十、网络安全

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

  
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网络层 ---- ARP欺骗

• ARP欺骗(AEP spoofing),又称ARP毒化(ARP poisoning)、ARP病毒、ARP攻击
• ARP欺骗可以造成的后果

1. 可让攻击者获取局域网上的数据包甚至可篡改数据包
2. 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）
3. 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----- 核心步骤举例

• 假设主机C是攻击者，主机A、B是被攻击者
  1.C只要收到过A、B发送的ARP请求，就会拥有A、B的IP、MAC地址，就可以进行欺骗活动

2. C发送一个ARP响应给B，把响应包里的源IP设为A的IP地址，源MAC设为C的MAC地址
3. B收到ARP响应后，更新它的ARP表，把A的MAC地址（IP_A, MAC_A）改为（IP_A, MAC_C）
4. 当B要发送数据包给A时，它根据ARP表来封装数据包的头部，把目标MAC地址设为MAC_C，而非MAC_A
5. 当交换机收到B发送给A的数据包时，根据此包的目标MAC地址（MAC_C）而把数据包转发给C
6. C收到数据包后，可以把它存起来后再发送给A，达到窃听效果。C也可以篡改数据后才发送数据包给A

ARP欺骗---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
  带宽消耗型：UDP洪水攻击、ICMP洪水攻击
  资源消耗型：SYN洪水攻击、LAND攻击

DoS、DDoS防御

• 防御方式通常为:入侵检测、流量过滤、和多重验证
  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

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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开
  正常的流量则回注回客户网站

传输层 ---- SYN洪水攻击

• SYN洪水攻击（SYN flooding attack）
  攻击者发送一系列的SYN请求到目标，然后让目标因收不到ACK（第3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

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

应用层 --- DNS劫持

• DNS劫持，又称为域名劫持

1. 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
2. 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
3. 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协议的安全问题

• HTTP协议默认是采取明文传输的，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
• 常见的加密方式有
  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

设计4个虚拟人物

• Alice、Bob: 互相通信
• Eve: 窃听者

• Mallory: 主动攻击者

  
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如何防止被窃听

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单向散列函数 MD5

• 单向散列函数，可以根据根据消息内容计算出散列值

• 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

  
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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
• 消息不同，散列值也不同

• 具备单向性

  
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单向散列函数 ----- 称呼

• 消息摘要函数
• 哈希函数
  输出的散列值,也被称为
• 消息摘要
• 指纹

几种常见的单向散列函数

• MD4、MD5
  产生128bit的散列值,MD就是Message Digest的缩写
• SHA-1
  产生160bit的散列值
• 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

如何防止数据被篡改

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防止数据被篡改

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应用:密码加密

加密解密

对称加密

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非对称加密(公钥密码)

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• 在对称加密中,加密、解密使用的是同一密钥
• 常见的对称加密算法有
  DES
  3DES
  AES

DES (Data Encryption Standard)

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DES

• 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bit，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,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-> 解密->加密的过程
  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.

  
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• 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.

  
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AES

• 取代DES称为新标准的一种对称加密算法,又称Rijndael加密发
• AES的密钥长度有128、192、256bit三种
• 目前AES,已经逐步取代DES、3DES,称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
  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

• 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

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如何解决密钥配送问题

• 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

• 在非对称加密中，密钥分为加密密钥、解密密钥 种，它们并不是同一个密钥
• 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）

  
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公钥、私钥

• 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

  
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解决密钥配送问题

• 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

• 非对称加密的加密解密速度比对称加密要慢

  
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RSA

目前使用最广泛的非对称加密算法是RSA

混合密码系统

• 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 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）

  
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混合密码 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

  
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混合加密-- 加密解密流程

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

消息篡改

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• 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如何确定这段消息的真实性？如何识别篡改、伪装、否认？
• 解决方案
  数字签名

数字签名

• 在数字签名技术中，有以下 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

  
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数字签名改进

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疑惑

• 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为了保证机密性，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

  
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非对称加密--- 公钥、私钥总结

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公钥合法性

• 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

  
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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

证书的使用

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• 各大CA的公钥，默认已经内置在浏览器和操作系统中

证书--- 注册与下载

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查看windows已经信任的证书

① Windows键 + R >>> 输入mmc
② 文件 >>> 添加/删除管理单元
③ 证书 >>> 添加 >>> 我的用户账户 >>> 完成 >>> 确定