一、前言

計算機網(wǎng)絡安全是一個很大內(nèi)容，包括網(wǎng)絡攻擊、加密技術(shù)、密鑰分配、鑒別技術(shù)等，本文從網(wǎng)絡攻擊（被動攻擊和主動攻擊）著手，得到網(wǎng)絡安全的四個理論標準（保密性、端點鑒別、信息完整性、運行安全性），后面的內(nèi)容基本上是圍繞這四個標準展開，一步步探究整個計算機網(wǎng)絡內(nèi)容。

二、網(wǎng)絡攻擊與安全標準

2.1網(wǎng)絡攻擊

網(wǎng)絡攻擊多種多樣，按攻擊方式劃分，計算機網(wǎng)絡攻擊分為兩種：被動攻擊與主動攻擊。如下圖：

注意：上圖只是網(wǎng)絡攻擊的一種劃分依據(jù)，還存在其他劃分依據(jù)，劃分方式不唯一。

2.2安全防治理論標準

為應對多種多樣的網(wǎng)絡攻擊，計算機網(wǎng)絡安全方面必須先誕生一個安全防治理論標準，即怎樣的網(wǎng)絡才能被稱為是安全的？有個這個標準后，然后再根據(jù)這個標準去設計網(wǎng)絡安全保障機制（如防范被動攻擊需要的加密技術(shù)、防范主動攻擊需要的加密技術(shù)和鑒別技術(shù)）。

一般來說，一個安全的計算機網(wǎng)絡通信要想達到安全，需要滿足四個要求——保密性、端點鑒別、信息完整性、運行安全性，具體如下表：

三、加密技術(shù)

為實現(xiàn)安全標準中的保密性，我們需要對網(wǎng)路傳送的數(shù)據(jù)進行加密。常用的密碼體制包括兩種：對稱加密和非對稱加密，先看對稱加密。

3.1對稱加密技術(shù)

對稱加密即傳統(tǒng)加密，加密和解密使用同一密鑰K，如下圖所示：

解釋一下上圖：E運算代表Encode編碼運算，則為加密運算；D運算代表Decode解碼運算，則為解碼運算。

加密和解密使用相同的密鑰K，發(fā)送方A將明文X使用公開的加密算法產(chǎn)生密文Y，然后接收方B只要使用相同的密鑰K對密文解密即得到明文X。

對稱加密原理簡單，實現(xiàn)起來也很快捷，但是存在一個很難解決的問題——對稱密鑰密碼體制的密鑰管理問題。

在對稱密鑰密碼體制中，通信雙方加密解密使用相同的密鑰，但是如何做到這一點呢？

1、事先約定相同的密鑰，但是事先約定對于某一時刻更換密鑰造成極大不便，如果使用高度安全的密鑰分配中心，會使網(wǎng)絡成本大大增加。

2、信使傳送密鑰保證相同，但是高度自動化的大型計算機網(wǎng)絡中，通信雙方這樣頻繁傳送密鑰是極不合適的。

所以引入了非對稱加密技術(shù)，且看下文。

3.2非對稱加密技術(shù)

除了對稱加密，其實我們還有一種非對稱加密技術(shù)，非對稱加密的產(chǎn)生的原因主要有兩點：

1、對稱密鑰密碼體制的密鑰管理問題無法找到高效、安全、低成本的方式解決（即本文3.1對稱加密技術(shù)）；

2、數(shù)字簽名的需求（即本文3.3數(shù)字簽名）。

非對稱加密密碼體制，又稱為公鑰密鑰體制/公開密鑰密碼體制，在非對稱加密密碼體制中，密鑰對產(chǎn)生器每次產(chǎn)生一對密鑰——公鑰(Public Key)，以下用PK表示，私鑰(Secret Key)，以下用SK表示。非對稱加密技術(shù)，如圖：

兩者區(qū)別為：

所以說，無論是何種密碼體制，加密算法都是公開，所以實現(xiàn)保密性的關鍵在于密鑰的保密。

對于對稱加密和非對稱加密，非對稱加密確實比對稱加密安全，但是并不是非對稱加密就一定比對稱加密優(yōu)秀的，至少非對稱加密速度就比對稱加密慢。兩種密碼體制優(yōu)缺點見表：

所以在實際的網(wǎng)絡環(huán)境中，會將對稱加密和非對稱加密混合使用.

