Jun 14, 2026

miniyuan

网络安全

安全威胁与目标

攻击分类

攻击类型	子类型	特征	防御手段
被动攻击	截获、流量分析	仅观察分析 PDU，不干扰信息流，难以检测	数据加密
主动攻击	篡改、恶意程序、DoS/DDoS	干扰、破坏或伪造通信，可检测	加密 + 鉴别

DDoS（Distributed Denial of Service）：成百上千站点集中攻击单一目标，又称网络带宽攻击或连通性攻击。

安全目标

目标	含义	应对攻击
保密性	仅收发双方理解信息内容	被动攻击
端点鉴别	验证通信双方真实身份	主动攻击
信息完整性	内容未被篡改	主动攻击
运行安全性	系统正常运行，访问控制	主动攻击

数据加密模型

plaintext X ──> ┌────────────┐ ──> cilhertext Y ──> ┌────────────┐ ──> plaintext X
                │E encryption│                      │D decryption│
                │with key K_E│                      │with key K_D│
                └────────────┘                      └────────────┘

加密： $Y = E_{K_E}(X)$

解密： $D_{K_D}(Y) = D_{K_D}(E_{K_E}(X)) = X$

安全性判定：

无条件安全：无论截获多少密文，信息不足以唯一确定明文
计算安全：现有计算资源无法在合理时间内破译

两类密码体制

对称密钥密码体制

核心思想：加密密钥与解密密钥相同，即 $K_E = K_D = K$ ，又称对称密钥系统。

通信双方通过安全信道预先共享同一密钥，实现双向保密通信。

对称密钥密码举例：DES

数据加密标准 DES（Data Encryption Standard）：

分组长度：64 bit
密钥长度：64 bit（实际有效 56 bit，8 bit 用于奇偶校验）
算法公开，保密性仅取决于密钥的保密
56 位 DES 已被专用芯片搜索攻击，不再安全

三重 DES：

为增强安全性，使用两个 56 位密钥进行三次运算：

Y = \text{DES}_{K_1}(\text{DES}^{-1}_{K_2}(\text{DES}_{K_1}(X)))

注：当 $K_1 = K_2$ 时退化为单 DES。

公钥密码体制

核心思想：使用不同的加密密钥与解密密钥，且由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上不可行。

产生原因：

对称密钥密码体制的密钥分配问题
对数字签名的需求

密钥公开性：

公钥 $PK$ （public key）：向公众公开
私钥 $SK$ （secret key）：仅持有者保密
加密算法 $E$ 和解密算法 $D$ 均公开

虽然 $SK$ 由 $PK$ 决定，但不能根据 $PK$ 计算出 $SK$

公钥密码举例：RSA 算法

安全性基础：大整数素因子分解的困难性。

密钥生成：

随机选取两个大素数 $p$ 和 $q$ ，计算 $n = pq$
计算欧拉函数 $\varphi(n) = (p-1)(q-1)$
选取整数 $e$ 满足 $1 < e < \varphi(n)$ 且 $\gcd(e, \varphi(n)) = 1$
计算 $d \equiv e^{-1} \pmod{\varphi(n)}$

密钥对：

公钥 $PK = (e, n)$
私钥 $SK = (d, n)$

运算：

操作	公式	使用密钥
加密	$Y = X^e \bmod n$	接收方公钥 $PK_B = (e, n)$
解密	$X = Y^d \bmod n$	接收方私钥 $SK_B = (d, n)$

本质上利用了数论中的 Euler 定理。且 RSA 还具有以下互逆性：

D_{SK}(E_{PK}(X)) = X

E_{PK}(D_{SK}(X)) = X

两种用法：

用法	操作	目的
保密通信	$PK$ 加密 → $SK$ 解密	仅持有 $SK$ 的接收方可读取
数字签名	$SK$ 加密 → $PK$ 解密	仅持有 $SK$ 的发送方可生成，任何人可验证

