)議。該類協(xié)議首先對通信實體的身份進行認證，如果認證成功，進一步進行密鑰交換，以建立通信中的工作密鑰，也叫密鑰確認協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議按照其完成的功能可以分為:網(wǎng)絡(luò)層的安全協(xié)議：IPSec傳輸層的安全協(xié)議：SSL/TLS應(yīng)用層的安全協(xié)議：

SHTTP（Web安全協(xié)議）

PGP(電子郵件安全協(xié)議)

S/MIME(電子郵件安全協(xié)議)

MOSS(電子郵件安全協(xié)議)

PEM(電子郵件安全協(xié)議)

SSH（遠程登錄安全協(xié)議）

Kerberos(網(wǎng)絡(luò)認證協(xié)議)等。常見的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的安全協(xié)議：IPSec常見的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議7.1簡單的安全認證協(xié)議Needham-Schroeder認證協(xié)議

是最為著名的早期的認證協(xié)議，許多廣泛使用的認證協(xié)議都是以Needham-Schroeder協(xié)議為基礎(chǔ)而設(shè)計的。

Otway-Rees協(xié)議Otway-Rees協(xié)議的主要功能是完成身份的雙向認證，使用對稱密碼。7.1簡單的安全認證協(xié)議Needham-Schroeder7.1.1Needham-Schroeder認證協(xié)議Needham--Schroder協(xié)議的目的是使得通訊雙方能夠互相證實對方的身份并且為后續(xù)的加密通訊建立一個會話密鑰(sessionkey)。協(xié)議涉及三個主體：A和B，以及A，B信賴的可信第三方，也叫認證服務(wù)器(authenticationserver)S。7.1.1Needham-Schroeder認證協(xié)議Needham和Schroeder于1978年提出的基于共享密鑰體系的協(xié)議過程：圖7.1Needham-Schroeder認證過程其中，Kas是A與S之間的共享密鑰，Kbs是B與S之間的共享密鑰。Kab

是認證服務(wù)器臨時生成的密鑰，用于A、B雙方認證之后的加密通訊，稱為會話密鑰。Na和Nb分別是A和B生成的隨機量(nonce)。ABS13452(1)A

S：A,B,Na(2)S

A：{Na,B,Kab,{Kab,A}Kbs}Kas(3)A

B：{Kab,A}Kbs(4)B

A：{Nb}Kab(5)A

B：{Nb-1}KabNeedham和Schroeder于1978年提出Needhaul-Scllroeder共享密鑰協(xié)議的漏洞

假定有攻擊者H記錄下A與B之間執(zhí)行Needham-Schroeder共享密鑰協(xié)議的一輪消息，并且進而破獲了其會話密鑰Kab

（如經(jīng)過蠻力攻擊等），攻擊者可以在第3步冒充A利用舊的會話密鑰欺騙B。在這個攻擊中，攻擊者H首先向B發(fā)送一個他記錄的從A發(fā)出的舊消息，此消息用于向B表明是A在與B通訊并且Kab是會話密鑰。B無法知道這是不是一個A發(fā)送的正常通訊請求，也不記得他過去曾經(jīng)用過Kab作為會話密鑰。遵循協(xié)議，B將向A發(fā)送一個加密的新隨機量作為挑戰(zhàn)。H截獲之，并用Kab解密得到此隨機量，然后向B返回一個響應(yīng)消息，使得B相信他正在用會話密鑰Kab與A通訊，而實際上A根本沒有參加這一輪協(xié)議的運行。除非B記住所有以前使用的與A通信的會話密鑰，否則B無法判斷這是一個重放攻擊，攻擊者由此可以隨意冒充A與B進行通訊了!Needhaul-Scllroeder共享密鑰

Denning協(xié)議使用時間戳修正了這個漏洞，改進的協(xié)議如下：其中T表示時間戳。T記錄了認證服務(wù)器S發(fā)送消息(2)時的時間，A、B根據(jù)時間戳驗證消息的“新鮮性”，從而避免了重放攻擊。(1)A