3.3數(shù)字簽名

3.3.1數(shù)字簽名的要求

1、接收方B能夠核實發(fā)送方A對報文的簽名，保證報文鑒別。

2、接收方B能夠確認收到數(shù)據(jù)是和發(fā)送方A發(fā)送的是一致的，沒有被篡改過。保證數(shù)據(jù)完整性。

3、發(fā)送方A事后不能抵賴對報文的簽名，即不能抵賴這個報文不是自己發(fā)送的。保證不可否認性。

3.3.2數(shù)據(jù)簽名的實現(xiàn)

同時實現(xiàn)上述三個要求（報文鑒別、數(shù)據(jù)完整性、不可否認性），則實現(xiàn)了數(shù)字簽名，實際上我們只要將非對稱加密變換一種形式，即發(fā)送方發(fā)送報文時，先自己的私鑰SK對明文X進行D運算（這里不是解密運算），得到一串不可讀報文，發(fā)送給接收方，接收方收到數(shù)據(jù)后，使用發(fā)送方的公鑰（公鑰是公開的，可以得到）進行E運算（同樣這里也不是加密運算），即可恢復明文X。如下圖：

解釋一下上圖：

數(shù)字簽名中，先進行D運算，這里不能理解為解密運算（因為還沒加密呢！），應該理解為使用A的私鑰進行的一個D運算，得到一個不可讀的密文DSKA(X).同樣地，后面的E原酸，不能理解為加密運算，應該理解為使用A的公鑰進行的一個E運算，還原明文X.

其次，這里的DSKA(X)的理解方式是：D表示D運算，SK表示secret key私鑰，A表示A的私鑰，(X)表示對明文X操作。合在一起的意思是，使用A的私鑰，即SKA，對明文X進行D運算得到的結(jié)果，即DSKA(X)。

通過上面這種方式后，實際上我們已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字簽名，為什么呢？且看數(shù)字簽名的三個要求。

1、報文鑒別。因為私鑰是保密的，發(fā)送方A的私鑰只有它自己知道，所以只有A能產(chǎn)生DSKA(X)，接收方B接收到DSKA(X)后發(fā)現(xiàn)能用PKA得到可讀的明文，就相信明文X是A發(fā)送的，實現(xiàn)了報文鑒別。

2、數(shù)據(jù)完整性(即防篡改)。因為私鑰是保密的，發(fā)送方A的私鑰只有它自己知道，網(wǎng)絡攻擊者篡改報文，篡改完之后再發(fā)送給B，B拿到報文后發(fā)現(xiàn)不能用PKA得到可讀明文，就知道數(shù)據(jù)被篡改過或者這根本就不是A發(fā)送的報文，不會處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)完整性。

3、不可否認性。如果A過后想抵賴DSKA(X)這個報文不是自己發(fā)送的，B只要將收到的DSKA(X)和得到的明文X公示給第三者，第三者很容易使用A的公鑰PKA驗證B的說法是對的，使A無法抵賴，實現(xiàn)了不可否認性。

故此種方式實現(xiàn)了數(shù)字簽名，這也是最常見的一種數(shù)字簽名哦！

3.4非對稱加密與數(shù)字簽名統(tǒng)一

在一開始提到的安全標準的四個要求中，加密技術(shù)實現(xiàn)了保密性，數(shù)據(jù)簽名實現(xiàn)了報文鑒別，現(xiàn)在將這兩種技術(shù)結(jié)合到一起，即非對稱加密+數(shù)字簽名，如圖：

對加密技術(shù)和數(shù)字簽名的整個理解：DSKA(X)表示使用A的私鑰對明文X進行D操作，然后在使用的B的公鑰對數(shù)據(jù)簽名的結(jié)果進行E運算加密操作，得到密文EPKB(DSKA(X))，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送后，接收端先用B的私鑰對接收的密文EPKB(DSKA(X))進行D運算解密操作，得到DSKA(X),然后用A的公鑰對其E運算，得到明文X。

所以說，對于非對稱加密密碼體制，通過巧妙的運算，同時實現(xiàn)了數(shù)字簽名和加密技術(shù)。

EPKA(DSKA(X))==>X即數(shù)字簽名，表示發(fā)送方A先使用自己的私鑰SK對明文X進行D運算，接收方使用A的公鑰對收到的DSKA(X)進行E運算，得到明文X，實現(xiàn)簽名核實。

DSKB(ESKB(X))==>X即加密技術(shù)，表示發(fā)送方A使用接收方的公鑰PK對明文X進行E運算加密，接收方使用自己的私鑰SK對收到的ESKB(X)進行D運算，得到明文X，實現(xiàn)非對稱加密解密。

