11.1加密与认证技术（教案）《计算机网络技术项目教程》（大连理工出版社）

周 次 第 十五 周，第 15 次课；总第16次课 章节名称 第十一章：网络安全的维护 授课方式 课堂讲授（√）；上机实验（ ）； 实际操作（ ）；课程设计（ ）； 教学时数 2 授课方法 和手段 课堂讲授 教学目的 与要求 目的和要求： 1．加密与认证技术; 2．网络攻击与入侵检测技术; 难点：加密与认证技术，网络攻击与入侵检测技术 教学基本内容纲要 10.2.3　加密与认证技术 密码学（在西欧语文中之源于希腊语kryptós，“隐藏的”，和gráphein，“书写”）是研究如何隐密地传递信息的学科。在现代特别指对信息以及其传输的数学性研究，常被认为是数学和计算机科学的分支，和信息论也密切相关 1．密码技术 （1）对称密钥算法（传统加密方法） 代换密码法 也叫做凯撒密码。 早在公元前1世纪，据说凯撒大帝就曾用过极简单的代换式密码，在这种密码中，每个字母都由其后的第三个字母（按字母顺序）所代替。当凯撒说：“Hw we，Eu-xwh！”而不是“Et tu，Brute！”（“你这畜生！”）时，他的心腹会懂得他的意思的。值得注意的是，大约2，000年后，联邦将军A．S．约翰逊和皮埃尔·博雷加德在希洛战斗中再次使用过这种简易密码。 转换密码法 代换密码法的实质就是保持明文的次序，而把明文字符隐藏起来啊。转换密码法不是隐藏它们，而是靠重新安排字母的次序。 变位加密法 一次性密码簿加密法 一次性密码簿加密具有代码加密的可靠性，又保持了替换加密的灵活性，密码簿每一页都是不同的代码表，可用一页上的代码来加密一些词，用后销毁，再用另一页加密另一些词，直到全部的明文完成加密，破译的唯一方法就是获取一份相同的密码簿。 一次性密码簿加密，要求密码簿至少不小于明文长度，即不得重复用来加密明文的不同部分，否则密文就会呈现出某种规律性，也就可能被破译。一般这种加密方法只用于高度保密的场合下，因为如何将至少同长度的密码簿护送到接收端是一个大代价的行动。 （2）非对称密钥算法（公开密钥算法、现代加密方法） DES加密算法 数据加密算法（Data Encryption Algorithm，DEA）是一种对称加密算法，很可能是使用最广泛的密钥系统，特别是在保护金融数据的安全中，最初开发的DEA是嵌入硬件中的。通常，自动取款机（Automated Teller Machine，ATM）都使用DEA。它出自IBM的研究工作，IBM也曾对它拥有几年的专利权，但是在1983年已到期后，处于公有范围中，允许在特定条件下可以免除专利使用费而使用。1997年被美国政府正式采纳。 IDEA加密算法 国际数据加密算法（IDEA）是上海交通大学教授来学嘉与瑞士学者James Massey联合提出的。它在1990年正式公布并在以后得到增强。这种算法是在DES算法的基础上发展出来的，类似于三重DES。发展IDEA也是因为感到DES具有密钥太短等缺点。IDEA的密钥为128位，这么长的密钥在今后若干年内应该是安全的。 RSA公开密钥算法 RSA公钥加密算法是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。1987年首次公布，当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。 RSA是目前最有影响力的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。 Hash-MD5加密算法 Message Digest Algorithm MD5（中文名为消息摘要算法第五版）为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。该算法的文件号为RFC 1321（R.Rivest,MIT Laboratory for Computer Science and RSA Data Security Inc. April 1992）。 MD5即Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5），用于确保信息传输完整一致。是计算机广泛使用的杂凑算法之一（又译摘要算法、哈希算法），主流编程语言普遍已有MD5实现。将数据（如汉字）运算为另一固定长度值，是杂凑算法的基础原理，MD5的前身有MD2、MD3和MD4。 量子加密系统 在IBM的华生实验室里，班奈特（Charles Bennett）是位知名而优秀的理论学家，也是量子计算这个新领域的创始者之一。就像其他多数理论学家一样，他待在实验室的经验并不多。他对于外在的事物漫不经心，有一次甚至把茶壶放在隔水加热器太久，从绿色煮成红色。