S：A,B(2)S

A：{B,Kab,T,{Kab,A,T}Kbs}Kas(3)A

B：{Kab,A,T}Kbs(4)B

A：{Nb}Kab(5)A

B：{Nb-1}KabDenning協(xié)議使用時間戳修正了這個漏洞，改7.1.2Otway-Rees協(xié)議

圖7.2Otway-Rees認證過程標號1表示A產(chǎn)生一消息，包括用和S共享的密鑰Kas加密的一個索引號R、A的名字、B的名字和一隨機數(shù)Ra。標號2表示B用A消息中的加密部分構(gòu)造一條新消息。包括用和S共享的密鑰Kbs加密的一個索引號R、A的名字、B的名字和一新隨機數(shù)Rb。ABS12347.1.2Otway-Rees協(xié)議S1234標號3表示S檢查兩個加密部分中的索引號R是否相同，如果相同，就認為從B來的消息是有效的。S產(chǎn)生一個會話密鑰Ks用Kb和Ka分別加密后傳送給B，每條消息都包含S接收到的隨機數(shù)。標號4表示B把用A的密鑰加密的消息連同索引號R一起傳給A。標號3表示S檢查兩個加密部分中的索引號R是否相同，如果相同，7.2Kerberos協(xié)議在一個開放的分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，用戶通過工作站訪問服務(wù)器上提供的服務(wù)時，一方面，工作站無法可信地向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)證實用戶的身份，可能存在著以下三種威脅：①用戶可能訪問某個特定工作站，并假裝成另一個用戶在操作工作站。②用戶可能會更改工作站的網(wǎng)絡(luò)地址，使從這個已更改的工作站上發(fā)出的請求看似來自偽裝的工作站。③用戶可能竊聽他人的報文交換過程，并使用重放攻擊來獲得對一個服務(wù)器的訪問權(quán)或中斷服務(wù)器的運行。

7.2Kerberos協(xié)議在一個開放的分布式網(wǎng)絡(luò)另一方面，在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，客戶也必須防止來自服務(wù)端的欺騙。以自動取款機ATM為例，如果存在欺騙，那么客戶將泄漏自己的帳戶信息。如何使用一個集中的認證服務(wù)器，提供用戶對服務(wù)器的認證以及服務(wù)器對用戶的認證，這就是Kerberos要解決的問題。另一方面，在開放的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，客戶也必須防止來自服務(wù)端的欺騙7.2.1Kerberos概述Kerberos是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)提出的基于可信賴的第三方的認證系統(tǒng)，它是基于Needham-Schroeder協(xié)議設(shè)計的，采用對稱密碼體制。Kerberos一詞源自希臘神話，在希臘神話故事中，Kerberos是一種長有三個頭的狗，還有一個蛇形尾巴，是地獄之門的守衛(wèi)者?，F(xiàn)代取Kerberos這個名字意指要有三個“頭”來守衛(wèi)網(wǎng)絡(luò)之門，這“三頭”包括：-認證(authentication)-清算(accounting)-審計(audit)7.2.1Kerberos概述Kerberos是Kerberos協(xié)議中的一些概念Principal(安全個體)被鑒別的個體，有一個名字(name)和口令(password)。KDC(Keydistributioncenter，密鑰分配中心)可信的第三方，即Kerberos服務(wù)器，提供ticket和臨時的會話密鑰。Ticket（訪問許可證）是一個記錄憑證，客戶可以用它來向服務(wù)器證明自己的身份，其中包括客戶的標識、會話密鑰、時間戳，以及其他一些信息。Ticket中的大多數(shù)信息都被加密，密鑰為服務(wù)器的密鑰。Kerberos協(xié)議中的一些概念Principal(安全個Authenticator（認證符）是另一個記錄憑證，其中包含一些最近產(chǎn)生的信息，產(chǎn)生這些信息需要用到客戶和服務(wù)器之間共享的會話密鑰。Credentials（證書）由一個ticket加上一個秘密的會話密鑰組成。Authenticator（認證符）7.2.2Kerberos協(xié)議的工作過程Kerberos基本思想采用對稱密鑰體制對信息進行加密，能正確對信息進行解密的用戶就是合法用戶。用戶在對應(yīng)用服務(wù)器進行訪問之前，必須先從第三方（Kerberos服務(wù)器）獲取該應(yīng)用服務(wù)器的訪問許可證（ticket）。認證服務(wù)器AS(AuthenticationServer)許可證頒發(fā)服務(wù)器TGS(TicketGrantingServer)7.2.2Kerberos協(xié)議的工作過程Kerberos7.2.2Kerberos協(xié)議的工作過程①②③④⑤⑥認證服務(wù)器AS許可證頒發(fā)服務(wù)器TGS用戶C應(yīng)用服務(wù)器V圖7.3Kerberos的認證過程