附：單向加密（不可逆加密）和雙向加密（可逆加密）

上面將的對稱加密和非對稱加密都是雙向加密（可逆加密），就是可以對密文進行解密，因為密文是可逆的，所有在設計上就存在天然的風險。實際上，我們有一種更加安全的加密方式——單向加密（不可逆加密），使用單向加密，密文是不可逆的。實際上，這種單向加密在計算機網(wǎng)絡通信中用到很少，因為接收方無法通過D運算來解密，但是在軟件開發(fā)中，卻使用的很廣泛，比如我們在做系統(tǒng)級開發(fā)時，就可以讓用戶的密碼經(jīng)過不可逆算法存入數(shù)據(jù)庫，每一次登錄時密碼經(jīng)過不可逆算法與數(shù)據(jù)庫比對，這樣一來，即使某一天數(shù)據(jù)庫泄露，用戶賬號信息仍然可以被保護，這就是單向加密的最常見用途。

常見的單向加密算法：MD5,SHA等（雖然說MD5和SHA-1都被破解了......清華大學王小云教授）。其實，即使是沒有找到單向加密的破解方法，它也可被試探出來，如：

所以說，沒有絕對安全的密碼，這是有感而發(fā)的。

四、密鑰分配（針對第三部分的加密技術(shù)）

4.1對稱加密的密鑰分配

對稱加密技術(shù)，加密和解密使用同一密鑰，通常設立一個大家都信任的機構(gòu)——密鑰分配中心KDC(Key Distribution Center)，用來給需要進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠脩襞R時分配一個會話密鑰（僅使用一次，下一次再通信再分配一個）。

具體分配方式：

一開始，用戶A和用戶B都在KDC中記錄自己的密鑰KA和KB，這個早就完成，不是一個獨立步驟。

1、用戶A向密鑰分配中心KDC發(fā)送明文，說明自己想要與用戶B通信，在明文中給出通信雙方A和B在KDC登記的身份（即映射關閉的key）

2、KDC用隨機數(shù)產(chǎn)生一個“一次一密”的會話密鑰KAB供A、B本次網(wǎng)絡通信之用，然后向A發(fā)送響應報文。該報文使用KA加密（保證僅用戶A解開，網(wǎng)絡攻擊者無法解開），內(nèi)容一個剛剛產(chǎn)生的這個網(wǎng)絡通信用的會話密鑰KAB和一個票據(jù)，票據(jù)使用KB加密（因為是給用戶B的），票據(jù)內(nèi)容是A、B在KDC登記的身份和本次網(wǎng)絡通信用的會話密鑰KAB。

注：會話密鑰KAB在發(fā)給A的響應報文里面有一份，因為響應報文使用KA加密，所有這一份KAB是給用戶A使用的；然后在響應報文的票據(jù)中還有一份，因為票據(jù)使用KB加密，所以這份KAB是給用戶B用的。從而保證用戶A和用戶B都有一份KAB，且相同，用于對稱加密通信。

3、A收到KDC發(fā)來的響應報文，用KA解密，拿到屬于自己的那一份KAB，但是用戶A無法查看響應報文中的那份票據(jù)，因為那個票據(jù)使用KB，本來就不是給用戶A的，所以用戶A將響應報文中的那個票據(jù)發(fā)送給用戶B.

4、用戶B收到票據(jù)后，用KB解密，票據(jù)里面是A、B在KDC登記的身份和本次網(wǎng)絡通信用的會話密鑰KAB，則用戶B知道用戶要和它通信并且知道本次通信的密鑰KAB.

整個過程如下圖：

4.2非對稱加密的密鑰分配（公鑰分配）

非對稱加密中，私鑰是保密的，只有自己知道，自然不需要涉及到分配的問題。但是公鑰是公開的，所以非對稱加密密鑰的分配就是公鑰的分配，注意，我們一直所說的公鑰公開并不是可隨便公布用戶的公鑰，而是將公鑰與對應的主機的映射關系存儲起來，一般存放在CA認證中心(Certification Authority)，這個CA認證中心一般由政府或大公司出錢建立，里面的存放著公鑰和該公鑰擁有者的唯一標識信息（人名或IP地址），用戶需要公鑰時，就到CA認證中心去查詢。

其實，就是直接在瀏覽器中查詢也可以，以Google瀏覽器為例，右上角選擇“設置/高級/管理證書”，用戶就可以看到證書頒發(fā)機構(gòu)給自己頒發(fā)的證書，如：

隨便打開一個，查看自己的公鑰：

五、鑒別技術(shù)