不过，在1989年，班奈特和同事斯莫林（John A. Smolin）以及布拉萨（Gilles Brassard）决定放手一搏，着手进行一项开创性的实验。他们根据量子力学的原理，展示了一种新的密码技术。 2．认证技术 消息认证 消息认证（message authentication）就是验证消息的完整性，当接收方收到发送方的报文时，接收方能够验证收到的报文是真实的和未被篡改的。它包含两层含义：一是验证信息的发送者是真正的而不是冒充的，即数据起源认证；二是验证信息在传送过程中未被篡改、重放或延迟等。 身份认证 身份认证也称为“身份验证”或“身份鉴别”，是指在计算机及计算机网络系统中确认操作者身份的过程，从而确定该用户是否具有对某种资源的访问和使用权限，进而使计算机和网络系统的访问策略能够可靠、有效地执行，防止攻击者假冒合法用户获得资源的访问权限，保证系统和数据的安全，以及授权访问者的合法利益。 数字签名 数字签名（又称公钥数字签名、电子签章）是一种类似写在纸上的普通的物理签名，但是使用了公钥加密领域的技术实现，用于鉴别数字信息的方法。一套数字签名通常定义两种互补的运算，一个用于签名，另一个用于验证。 数字签名，就是只有信息的发送者才能产生的别人无法伪造的一段数字串，这段数字串同时也是对信息的发送者发送信息真实性的一个有效证明。 数字签名是非对称密钥加密技术与数字摘要技术的应用。 10.2.4　网络攻击与入侵检测技术 1．网络攻击的定义和步骤 所有试图破坏网络系统安全性的行为都叫网络攻击。 网络攻击的步骤一般包括： 利用网络存在的漏洞和安全缺陷对网络系统的硬件、软件及其系统中的数据进行的攻击。 主动攻击 主动攻击会导致某些数据流的篡改和虚假数据流的产生。这类攻击可分为篡改、伪造消息数据和终端（拒绝服务）。 （1） 篡改消息 篡改消息是指一个合法消息的某些部分被改变、删除，消息被延迟或改变顺序，通常用以产生一个未授权的效果。如修改传输消息中的数据，将“允许甲执行操作”改为“允许乙执行操作”。 （2）伪造 伪造指的是某个实体（人或系统）发出含有其他实体身份信息的数据信息，假扮成其他实体，从而以欺骗方式获取一些合法用户的权利和特权。 （3）拒绝服务 拒绝服务即常说的DoS（Deny of Service），会导致对通讯设备正常使用或管理被无条件地终端。通常是对整个网络实施破坏，以达到降低性能、终端服务的目的。这种攻击也可能有一个特定的目标，如到某一特定目的地（如安全审计服务）的所有数据包都被组织。 被动攻击 被动攻击中攻击者不对数据信息做任何修改，截取/窃听是指在未经用户同一和认可的情况下攻击者获得了信息或相关数据。通常包括窃听、流量分析、破解弱加密的数据流等攻击方式。 （1）流量分析 流量分析攻击方式适用于一些特殊场合，例如敏感信息都是保密的，攻击者虽然从截获的消息中无法的到消息的真实内容，但攻击者还能通过观察这些数据报的模式，分析确定出通信双方的位置、通信的次数及消息的长度，获知相关的敏感信息，这种攻击方式称为流量分析。 （2）窃听 窃听是最常用的首段。目前应用最广泛的局域网上的数据传送是基于广播方式进行的，这就使一台主机有可能受到本子网上传送的所有信息。而计算机的网卡工作在杂收模式时，它就可以将网络上传送的所有信息传送到上层，以供进一步分析。如果没有采取加密措施，通过协议分析，可以完全掌握通信的全部内容，窃听还可以用无限截获方式得到信息，通过高灵敏接受装置接收网络站点辐射的电磁波或网络连接设备辐射的电磁波，通过对电磁信号的分析恢复原数据信号从而获得网络信息。尽管有时数据信息不能通过电磁信号全部恢复，但肯得到极有价值的情报。 2．常见的攻击手段 密码攻击、 密码攻击是在不知道密匙的情况下，恢复出明文。 常用的密码分析攻击有惟密文攻击、已知密文攻击、选择明文攻击和自适应选择明文攻击4类。 拒绝服务攻击、 拒绝服务攻击即攻击者想办法让目标机器停止提供服务，是黑客常用的攻击手段之一。其实对网络带宽进行的消耗性攻击只是拒绝服务攻击的一小部分，只要能够对目标造成麻烦，使某些服务被暂停甚至主机死机，都属于拒绝服务攻击。拒绝服务攻击问题也一直得不到合理的解决，究其原因是因为这是由于网络协议本身的安全缺陷造成的，从而拒绝服务攻击也成为了攻击者的终极手法。攻击者进行拒绝服务攻击，实际上让服务器实现两种效果：一是迫使服务器的缓冲区满，不接收新的请求；二是使用IP欺骗，迫使服务器把非法用户的连接复位，影响合法用户的连接。 缓冲区溢出攻击、 缓冲区溢出攻击是利用缓冲区溢出漏洞所进行的攻击行动。缓冲区溢出是一种非常普遍、非常危险的漏洞，在各种操作系统、应用软件中广泛存在。利用缓冲区溢出攻击，可以导致程序运行失败、系统关机、重新启动等后果。 特洛伊木马攻击 特洛伊木马目前一般可理解为“为进行非法目的的计算机病毒”，在电脑中潜伏，以达到黑客目的。原指一希腊传说。