7.2.2Kerberos協(xié)議的工作過程①②③④⑤⑥認證①用戶想要獲取訪問某一應(yīng)用服務(wù)器的許可證時，先以明文方式向認證服務(wù)器AS發(fā)出請求，要求獲得訪問TGS的許可證。②AS以證書（credential）作為響應(yīng)，證書包括訪問TGS的許可證和用戶與TGS間的會話密鑰。會話密鑰以用戶的密鑰加密后傳輸。③用戶解密得到TGS的響應(yīng)，然后利用TGS的許可證向TGS申請應(yīng)用服務(wù)器的許可證，該申請包括TGS的許可證和一個帶有時間戳的認證符（authenticator）。認證符以用戶與TGS間的會話密鑰加密。①用戶想要獲取訪問某一應(yīng)用服務(wù)器的許可證時，先以明文方式向認④TGS從許可證中取出會話密鑰、解密認證符，驗證認證符中時間戳的有效性，從而確定用戶的請求是否合法。TGS確認用戶的合法性后，生成所要求的應(yīng)用服務(wù)器的許可證，許可證中含有新產(chǎn)生的用戶與應(yīng)用服務(wù)器之間的會話密鑰。TGS將應(yīng)用服務(wù)器的許可證和會話密鑰傳回到用戶。⑤用戶向應(yīng)用服務(wù)器提交應(yīng)用服務(wù)器的許可證和用戶新產(chǎn)生的帶時間戳的認證符（認證符以用戶與應(yīng)用服務(wù)器之間的會話密鑰加密）。⑥應(yīng)用服務(wù)器從許可證中取出會話密鑰、解密認證符，取出時間戳并檢驗有效性。然后向用戶返回一個帶時間戳的認證符，該認證符以用戶與應(yīng)用服務(wù)器之間的會話密鑰進行加密。據(jù)此，用戶可以驗證應(yīng)用服務(wù)器的合法性。④TGS從許可證中取出會話密鑰、解密認證符，驗證認證符中時間Kerberos的主要優(yōu)點：通過對實體和服務(wù)的統(tǒng)一管理實現(xiàn)單一注冊，也就是說用戶通過在網(wǎng)絡(luò)中的一個地方的一次登錄就可以使用網(wǎng)絡(luò)上他可以獲得的所有資源。Kerberos存在的問題：①Kerberos服務(wù)器的損壞將使得整個安全系統(tǒng)無法工作；②AS在傳輸用戶與TGS間的會話密鑰時是以用戶密鑰加密的，而用戶密鑰是由用戶口令生成的，因此可能受到口令猜測的攻擊；③Kerberos使用了時間戳，因此存在時間同步問題；④要將Kerberos用于某一應(yīng)用系統(tǒng)，則該系統(tǒng)的客戶端和服務(wù)器端軟件都要作一定的修改。Kerberos的主要優(yōu)點：7.3SSL協(xié)議

SSL（安全套接字層，SecureSocketLayer）協(xié)議是網(wǎng)景（Netscape）公司提出的基于WEB應(yīng)用的安全協(xié)議，是一種用于傳輸層安全的協(xié)議。傳輸層安全協(xié)議的目的是為了保護傳輸層的安全，并在傳輸層上提供實現(xiàn)保密、認證和完整性的方法。SSL指定了一種在應(yīng)用程序協(xié)議(例如http、telnet、NNTP、FTP)和TCP/IP之間提供數(shù)據(jù)安全性分層的機制。它為TCP/IP連接提供數(shù)據(jù)加密、服務(wù)器認證、消息完整性以及可選的客戶機認證。7.3SSL協(xié)議SSL（安全套接字層，Secur7.3.1SSL協(xié)議概述圖7.4SSL的體系結(jié)構(gòu)SSL握手協(xié)議SSL修改密文協(xié)議SSL告警協(xié)議HTTPSSL記錄協(xié)議TCPIP7.3.1SSL協(xié)議概述圖7.4SSL的體系結(jié)構(gòu)SS

SSL中有兩個重要概念：SSL連接：連接是提供恰當類型服務(wù)的傳輸。SSL連接是點對點的關(guān)系，每一個連接與一個會話相聯(lián)系。SSL會話：SSL會話是客戶和服務(wù)器之間的關(guān)聯(lián)，會話通過握手協(xié)議(在SSL協(xié)議的高層)來創(chuàng)建。會話定義了加密安全參數(shù)的一個集合，該集合可以被多個連接所共享。會話可以用來避免為每個連接進行昂貴的新安全參數(shù)的協(xié)商。SSL中有兩個重要概念：7.3.2SSL記錄協(xié)議

SSL從應(yīng)用層取得的數(shù)據(jù)需要重定格式（分片、可選的壓縮、應(yīng)用MAC、加密等）后才能傳給傳輸層進行發(fā)送。同樣，當SSL協(xié)議從傳輸層接收到數(shù)據(jù)后需要對其進行解密等操作后才能交給上層的應(yīng)用層。這個工作是由SSL記錄協(xié)議完成的。7.3.2SSL記錄協(xié)議SSL從應(yīng)用層取得的數(shù)據(jù)上層報文分片1分片2分片n壓縮(可選）加密增加MAC增加SSL記錄首部圖7.6SSL記錄協(xié)議的發(fā)送方執(zhí)行的操作步驟上層報文分片1分片2分片n壓縮(可選）加密增加MAC增加SSSSL記錄協(xié)議中發(fā)送方執(zhí)行的操作步驟：①從上層接受傳輸?shù)膽?yīng)用報文；②分片：將數(shù)據(jù)分片成可管理的塊，每個上層報文被分成16KB或更小的數(shù)據(jù)塊；③進行數(shù)據(jù)壓縮(可選)：壓縮是可選的，壓縮的前提是不能丟失信息，并且增加的內(nèi)容長度不能超過1024字節(jié)，缺省的壓縮算法為空；④應(yīng)用MAC：加入信息認證碼（MAC），這一步需要用到共享的密鑰；⑤加密：利用IDEA、DES、3DES或其他加密算法對壓縮報文和MAC碼進行數(shù)據(jù)加密；⑥增加SSL首部：增加由內(nèi)容類型、主要版本、次要版本和壓縮長度組成的首部。⑦將結(jié)果傳輸?shù)较聦?。SSL記錄協(xié)議中發(fā)送方執(zhí)行的操作步驟：SSL記錄協(xié)議中接收方接收數(shù)據(jù)的工作過程①從低層接受報文；②解密；