鑒別技術(shù)作為防范主動攻擊的必需品，鑒別的對象有兩個，一是鑒別發(fā)送方的身份，滿足安全標準中的端點鑒別，這就是端點鑒別/實體鑒別；二是鑒別通信信息完整性，滿足安全標準中的信息完整性，這就是報文鑒別。

5.1報文鑒別

實際上，本文第三部分的數(shù)字簽名就已經(jīng)實現(xiàn)了報文鑒別（數(shù)字簽名三要求：報文鑒別、數(shù)據(jù)完整性、不可否認性），數(shù)字簽名的第一個和第二個要求所表示的都是“報文鑒別/數(shù)據(jù)完整性/防篡改”這個意思，但是上文提到，這種公鑰密碼體制存在運行速度慢的問題，所以真實的報文鑒別的中，我們必須找到更加快捷的辦法。使用一種計算型的方法——密碼散列函數(shù)。

5.1.1密碼散列函數(shù)

散列函數(shù)的特點：

1、輸入可以是不定長的，但是輸出是定長的且比較短；

2、輸入X與輸出Y的映射關系，與數(shù)學中函數(shù)的定義一樣（對于任意一個給定的X值，都有唯一的Y值與之對應），即輸入X與輸出Y是多對一的關系（一個X有一個確定的Y對應，但是多個X可以對應一個Y，但是一個Y只能對應一個X）。

散列函數(shù)保證了計算上的加密的單向性，即要找到的兩個不同的報文，它們具有同樣的密碼散列函數(shù)輸出，在計算上是不可能的（注意：理論上是可能的，因為X與Y是多對一），所以密碼散列函數(shù)時安全的。

如果我們的密碼散列函數(shù)的輸出H(X)被網(wǎng)路攻擊者截獲了，那么截獲者無法偽造出另一個明文Y，使用H(X)=H(Y)，因為計算上是不可行的。所以說密碼散列函數(shù)通過一種極為簡單的方式（密碼散列函數(shù)）實現(xiàn)了報文鑒別。

5.1.2報文鑒別碼

現(xiàn)在我們討論如何將密碼散列函數(shù)運用到報文鑒別碼中。如圖：

步驟一：在A從報文X導出散列H后，就對散列H用密鑰K加密。這樣得到的結(jié)果叫做報文鑒別碼MAC(Message Authentication Code)。

步驟二：A把已加密的報文鑒別碼MAC拼接到報文X的后面，得到擴展的報文，發(fā)送給B。

步驟三：B收到擴展的報文后，先把報文鑒別碼MAC與報文X分離出來，然后用同樣的密鑰K對收到的報文鑒別碼MAC進行解密運算，得到加密前的散列H。再將報文X進行散列函數(shù)運算，得到散列H(X)。最后，把計算出的散列H(X)與H進行比較。如一致，就相信所收到的報文X確實是A發(fā)送的（因為密碼散列函數(shù)在計算上是安全的）。這樣就使用密碼散列函數(shù)完成對報文鑒別。

5.2端點鑒別/實體鑒別

端點鑒別又稱實體鑒別，兩者是同一個意思，即鑒別發(fā)送方是身份。

為了防止網(wǎng)絡入侵者的重放攻擊，這里引入一個新概念——不重數(shù)，不重數(shù)是一個不重復使用的足夠大的隨機數(shù)，即“一次一數(shù)”，在端點鑒別中使接收方可以把重復的鑒別請求與新的鑒別請求區(qū)分開。如圖：

步驟一：A使用明文發(fā)送自己的身份A和一個不重數(shù)RA給B。

步驟二：B響應A的查問，用共享密鑰RAB對RA加密后發(fā)回給A，同時也給出自己的不重數(shù)RB.

步驟三：最后，A再響應B的查問，用共享密鑰RAB對RB加密后發(fā)回給B。

注意：這里A、B不同的通話必須使用不同不重數(shù)，這是防止重放攻擊的關鍵，由于不重數(shù)不會重復使用，所有攻擊者即使截取到報文也沒用，因為那個不重數(shù)已經(jīng)不能用了。

六、尾聲

本文中，我們從網(wǎng)絡攻擊（被動攻擊和主動攻擊）著手，知道了網(wǎng)絡安全的四個理論標準（保密性、端點鑒別、信息完整性、運行安全性），后面的內(nèi)容基本上是圍繞這四個標準展開，第三部分的加密技術(shù)和第四部分密鑰分配是針對保密性，第五部分鑒別技術(shù)是針對端點鑒別和信息完整性（第三部分數(shù)字簽名也可以鑒別信息完整性），運行安全性有具體網(wǎng)絡權(quán)限控制來實現(xiàn)，無法展開，故略去。
編輯：hfy