对称密钥 vs 公钥密码体制

特性	对称密钥	公钥密码
密钥关系	$K_E = K_D$	$PK \neq SK$
密钥公开性	双方共享秘密	$PK$ 公开， $SK$ 保密
通信模式	一对一双向	多对一单向
主要瓶颈	密钥分配困难	计算开销大，仍需密钥分配协议
代表算法	DES、AES、3DES	RSA、ECC
典型应用	大量数据加密	数字签名、密钥交换

数字签名

三要素：

报文鉴别：接收者核实发送者身份（来源认证）
完整性：发送者事后不能抵赖（防否认）
不可否认：接收者不能伪造签名（防伪造）

基于公钥的实现

发送方 A                          接收方 B
┌─────────┐    互联网    ┌─────────┐
│ 明文 X  │ ───────────→ │ 明文 X  │
│ SK_A 签名│              │ PK_A 核实│
└─────────┘              └─────────┘

原理：除 A 外无人拥有 $SK_A$ ，故只有 A 能产生该密文；B 用 $PK_A$ 核实即可确认来源。

具有保密性的数字签名

发送方： $Y = E_{PK_B}(D_{SK_A}(X))$

接收方： $X = E_{PK_A}(D_{SK_B}(Y))$

鉴别

密码散列函数

特征：

输入任意长，输出固定短长度（散列值/摘要）
多对一映射：不同输入可能产生相同输出
单向性：找到两个不同报文具有相同散列输出，在计算上不可行

MD5 与 SHA-1

算法	输出长度	分组长度	扫描轮数	安全性	速度
MD5	128 bit	512 bit	4 轮	较低	快
SHA-1	160 bit	512 bit	5 轮	较高	较慢

MD5 计算步骤：

附加：报文长度（64 bit）追加至末尾
填充：填充 $1\sim512$ bit，使总长度 $\equiv 448 \pmod{512}$ ，首位为 1，其余为 0
分组：分割为 512 bit 数据块，每块再分 4 个 128 bit 块
计算：4 轮复杂运算，生成 128 bit 报文摘要

报文鉴别码 MAC

问题：单纯散列 $H(M)$ 无法防伪造（入侵者可构造 $(M, H(M))$ 冒充 A）

解决：散列值用密钥 $K$ 加密，得到 MAC（Message Authentication Code） $\text{MAC} = E_K(H(X))$

入侵者无密钥 $K$ ，无法伪造 MAC，实现报文鉴别与完整性保护。

实体鉴别

鉴别类型	对象	频率
报文鉴别	每一个收到的报文	每报文一次
实体鉴别	通信对方实体	会话期间一次

重放攻击：截获加密报文直接转发，冒充身份

防御——不重数（Nonce）：

一次性大随机数，“一次一数”
通信双方交换不重数并签名验证，截获者无法重复使用

中间人攻击：

C 截获 A 的公钥 $PK_A$ ，冒充 A 向 B 发送自己的 $PK_C$
B 用 $PK_C$ 加密发送给 A，C 截获后用 $SK_C$ 解密，再用 $PK_A$ 加密转发给 A
A、B 均无法察觉通信被窃听

密钥分配

对称密钥分配——KDC

密钥分配中心 KDC（Key Distribution Center）：

可信第三方，为通信用户临时分配会话密钥（一次一密）
用户预先注册主密钥 $K_A$ 、 $K_B$ （长期密钥，与 KDC 共享）

Kerberos V5

组件：

AS（Authentication Server）：鉴别服务器，验证用户身份
TGS（Ticket Granting Server）：票据授予服务器，发放服务票据

票据（Ticket）：用目标服务器密钥加密的报文，包含会话密钥，可转发但不可伪造

流程：

A 向 AS 发送明文身份 $ID_A, ID_{TGS}$
AS 返回用 $K_A$ 加密的报文 $K_A(K_S, TGT = K_{TG}(K_S, ID_A, T_1, \cdots))$
A 向 TGS 发送 $TGT, ID_B, K_S(ID_A, T_A)$
TGS 返回两个票据 $K_S(K_{AB}, ST = K_B(K_{AB}, ID_A, T_2, \cdots))$
A 向 B 转发票据 $ST, K_{AB}(ID_A, ,T_A)$
B 加密发回下一时间戳，确认收到 $K_{AB}(T_{A}+1)$