③用事先商定的MAC碼校驗數(shù)據(jù)；④如果是壓縮的數(shù)據(jù)，則解壓縮；⑤重裝配數(shù)據(jù)；⑥傳輸信息到上層。SSL記錄協(xié)議中接收方接收數(shù)據(jù)的工作過程7.3.3SSL修改密文規(guī)約協(xié)議SSL修改密文規(guī)約協(xié)議用來發(fā)送修改密文規(guī)約協(xié)議信息。任何時候客戶都能請求修改密碼參數(shù)，比如握手密鑰交換。在修改密文規(guī)約的通告發(fā)出以后，客戶方就發(fā)出一個握手密鑰交換信息（如果可得到的話），鑒定認證信息，服務(wù)器則在處理了密鑰交換信息之后發(fā)送一個修改密文規(guī)約信息。此后，新的雙方約定的密鑰就將一直使用到下次提出修改密鑰規(guī)約請求為止。7.3.3SSL修改密文規(guī)約協(xié)議SSL修改密7.3.4SSL告警協(xié)議

SSL告警協(xié)議是用來將SSL有關(guān)的告警傳送給對方實體的。和其他使用SSL的情況一樣，告警報文按照當前狀態(tài)說明被壓縮和加密。SSL告警協(xié)議的每個報文由兩個字節(jié)組成。第一個字節(jié)的值用來表明警告的的級別，第二個字節(jié)表示特定告警的代碼。如果在通信過程中某一方發(fā)現(xiàn)任何異常，就需要給對方發(fā)送一條警示消息通告。警示消息有兩種:一種是Fatal錯誤,如傳遞數(shù)據(jù)過程中，發(fā)現(xiàn)錯誤的MAC，雙方就需要立即中斷會話，同時消除自己緩沖區(qū)相應(yīng)的會話記錄；第二種是Warning消息，這種情況，通信雙方通常都只是記錄日志，而對通信過程不造成任何影響。7.3.4SSL告警協(xié)議SSL告警協(xié)議是用來7.3.5SSL握手協(xié)議一個SSL會話工作在不同的狀態(tài)，即會話狀態(tài)和連接狀態(tài)。會話狀態(tài)：①會話標識符②對方的證書③壓縮方法④密文規(guī)約⑤主密鑰⑥可重新開始標志連接狀態(tài)：①服務(wù)器和客戶隨機數(shù)②服務(wù)器寫MAC密鑰③客戶寫MAC密鑰④服務(wù)器寫密鑰⑤客戶寫密鑰⑥初始化向量⑦序號7.3.5SSL握手協(xié)議一個SSL會話工作在SSL握手協(xié)議用于鑒別初始化和傳輸密鑰，它使得服務(wù)器和客戶能相互鑒別對方的身份，并保護在SSL記錄中發(fā)送的數(shù)據(jù)。因此在傳輸任何應(yīng)用數(shù)據(jù)前，都必須使用握手協(xié)議。SSL握手協(xié)議用于鑒別初始化和傳輸密鑰，它使得服圖7.7SSL握手過程SSL客戶端SSL服務(wù)器端發(fā)送”hello”消息傳送數(shù)據(jù)回復(fù)”hello”消息,發(fā)出服務(wù)器證書,服務(wù)器密鑰交換信息,證書請求,服務(wù)器HELLODONE發(fā)送證書,客戶密鑰交換信息,證書驗證信息,結(jié)束發(fā)修改密文規(guī)約信息結(jié)束發(fā)修改密文規(guī)約信息傳送數(shù)據(jù)21435圖7.7SSL握手過程SSL客戶端SSL服務(wù)器端發(fā)送”hSSL握手的詳細過程第一步：客戶發(fā)出一個帶有客戶HELLO信息的連接請求。這信息包括：①想要使用的SSL版本號。②時間信息，以標準的UNIX32位格式標識的現(xiàn)時和日期。③會話標識（可選），如果沒有指定的話，則服務(wù)器便重用上一次的會話標識或返回一個錯誤信息④密文組（客戶方所支持的各種加密算法選項清單。包括認證碼、密鑰交換方法、加密和MAC算法）。⑤客戶方所支持的壓縮算法。⑥隨機數(shù)。SSL握手的詳細過程第一步：客戶發(fā)出一個帶有客戶HELLO信SSL握手的詳細過程第二步：服務(wù)器評估客戶方發(fā)來的HELLO信息中的各項參數(shù)，并且返回一個服務(wù)器方的HELLO信息，其中含有服務(wù)器選來用于SSL會話的各項參數(shù)（版本號、時間信息、以標準的UNIX32位格式標識的現(xiàn)時和日期、會話標識、密文組、壓縮方法、隨機數(shù)）。在服務(wù)器HELLO信息之后，服務(wù)器發(fā)出如下信息：①服務(wù)器證書，如果服務(wù)器需要被鑒別的話。②服務(wù)器密鑰交換信息，如果得不到證書或證書僅僅用作簽名的話。③證書請求，如果客戶要求被鑒別的話。最后，服務(wù)器發(fā)出一個服務(wù)器HELLODONE信息，開始等待客戶的回音。SSL握手的詳細過程第二步：服務(wù)器評估客戶方發(fā)來的HELLOSSL握手的詳細過程第三步：客戶發(fā)送下列信息：①如果服務(wù)器發(fā)出了一個證書請求，那么客戶方必須發(fā)送一個證書或非證書信息。②如果服務(wù)器發(fā)送了一個服務(wù)器密鑰交換信息，那么客戶方就發(fā)送一個基于公鑰算法的由HELLO信息決定的密鑰交換信息。③如果客戶方已經(jīng)發(fā)送了一個證書，那么客戶方就需驗證服務(wù)器方的證書并且發(fā)出一個證書驗證信息指明結(jié)果。然后，客戶方發(fā)出一個結(jié)束信息，指出協(xié)商過程已經(jīng)完成?？蛻舴竭€發(fā)送一個修改密文規(guī)約信息來產(chǎn)生共享的常規(guī)密鑰。應(yīng)該注意這部分工作不是由握手協(xié)議控制，是由修改密文規(guī)約協(xié)議管理的。SSL握手的詳細過程第三步：客戶發(fā)送下列信息：SSL握手的詳細過程第四步：服務(wù)器發(fā)出一個結(jié)束信息指出協(xié)商協(xié)商階段完成。然后服務(wù)器發(fā)出一個密文修改規(guī)約信息。第五步：會話雙方分別產(chǎn)生一個加密密鑰，然后他們再根據(jù)這些密鑰導(dǎo)出會話主密鑰。握手協(xié)議改變狀態(tài)至連接狀態(tài)。所有從應(yīng)用層的來的數(shù)據(jù)傳輸作為特定信息傳輸給對方。SSL握手的詳細過程7.3.6TLS協(xié)議傳輸層安全TLS(TransportLayerSecurity)協(xié)議是IETF正在定義一種新的協(xié)議。它建立在Netscape所提出的SSL3.0協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)上。兩個互相不知其代碼的應(yīng)用程序可用TLS來安全地通信。

