网络协议基础学习(十二): 对称加密、非对称加密、数字签名、证书

伯文丶
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一、网络通信中面临的四种安全威胁

  • 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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1、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
    • ......
(1) 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, C已经记录过A的MAC地址

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  • 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
    • ① B要给A发送信息, 但是不知道A的MAC地址, 于是发送ARP广播, 获取A的MAC地址
    • ② 交换机将ARP广播发送给A
    • ③ 交换机将ARP广播发送给C

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  • A收到ARP广播后, 发送一个ARP响应给B, 告知A的源MAC地址
  • C收到ARP广播后, 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
  • 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 A发送ARP响应给B, 携带A的源IP地址和A的源MAC地址
    • ⑤ C发送ARP响应给B, 携带A的源IP地址和C的源MAC地址
    • ⑥ B收到A的ARP响应, 缓存A的源IP地址和A的源MAC地址
    • ⑦ B收到C的ARP响应, 覆盖A的源IP地址和C的源MAC地址

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  • 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 
  • 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 
    • ⑧ B准备给A发送信息, 但是携带的是 A的源IP地址和C的源MAC地址
    • ⑨ 路由器此时记录了IP_MAC的映射关系, 于是将B发来的信息转发给了C, 于是C拿到了B发送的信息

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  • 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
    • ⑩ C收到数据后, 窃听数据, 也可以篡改数据, 然后在发送给A
    • ⑪ 交换机将数据发送给A

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(2) 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
  • ...

2、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
(1) 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
    • 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开
    • 正常的流量则回注回客户网站

3、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

4、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

5、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

二、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
  • 常见英文
    • encrypt: 加密
    • decrypt: 解密
    • plaintext: 明文
    • ciphertext 密文

1、如何防止窃听?

  • 可以给传输的明文信息加密, 收到后再解密即可

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  • 这样第三方只能窃听密文, 并不能解析出来

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三、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
  • 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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1、特点

  • 根据任意长度的消息, 计算出固定长度的散列值
    • 例如SHA-1计算出来的散列值就是20个字节
  • 计算速度快, 能快速计算出散列值
  • 消息不同, 散列值也不同
    • 哪怕只有1比特的改变, 计算出的散列值也不同

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  • 具备单向性
    • 只能通过消息计算出散列值, 无法根据散列值逆算出消息

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2、称呼

  • 单向散列函数，也被称为
    • 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

3、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
  • SHA-1
    • 产生160bit的散列值
  • SHA-2
    • SHA-256、SHA-384、SHA-512, 散列值得长度分别是256bit、384bit、512bit
  • SHA-3
    • 全新标准

4、如何防止数据被篡改

  • 假设昨天在系统中存放了一个文件, 但是如何保证今天的文件没有被攻击者篡改, 还和昨天的文件一致?

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  • 为了要对比昨天的文件和今天的文件, 就需要把昨天的文件做一个副本保存起来, 和今天的文件进行对比

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  • 因为文件可能会太大, 直接缓存文件会占用非常多的硬盘资源, 所以可以直接缓存文件的散列值, 然后对比散列值即可

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  • 对比散列值文件的应用
    • 通常, 我们下载外网的文件时, 因为网速过慢, 下载速度极其缓慢
    • 有些机构为了解决这个问题, 就在国内建立了镜像站点, 用户可以直接从镜像站点下载文件
    • 但是为了保证镜像站点的文件没有被篡改过, 我们就需要计算出站点文件的散列值, 和文件官方提供的散列值对比

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5、应用: 密码加密

  • 在服务器中存储的用户密码, 一般都是用单项散列函数计算的散列值, 这是为了防止服务器数据泄露, 原始密码也会泄露的问题
    • 所以, 现在的各个网站, 都是在密码丢失后, 需要重置新密码, 因为后端无法根据散列值逆推出旧密码

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四、如何加密解密?