密钥	谁持有	作用
K_A	Alice + AS	Alice 的密码派生密钥，AS 用它加密首次响应，只有 Alice 能解密
K_TG	TGS	TGS 的服务密钥，加密 TGT，客户端无法篡改
K_S	Alice + TGS	AS 随机生成的临时密钥，Alice 用它向 TGS 证明身份
K_B	Bob + TGS	Bob 的服务密钥，加密 ST，客户端无法篡改
K_AB	Alice + Bob	TGS 随机生成的最终会话密钥，供 Alice 和 Bob 安全通信

要求：所有主机时钟”松散同步”（误差不超过约 5 分钟），防止重放攻击

公钥分配——CA 与 PKI

认证中心 CA（Certification Authority）：

将公钥与实体身份绑定
颁发证书（Certificate），经 CA 私钥数字签名，不可伪造

X.509 证书结构：

字段	说明
版本号	区分 X.509 版本
序列号	CA 发放，唯一
签名算法	签署算法及参数
发行者	CA 的 X.509 名称
有效期	起始/终止时间
主体名	证书持有者名称
公钥	有效公钥及使用方法
发行者 ID	唯一标识发行者（可选）
主体 ID	唯一标识持有者（可选）
扩展域	扩充信息
CA 签名	CA 私钥对证书签名

证书吊销：私钥泄漏、用户不再被认证、CA 私钥泄漏等，维护证书吊销列表（CRL）

例：

以与 github.com 进行加密通信为例。

服务器发送：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  CERT 1  :  End-Entity (Leaf)                               │
│─────────────────────────────────────────────────────────────│
│  Subject          :  CN = github.com                        │
│  Issuer           :  CN = DigiCert TLS RSA SHA384 2020 CA1  │
│  Subject PubKey   :  GitHub's RSA Public Key                │
│  Signature        :  Signed by Intermediate CA's PRIVATE KEY│
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
                              ▲
                              │ signed by
                              │
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  CERT 2  :  Intermediate CA                                 │
│─────────────────────────────────────────────────────────────│
│  Subject          :  CN = DigiCert TLS RSA SHA384 2020 CA1  │
│  Issuer           :  CN = DigiCert Global Root CA           │
│  Subject PubKey   :  Intermediate CA's Public Key           │
│  Signature        :  Signed by Root CA's PRIVATE KEY        │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

本地已有（系统预装）：
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  CERT 3  :  Root CA (Trust Anchor)                          │
│─────────────────────────────────────────────────────────────│
│  Subject          :  CN = DigiCert Global Root CA           │
│  Issuer           :  CN = DigiCert Global Root CA           │
│  Subject PubKey   :  Root CA's Public Key                   │
│  Signature        :  Self-Signed (by its own PRIVATE KEY)   │
│  Trust Status     :  IMPLICITLY TRUSTED by OS               │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

验证方式：

验 github.com 证书（Cert 1）：从 Cert 2 取中间 CA 公钥
验中间 CA 证书（Cert 2）：从本地 Cert 3 取根 CA 公钥
根证书（Cert 3）：本地白名单直接信任，不验签

验完后，浏览器从 Cert 1 提取 GitHub 的公钥，开始加密通信。

安全协议

网络层安全——IPsec

IPsec 组成：

AH（Authentication Header）：源点鉴别 + 数据完整性，不保密
ESP（Encapsulation Security Payload）：源点鉴别 + 完整性 + 保密
IKE（Internet Key Exchange）：创建安全关联 SA

工作方式：

方式	封装方式	应用场景	运行位置
传输模式	在传输层报文前后加控制信息 + IP 首部	主机到主机	端系统
隧道模式	在原始 IP 数据报前后加控制信息 + 新 IP 首部	VPN	全程路由器