7.3.6TLS協(xié)議傳輸層安全TLS(Trans7.3.7SSL協(xié)議應(yīng)用一個使用WEB客戶機和服務(wù)器的范例WEB客戶機通過連接到一個支持SSL的服務(wù)器，啟動一次SSL會話。支持SSL的典型WEB服務(wù)器在一個與標準HTTP請求（默認為端口80）不同的端口（默認為443）上接受SSL連接請求。當客戶機連接到這個端口上時，它將啟動一次建立SSL會話的握手。當握手完成之后，通信內(nèi)容被加密，并且執(zhí)行消息完整性檢查，直到SSL會話過期。SSL創(chuàng)建一個會話，在此期間，握手必須只發(fā)生過一次。7.3.7SSL協(xié)議應(yīng)用一個使用WEB客戶機和服務(wù)器的范步驟1：SSL客戶機連接到SSL服務(wù)器，并要求服務(wù)器驗證它自身的身份。步驟2：服務(wù)器通過發(fā)送它的數(shù)字證書證明其身份。這個交換還可以包括整個證書鏈，直到某個根證書權(quán)威機構(gòu)(CA)。通過檢查有效日期并確認證書包含有可信任CA的數(shù)字簽名，來驗證證書。步驟3：服務(wù)器發(fā)出一個請求，對客戶端的證書進行驗證。但是，因為缺乏公鑰體系結(jié)構(gòu)，當今的大多數(shù)服務(wù)器不進行客戶端認證。步驟1：SSL客戶機連接到SSL服務(wù)器，并要求服務(wù)器驗證它自步驟4：協(xié)商用于加密的消息加密算法和用于完整性檢查的哈希函數(shù)。通常由客戶機提供它支持的所有算法列表，然后由服務(wù)器選擇最強健的加密算法。步驟5：客戶機和服務(wù)器通過下列步驟生成會話密鑰：a.客戶機生成一個隨機數(shù)，并使用服務(wù)器的公鑰（從服務(wù)器的證書中獲得）對它加密，發(fā)送到服務(wù)器上。b.服務(wù)器用更加隨機的數(shù)據(jù)（從客戶機的密鑰可用時則使用客戶機密鑰；否則以明文方式發(fā)送數(shù)據(jù)）響應(yīng)。c.使用哈希函數(shù)，從隨機數(shù)據(jù)生成密鑰。步驟4：協(xié)商用于加密的消息加密算法和用于完整性檢查的哈希函數(shù)SSL協(xié)議的優(yōu)點機密性即連接是私有的。在初始握手階段，雙方建立對稱密鑰后，信息即用該密鑰加密。完整性在信息中嵌入信息鑒別碼（MAC）來保證信息的完整性。其中使用了安全哈希函數(shù)（例如SHA和MD5）來進行MAC計算。鑒別在握手階段，客戶鑒別服務(wù)器用不對稱密鑰或公開密鑰。SSL協(xié)議的優(yōu)點SSL協(xié)議的不足SSL要求對每個數(shù)據(jù)進行加密和解密操作，因而在帶來高性能的同時，對系統(tǒng)也要求高資源開銷。SSL協(xié)議主要是使用公開密鑰體制和X.509數(shù)字證書技術(shù)保護信息傳輸?shù)臋C密性和完整性，它不能保證信息的不可抵賴性，主要適用于點對點之間的信息傳輸，常用WebServer方式。SSL為帶有安全功能的TCP/IP套接字應(yīng)用程序接口提供了一個替代的方法，理論上，在SSL之上可以安全方式運行任何原有TCP/IP應(yīng)用程序而不需修改，但實際上，SSL目前還只是用在HTTP連接上。SSL協(xié)議的不足7.4IPSec協(xié)議由于協(xié)議IPv4最初設(shè)計時沒有過多地考慮安全性，缺乏對通信雙方真實身份的驗證能力，缺乏對網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的完整性和機密性保護，并且由于IP地址可軟件配置等靈活性以及基于源IP地址的認證機制，使IP層存在著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流易被監(jiān)聽和捕獲、IP地址欺騙、信息泄漏和數(shù)據(jù)項被篡改等多種攻擊，而IP是很難抵抗這些攻擊的。為了實現(xiàn)安全IP，因特網(wǎng)工程任務(wù)組IETF于1994年開始了一項IP安全工程，專門成立了IP安全協(xié)議工作組IPSEC，來制定和推動一套稱為IPSec的IP安全協(xié)議標準。