在古希腊传说中，希腊联军围困特洛伊久攻不下，于是假装撤退，留下一具巨大的中空木马，特洛伊守军不知是计，把木马运进城中作为战利品。夜深人静之际，木马腹中躲藏的希腊士兵打开城门，特洛伊沦陷。后人常用“特洛伊木马”这一典故，用来比喻在敌方营垒里埋下伏兵里应外合的活动。现在有的病毒伪装成一个实用工具、一个可爱的游戏、一个位图文件、甚至系统文件等等，这会诱使用户将其打开等操作直到PC或者服务器上。这样的病毒也被称为“特洛伊木马”（trojan wooden-horse），简称“木马”。 3．常见的攻击手段 入侵检测技术的概念 入侵检测是指“通过对行为、安全日志或审计数据或其它网络上可以获得的信息进行操作，检测到对系统的闯入或闯入的企图”。入侵检测是检测和响应计算机误用的学科，其作用包括威慑、检测、响应、损失情况评估、攻击预测和起诉支持。 入侵检测系统的功能 1.监测并分析用户和系统的活动; 2.核查系统配置和漏洞; 3.评估系统关键资源和数据文件的完整性; 4.识别已知的攻击行为; 5.统计分析异常行为; 6.操作系统日志管理,并识别违反安全策略的用户活动. 常见的入侵检测方法 1）特征检测 特征检测对已知的攻击或入侵的方式作出确定性的描述，形成相应的事件模式。当被审计的事件与已知的入侵事件模式相匹配时，即报警。原理上与专家系统相仿。其检测方法上与计算机病毒的检测方式类似。目前基于对包特征描述的模式匹配应用较为广泛。该方法预报检测的准确率较高，但对于无经验知识的入侵与攻击行为无能为力。 2）统计检测 统计模型常用异常检测，在统计模型中常用的测量参数包括：审计事件的数量、间隔时间、资源消耗情况等。 统计方法的最大优点是它可以“学习”用户的使用习惯，从而具有较高检出率与可用性。但是它的“学习”能力也给入侵者以机会通过逐步“训练”使入侵事件符合正常操作的统计规律，从而透过入侵检测系统。 3）专家系统 用专家系统对入侵进行检测，经常是针对有特征入侵行为。所谓的规则，即是知识，不同的系统与设置具有不同的规则，且规则之间往往无通用性。专家系统的建立依赖于知识库的完备性，知识库的完备性又取决于审计记录的完备性与实时性。入侵的特征抽取与表达，是入侵检测专家系统的关键。在系统实现中，将有关入侵的知识转化为if-then结构（也可以是复合结构），条件部分为入侵特征，then部分是系统防范措施。运用专家系统防范有特征入侵行为的有效性完全取决于专家系统知识库的完备性。 4）文件完整性检查 文件完整性检查系统检查计算机中自上次检查后文件变化情况。文件完整性检查系统保存有每个文件的数字文摘数据库，每次检查时，它重新计算文件的数字文摘并将它与数据库中的值相比较，如不同，则文件已被修改，若相同，文件则未发生变化。 10.2.5　防火墙技术与访问控制列表ACL 1．防火墙的定义 在网络中，防火墙是指设置在不同网络（如可信任的企业内部网和不可信任的公共网）或网络安全域之间的一系列部件的组合，是不同网络或网络安全域之间信息的唯一出入口，能根据安全计划和安全策略中的定义控制（允许、拒绝、监测）出入网络的信息流，保证了内部网络的安全。 2．防火墙的作用 防火墙是网络安全的屏障 防火墙口f以强化网络安全策略 对网络存取和访问进行监控审计 防止内部信息外泄 3．防火墙的不足 不能防范恶意知情者 不能防范不通过它的连接 不能防范全部威胁 4．防火墙的种类 5．包过滤 包（Packet）是TCP/IP协议通信传输中信息流动的数据单位一般也称“数据报”。在网上传输的信息一般在发出端被划分成一串数据报，经过网上的中间站点，最终传到目的地，然后这些数据报中的数据又重新组成原来的信息。每个数据报有两个部分：数据部分和报头。报头中含有源地址和目标地址等信息。 包过滤（Packet Filtering）就是在网络层中对数据报实施有选择的通过。 6．访问控制列表ACL 访问控制是网络安全防范和保护的主要策略，它的主要任务是保证网络资源不被非法使用和访问。它是保证网络安全最重要的核心策略之一。访问控制涉及的技术也比较广，包括入网访问控制、网络权限控制、目录级控制以及属性控制等多种手段。 访问控制列表ACL是人为定义的一组或几组规则，是安全策略的具体承载形式。其目的是通过网络设备对数据流分类，以便执行用户规定的动作。这张表中包含了匹配关系、条件和查询语句，表只是一个框架结构，其目的是为了对某种访问进行控制。 任务10-1　杀毒软件的设置与使用 任务10-2　使用加密软件实现文件内容的加密 任务10-3　使用访问控制列表ACL进行网络安全管理 教学重点 与难点 1．加密与认证技术; 2．网络攻击与入侵检测技术; 难点：加密与认证技术，网络攻击与入侵检测技术 教学过程 设计 复习 10 分钟，授新课 70 分钟，安排讨论 5 分钟， 布置作业 分钟，提问 5 分钟 作业布置 无 课后小结 参考资料 学科网（北京）股份有限公司 $$