安全关联 SA（Security Association）：

源到终点的单向逻辑连接
双向通信需建立两个 SA
标识：SPI（Security Parameter Index），32 bit 连接标识符
状态信息：源/终点 IP、加密类型、密钥、完整性检查类型、鉴别密钥

隧道方式 ESP 数据报格式：

┌──────────────┬──────────┬──────────────┬──────────────┬──────────────┐
│ 新 IP 首部   │ ESP 首部 │ 原始 IP 首部 │ 原始有效载荷 │ ESP MAC      │
│ (未加密)     │ SPI+序号│ (加密)       │ (加密)       │ (鉴别)       │
└──────────────┴──────────┴──────────────┴──────────────┴──────────────┘

IKE 基础协议：

Oakley：密钥生成
SKEME：密钥交换（基于公钥加密的实体鉴别）
ISAKMP：标准化创建 SA 的报文格式

传输层安全——SSL / TLS

位置：应用层与传输层之间，基于 TCP，与应用协议独立

SSL 安全会话建立过程：

步骤	操作	目的
1	A 发送 SSL 版本号及可选加密算法	协商算法
2	B 选定算法并告知 A	协商算法
3	B 发送含 RSA 公钥的数字证书	服务器鉴别
4	A 用 CA 公钥验证证书	服务器鉴别
5	A 随机产生秘密数，用 B 公钥加密发送	密钥交换
6	双方用协商算法产生共享对称会话密钥	会话密钥计算
7	双方用会话密钥加密传输并验证完整性	安全数据传输

HTTPS：HTTP over SSL/TLS，端口 443

应用层安全——PGP

功能：加密、鉴别、电子签名、压缩

密钥使用：

A（发送方）： $SK_A$ 、 $PK_B$ 、一次性密钥
B（接收方）： $SK_B$ 、 $PK_A$

发送方处理：

对明文 $X$ 计算 MD5 摘要 $H(X)$
用 $SK_A$ 加密摘要得 MAC，拼接为 $(X, \text{MAC})$
生成一次性密钥，加密 $(X, \text{MAC})$
用 $PK_B$ 加密一次性密钥
发送：加密的一次性密钥 + 加密的扩展邮件

接收方处理：

用 $SK_B$ 解密获得一次性密钥
用一次性密钥解密获得 $(X, \text{MAC})$
用 $PK_A$ 解密 MAC 得 $H$
对 $X$ 计算 MD5 得 $H(X)$ ，比较 $H \stackrel{?}{=} H(X)$

系统安全

防火墙

功能：阻止（过滤可疑通信）+ 允许

技术分类：

类型	工作层次	过滤依据	状态	特点
分组过滤路由器	网络/传输层	IP 地址、端口、协议类型	无状态/有状态	简单高效、透明，无法过滤高层数据
应用网关（代理服务器）	应用层	应用层数据内容	有状态	高层过滤、用户鉴别，开销大，需客户端配置

入侵检测系统 IDS

功能：在入侵造成危害前及时检测并告警/阻断

检测方法：

方法	原理	优点	缺点
基于特征	维护已知攻击特征数据库	检测已知攻击准确	无法检测未知攻击
基于异常	学习正常流量统计规律，检测偏离	可检测未知攻击	误报率高

密码学原语与安全体系总结

原语	实现	功能
对称密码（Cipher）	AES、DES、流密码	加密传输；消息鉴别码 MAC
公钥密码（PKE）	RSA、ECC	加密传输；数字签名
哈希函数（Hash）	MD5、SHA-1	身份鉴别；辅助消息鉴别和数字签名

安全体系层次：

机密性/完整性：对称/公钥加密 + 哈希函数
可用性：防火墙访问控制、入侵检测防御
安全协议：PKI（公钥基础设施）、对称密钥分发（KDC/Kerberos）+ 网络层/传输层/应用层安全协议