7.4IPSec協(xié)議由于協(xié)議IPv4最初設(shè)計時IPSec協(xié)議組網(wǎng)絡(luò)認證協(xié)議AuthenticationHeader（AH）封裝安全載荷協(xié)議EncapsulatingSecurityPayload（ESP）密鑰管理協(xié)議InternetKeyExchange（IKE）網(wǎng)絡(luò)認證及加密算法IPSec協(xié)議組網(wǎng)絡(luò)認證協(xié)議Authentication7.4.1IPSec安全體系結(jié)構(gòu)圖7.8IPSec安全體系結(jié)構(gòu)IPSec體系結(jié)構(gòu)ESP協(xié)議AH協(xié)議加密算法DOI密鑰管理認證算法7.4.1IPSec安全體系結(jié)構(gòu)圖7.8IPSec安全ESP協(xié)議規(guī)定了為通信提供機密性和完整性保護的具體方案，包括ESP載荷的格式、語義、取值以及對進入分組和外出分組的處理過程等。DOI〔InterpretationofDomain，DOI〕規(guī)定了每個算法的參數(shù)要求和計算規(guī)則，如算法的密鑰長度要求、算法強度要求以及初始向量的計算規(guī)則等。AH協(xié)議定義了認證的應(yīng)用方法，提供數(shù)據(jù)源認證和完整性保證。IKE協(xié)議是IPSec目前唯一的正式確定的密別交換協(xié)議，為AH和ESP提供密鑰交換支持，同時也支持其他機制，如密鑰協(xié)商。ESP協(xié)議規(guī)定了為通信提供機密性和完整性保護的具體方案，包括安全關(guān)聯(lián)（SecurityAssociation，SA）為了正確封裝及提取IPSec數(shù)據(jù)包，有必要采取一套專門的方案，將安全服務(wù)/密鑰與要保護的通信數(shù)據(jù)聯(lián)系到一起；同時要將遠程通信實體與要交換密鑰的IPSec數(shù)據(jù)傳輸聯(lián)系到一起。換言之，要解決如何保護通信數(shù)據(jù)、保護什么樣的通信數(shù)據(jù)以及由誰來實行保護的問題。這樣的構(gòu)建方案稱為安全關(guān)聯(lián)（SecurityAssociation，SA）。安全關(guān)聯(lián)（SecurityAssociation，SA）

SA是單向的，要么對數(shù)據(jù)包進行“進入”保護，要么進行“外出”保護。也就是說，在一次通信中，IPSec需要建立兩個SA，一個用于入站通信，另一個用于出站通信。若某臺主機，如文件服務(wù)器或遠程訪問服務(wù)器，需要同時與多臺客戶機通信，則該服務(wù)器需要與每臺客戶機分別建立不同的SA。

SA是單向的，要么對數(shù)據(jù)包進行“進入”保護，要么進7.4.2AH（AuthenticationHeader）協(xié)議AH協(xié)議規(guī)定了AH頭在AH實現(xiàn)中應(yīng)插入IP頭的位置、AH頭的語法格式、各字段的語義及取值方式，以及實施AH時進入和外出分組的處理過程。AH機制涉及到密碼學(xué)中的核心組件——鑒別算法。