  • 单向散列函数, 是不可逆的加密方式, 无法根据密文计算出明文
  • 所以想要加密后再解密, 就不能使用单向散列函数, 而是要使用可逆的加密方式
  • AES加密

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  • AES解密

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1、对称加密

  • 对称加密中, 加密密钥和解密密钥是相同的

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2、非对称加密(公钥加密)

  • 非对称加密中, 加密密钥和解密密钥是不同的

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五、对称加密

  • 常见的对称加密算法有
    • DES
    • 3DES
    • AES

1、DES

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  • 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)
  • 目前可以在短时间内被破解, 所以不建议使用

2、3DES

  • 3DES: 将DES重复3次所得到的的一种加密算法, 也叫做3重DES
    • 3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
  • 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
  • 3个密钥是不同的, 也称为DES-EDE3

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  • 如果密钥1和密钥3相同, 密钥2不同, 称为DES-DEDE2

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  • 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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3、AES

  • 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

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六、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
  • 如果发送将使用对称加密过的消息发给了接收者
    • 只有将密钥发送给接收者, 接收者才能完成解密
    • 在发送密钥过程中
      • 可能会被窃听者窃取密钥
      • 最后窃听者也能完成解密

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  • 有以下几种方式解决密钥配送问题
    • 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

七、非对称加密

  • 在非对称加密中, 密钥分为加密密钥、解密密钥两种，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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1、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
  • 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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  • 目前使用最广泛的非对称加密算法是RSA
  • RSA的名字, 有它的3位开发者, 即Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman的姓氏首字母组成

2、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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八、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

1、混合密码 - 加密

  • 会话密钥
    • 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2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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2、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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3、混合密码 - 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)

九、数字签名

  • 想象以下场景

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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

1、数字签名

  • 用发送者的私钥加密信息, 接收者用发送者的公钥解密, 因为只有发送者有私钥, 所以可以确认消息是谁发的

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2、数字签名 - 改进过程

  • 因为消息的长度不定, 并且非对称加密是一件很耗时的操作, 所以需要对数字签名进行改进
  • 先算出消息的散列值, 然后再给散列值签名即可提升效率

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3、数字签名 - 交互过程

  • Alice >>>>>> Bob
    • Alice 生成公钥和私钥, 然后将公钥发送给 Bob
    • Alice 准备发送消息
    • Alice 根据消息计算出消息的散列值, 然后在用私钥生成散列值得签名
    • Alice 将消息+签名发送给 Bob
    • Bob 收到消息+签名后, 先将消息和散列值分开
    • Bob 使用 Alice的公钥解密签名得到散列值
    • Bob 使用收到的消息计算出消息的散列值
    • Bob 对比签名解密的散列值和消息的散列值, 如果一致, 说明是 Alice 发送过来的

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4、数字签名 - 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

5、公钥、私钥总结

  • 在非对称加密中，任何人都可以使用公钥进行加密
  • 在数字签名中，任何人都可以使用公钥验证签名

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  • 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收者解密时使用
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

6、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
    • 主动攻击者 Mallory 拦截了 Bob 的公钥, 并向 Alice 发送自己的公钥
    • 结果, 整个通信过程, 都被 Mallory 窃听

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  • 如何验证公钥的合法性?
    • 证书

十、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

1、证书 - 使用

  • 各大CA的公钥，默认已经内置在浏览器和操作系统中
    • ① Bob生成密钥对: 公钥和私钥
    • ② Bob在认证机构Trent注册自己的公钥
    • ③ 认证机构Trent用自己的私钥对Bob的公钥施加数字签名, 并声称证书
    • ④ Alice得到带有认证机构Trent的数字签名的Bob的公钥(证书)
    • ⑤ Alice使用认证机构Trent的公钥验证数字签名, 确保Bob的公钥的合法性
    • ⑥ Alice用Bob的公钥加密消息并发送给Bob
    • ⑦ Bob用自己的私钥解密密文得到Alice的消息

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2、证书 - 注册和下载

  • 认证机构会将证书存放到仓库中, 用户使用时可以从仓库下载证书

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