AH的功能AH的兩種模式AH的格式

認證算法7.4.2AH（AuthenticationHeaderAH的功能

AH協(xié)議為IP通信提供數(shù)據(jù)源認證、數(shù)據(jù)完整性和反重播保證，它能保護通信免受篡改，但不能防止竊聽，適合用于傳輸非機密數(shù)據(jù)。AH的工作原理是在每一個數(shù)據(jù)包上添加一個身份驗證報頭。此報頭包含一個帶密鑰的hash散列（可以將其當作數(shù)字簽名，只是它不使用證書），此hash散列在整個數(shù)據(jù)包中計算，因此對數(shù)據(jù)的任何更改將致使散列無效——這樣就提供了完整性保護。AH不能提供加密服務(wù)，這就意味著分組將以明文的形式傳送。由于AH的速度比ESP稍微快一點，因此僅當需要確保分組的源和完整性而不考慮機密性的時候，可以選擇使用AH。AH的功能AH協(xié)議為IP通信提供數(shù)據(jù)源認證、數(shù)據(jù)AH的兩種模式傳輸模式：傳輸模式用于兩臺主機之間，只對上層協(xié)議數(shù)據(jù)（傳輸層數(shù)據(jù)）和IP頭中的固定字段提供認證，主要保護傳輸層協(xié)議頭，實現(xiàn)端到端的安全；隧道模式：隧道模式對整個IP數(shù)據(jù)項提供認證保護，把需要保護的IP包封裝在新的IP包中，既可用于主機也可用于安全網(wǎng)關(guān)，并且當AH在安全網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)時，必須采用隧道模式。AH的兩種模式傳輸模式：傳輸模式用于兩臺主機之間，只對上層圖7.9AH傳輸模式圖7.10AH隧道模式圖7.9AH傳輸模式圖7.10AH隧道模式AH的格式圖7.11AH報頭格式

下一個報頭長度安全參數(shù)索引(SPI)序列號認證數(shù)據(jù)(hash檢查和)AH報頭AH的格式圖7.11AH報頭格式下一個報頭長度安全參NextHeader（下一個報頭，占8字節(jié)）：識別下一個使用IP協(xié)議號的報頭，例如，NextHeader值等于6時，表示緊接其后的是TCP報頭。對于UDP，它的值將是17。Length（長度，占8字節(jié)）：AH報頭長度。SecurityParametersIndex(SPI，安全參數(shù)索引，占32字節(jié))：這是一個為數(shù)據(jù)報識別安全關(guān)聯(lián)的32位偽隨機值。其中，SPI值0被保留，用來表明“沒有安全關(guān)聯(lián)存在”。NextHeader（下一個報頭，占8字節(jié)）：識別下一個使SequenceNumber（序列號，占32字節(jié)）：這是一個無符號單調(diào)遞增的計數(shù)器，從1開始的32位單增序列號，不允許重復(fù)，唯一地標識了每一個發(fā)送數(shù)據(jù)包，為安全關(guān)聯(lián)提供反重播保護。接收端校驗序列號為該字段值的數(shù)據(jù)包是否已經(jīng)被接收過，若是，則拒收該數(shù)據(jù)包。對于一個特定的SA，它實現(xiàn)反重傳服務(wù)。這些信息不被接收對等實體使用，但是發(fā)送方必須包含這些信息。當建立一個SA時，這個值被初始化為0。如果使用反重傳服務(wù)重傳，那么這個值決不允許重復(fù)。由于發(fā)送方并不知道接受方是否使用了反重傳功能，該字段中的值不能被重復(fù)的事實就要求終止SA，并且在傳送第23個分組之前建立一個新的SA。SequenceNumber（序列號，占32字節(jié)）：這是一AuthenticationData（AD，認證數(shù)據(jù)，可變長）：包含完整性檢查和。接收端接收數(shù)據(jù)包后，首先執(zhí)行hash計算，再與發(fā)送端所計算的該字段值比較，若兩者相等，表示數(shù)據(jù)完整，若在傳輸過程中數(shù)據(jù)遭修改，兩個計算結(jié)果不一致，則丟棄該數(shù)據(jù)包。通過這個值，通信雙方能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的完整性保護、分組級數(shù)據(jù)源鑒別以及通信的抗重放攻擊。AuthenticationData（AD，認證數(shù)據(jù)，可變認證算法用于計算完整性校驗值(ICV)的認證算法由SA指定，對于點到點通信，合適的認證算法包括基于對稱密碼算法(如DES)或基于單向Hash函數(shù)(如MD5或SHA-1)的帶密鑰的消息認證碼(MAC)。認證算法用于計算完整性校驗值(ICV)的認證算法7.4.3ESP（EncapsulatingSecurityPayload）協(xié)議ESP涉及到密碼學(xué)中的核心組件——加密和鑒別算法。

ESP的功能ESP的兩種模式ESP的格式加密算法和認證算法ESP處理7.4.3ESP（EncapsulatingSecuriESP的功能

ESP為IP數(shù)據(jù)包提供完整性檢查、認證和加密，可以看作是“超級AH”，因為它提供機密性并可防止篡改。ESP服務(wù)依據(jù)建立的安全關(guān)聯(lián)（SA）是可選的。一些限制：·完整性檢查和認證一起進行。·僅當與完整性檢查和認證一起時，“重播（Replay）”保護才是可選的?！ぁ爸夭ァ北Ｗo只能由接收方選擇。ESP的加密服務(wù)是可選的，但如果啟用加密，則也就同時選擇了完整性檢查和認證。因為如果僅使用加密，入侵者就可能偽造包以發(fā)動密碼分析攻擊。ESP可以單獨使用，也可以和AH結(jié)合使用。ESP的功能ESP的兩種模式圖7.12ESP傳輸模式圖7.13ESP隧道模式ESP的兩種模式圖7.12ESP傳輸模式圖7.13ESP的格式ESP協(xié)議包括ESP報頭、ESP報尾、ESP認證報尾三個部分。

圖7.14ESP報頭、報尾和認證報尾

ESP的格式圖7.14ESP報頭、報尾和認證報尾加密算法和認證算法

ESP所采用的加密算法由SA指定。為了提高加密效率，ESP設(shè)計使用的是對稱密碼算法。由于IP包可能會失序到達，因此每個IP包必須攜帶接收者進行解密所要求的密碼同步數(shù)據(jù)(如初始化向量IV)。這個數(shù)據(jù)可以在有效負載字段中明確攜帶，也可以從包頭中推導(dǎo)出來。由于機密性是可選擇的，因此加密算法可以是“空”。ESP中的認證算法同AH的認證算法一樣。由于認證算法是可選的，因此認證算法也可以是“空”。雖然加密和認證算法都可為空，但二者不能同時為空。因為這樣做不僅毫無安全保證可言，而且也為系統(tǒng)帶來了無謂的負擔(dān)。加密算法和認證算法ESP處理

ESP的處理過程發(fā)生在發(fā)送時的IP分割之前以及接受時的IP重新組合之后。發(fā)送時的處理①ESP頭定位：在傳輸模式下，ESP頭插在IP頭和上一層協(xié)議頭之間；在隧道模式下，ESP頭在整個源IP數(shù)據(jù)項之前。②查找：只有當與此會話相關(guān)的有效的SA存在時，才進行ESP處理。③包加密：把數(shù)據(jù)封裝到ESP的有效負載字段，在傳輸模式下，只封裝上層協(xié)議數(shù)據(jù)；在隧道模式下、封裝整個原IP數(shù)據(jù)項。應(yīng)使用由SA指定的密鑰和加密算法對上述結(jié)果加密。ESP處理接受時的處理過程當接收方收到一個IP數(shù)據(jù)項時，先根據(jù)包中目的IP地址、安全協(xié)議ESP和SPI查找SA，若沒有用于此會話的SA存在，則接收者必須丟棄此包，并記入日志，否則就按SA中指定的算法進行解密并重新構(gòu)造原IP數(shù)據(jù)項格式。接受時的處理過程7.4.4IKE（InternetKeyExchange）協(xié)議IKE主要完成兩個作用：①安全關(guān)聯(lián)的集中化管理，減少連接時間；②密鑰的生成和管理。IKE協(xié)議是IPSec目前唯一的正式確定的密鑰交換協(xié)議，它為AH和ESP提供密鑰交換支持，同時也支持其他機制，加密鑰協(xié)商。IKE是由另外三種協(xié)議（ISAKMP、Oakley和SKEME）混合而成的一種協(xié)議。7.4.4IKE（InternetKeyExchang

PGP——PrettyGoodPrivacy(相當好的保密)是由MIT的P.R.Zimmerrmann提出的，主要用于安全電子郵件，它可以對通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)創(chuàng)建和檢驗數(shù)字簽名、加密、解密以及壓縮。

7.5PGPPGP——PrettyGoodPrivacy(相表7.1PGP的功能功能使用的算法解釋說明保密性IDEA、CAST或三重DES，Diffie-Hellman或RSA發(fā)送者產(chǎn)生一次性會話密鑰，用會話密鑰以IDEA或CAST或三重DES加密消息，并用接收者的公鑰以Diffie-Hellman或RSA加密會話密鑰簽名RSA或DSS，MD5或SHA用MD5或SHA對消息散列并用發(fā)送者的私鑰加密消息摘要壓縮ZIP使用ZIP壓縮消息，以便于存儲和傳輸E-mail兼容性Radix64交換對E-mail應(yīng)用提供透明性，將加密消息用Radix64變換成ASCII字符串分段功能-為適應(yīng)最大消息長度限制，PGP實行分段并重組表7.1PGP的功能功能使用的算法解釋說明保密性ID7.5.1鑒別圖7.15（a）

PGP的操作過程——只進行鑒別其中，圖7.15記號的含義為：Ks:會話密鑰EP:公鑰加密Kra:用戶A的私鑰DP:公鑰解密KUa:用戶A的公鑰EC:常規(guī)加密H:散列函數(shù)DC:常規(guī)解密||:連接

Z:用ZIP算法進行數(shù)據(jù)壓縮R64:用radix64轉(zhuǎn)換到ASCII格式Z-1：解壓縮MMHEPH||ZZ-1DP比較EKRa[H(M)]KRaKUa發(fā)送者A接收者B7.5.1鑒別圖7.15（a）PG