README.md

• 什么是网络安全？

  • 入侵者可能采取的行动
    • 窃听
      • 嗅探、截获分组，比如利用 Wireshake 就可以做到。
    • 修改、插入或删除报文内容
      • 截获分组并修改分组内容再转发。
    • 身份冒充
      • 劫持会话，冒充通信者双方任意一方的身份。
  • 安全通信需要具备的特性
    • 1、机密性
      • 通信内容被加密，只有发送方和接收方能理解该内容，那么即使被窃听也不要紧。
    • 2、报文完整性
      • 如果通信内容被篡改，那么接收方可以觉察到这种篡改。
    • 3、端点鉴别
      • 发送方可以确认接收方就是他想通信的那个人；接收方能确认接收到的消息的确来自发送方所声称的身份。
    • 4、运行安全性
      • 检查可疑活动分组，排除被病毒感染和分组攻击的可能性。

• 密码学

  • 对称加密

    • 中心思想 : 发送双方需要先协商共享的密钥。

    • 术语

      • 密文 : 加密后的明文
      • 明文 : 未经加密的通信内容
      • 加密算法 : 使用密钥加密的具体逻辑
      • 密钥 : 明文到密文的映射关系
      • 对称密钥系统 : 发送方和接收方共享相同的密钥

  • 对称加密方法

    • 凯撒密码
    • 单码替代码
    • 多码替代码
    • 块密码
    • 块密码链接

  • 入侵者的攻击方法 : 根据入侵者所拥有的信息进行区分

    • 唯密文攻击 : 入侵者只能截获密文，也不了解明文内容。统计分析词频有助于唯密文攻击。

    • 已知明文攻击 : 入侵者知道（明文，密文）的一些匹配。

    • 选择明文攻击 : 入侵者能够选择某一明文报文并得到对应的密文形式。

  • 非对称加密

    • 中心思想 : 发送双发不用协商用来加密的密钥，所有人都可以获得某个通信实体的公钥，而私钥只由该通信实体保管，不为其他任何人所知，用公钥加密的密文只能由对应的私钥解密，而用私钥来加密的密文只能由对应的公钥解密。

    • 术语

      • 公钥 : 所有人都可以获取的密钥
      • 私钥 : 只由自己保管不能被任何人所获知的密钥

    • RSA 算法

      • Bob 如何生成 RSA 的公钥呢？

        • 1、选择两个大素数 p 和 q
        • 2、计算 n = pq 和 z = (p - 1)(q - 1)
        • 3、选择小于 n 的一个数 e，且使 e 和 z 互质，e 即为公钥。
        • 4、求一个数 d，使得 ed mod z = 1，d 即为私钥
        • 5、公钥 : (n, e)，私钥 : (n, d)

      • 公钥加密

        • 必须满足 m < n，则 c = m^e mod n

      • 私钥解密

        • m = c^d mod n

      • 会话密钥

        • 软件实现 DES 比 RSA 快 100 倍，硬件实现 DES 比 RSA 快 100 ~ 10000 倍，因此实际上加密报文都使用对称密钥，具体流程是先使用非对称加密安全分发对称密钥，然后使用对称密钥加密报文。

      • RSA 工作原理

        • 加密后的报文为 c = m^e mod n
        • 即证明 c^d mod n = m
        • 证明过程：

          • c^d mod n

          • = (m^e mod n)^d mod n

          • = m^ed mod n

          • = m^(ed mod z) mod n ，因为我们选择了 ed mod z = 1，所以

          • = m^1 mod n

          • 因为 m < n 所以 c^d mod n = m mod n = m

          • 上面的推导中使用了数论结果：如果 p 和 q 是素数，且有 n = pq 和 z = (p - 1)(q - 1)，那么 x^y mod n = x^(y mod z) mod n，在这里 x = m 以及 y = ed

  • 报文完整性鉴别

    • 报文鉴别码 (MAC)
      • 鉴别密钥参与 hash 运算
    • 数字签名
      • 计算 hash
      • 私钥加密 hash，公钥解密 hash
      • 公钥认证 : 需要公钥基础设施 PKI 支持

  • 端点鉴别

    • 双方都共享一个密钥，使用加密不重数来防止重放攻击
    • ⚠️相互鉴别时会遭受中间人攻击 （见习题）。

  • 安全电子邮件 PGP

    • 同时提供机密性，完整性和端点鉴别

    • A 和 B 使用 PGP 涉及的加密过程如下：

      • A 使用摘要算法得到摘要 hash，将 m 和 hash 拼在一起得到 P1 = (m + hash)，然后使用 Ks 加密 P1 得到 Ks(P1)，接着使用 B 的公钥加密 Ks 得到 Kb+(Ks)，然后把两个包拼在一起得到 P2 = Ks(P1) + Kb+(Ks)，A 将 P2 传输给 B。

      • B 收到 P2 进行解密操作，首先使用自己的私钥 Kb- 解密得到 Ks，然后用 Ks 解密得到 m + hash，接着 B 执行和 A 相同的摘要算法得到 hash'，用两个摘要比较，若相同说明报文没有遭到篡改。

  • SSL

    • 建立 SSL 连接如下所示：

      • TCP 三次握手
      • 客户端发送不重数，支持的加密套件，Session ID
      • 服务器发送不重数，选择的加密套件，包含公钥的证书
      • 客户端发送使用公钥加密的 PMS
      • 现在客户端和服务器共享了 PMS，分别独立地使用该 PMS 导出 4 个密钥，Eb, Mb, Ea, Ma
      • 接下来使用这 4 个密钥进行数据的传输

    • SSL 记录项格式如下

      类型	版本	长度	数据	MAC

      • 其中 数据 + MAC 使用 Eb 加密，MAC 使用了 Mb 参与了 MAC 的计算

    • ⚠️ 为了防止 SSL 记录项数据流的顺序性和完整性，客户端和服务器端分别维护了 SSL 的发送序号和接收序号，在计算 MAC 时使用了序号参与了 MAC 的计算。

  • IPsec

    • SA (安全关联):

      • SA 在逻辑上是单向的，如果既要让 R1 -> R2 使用 IPsec 也要反过来，那么需要创建两个 SA。
      • 某台 IPsec 使能的路由中的 SA 包含下列状态信息。
        • SA 的 32 比特标识符，成为安全参数索引 (SPI)
        • SA 初始接口 (IP 地址) 和目的接口 (IP 地址)
        • 将使用的加密类型（例如，具有 CBC 的 3DES）
        • 加密密钥
        • 完整性检查的类型（例如，具有 MD5 的 HMAC）
        • 鉴别密钥

    • IPsec 数据报格式如下图所示:

      • 
      • 在初始 IPv4 数据报后面附上 “ESP 尾部” 字段。
      • 使用 SA 规定的密钥和算法加密该结果。
      • 在上面👆的加密量前添加一个 "ESP 首部" 字段。得到的包称为 "enchilada"
      • 使用 SA 规定的摘要算法和密钥生成覆盖整个 enchilada 的鉴别 MAC
      • 将该 MAC 附加到 enchilada 的后面形成载荷。
      • 最后，生成一个新的 IPv4 首部字段，该新首部附加到载荷之前。
      • 在新 IPv4 首部中上层协议被填写为 50，表示这是一个需要被当作 IPsec 处理的 IP 数据报。

    • SAD 安全关联数据库，总部网关路由器中存储了所有 SA 的状态信息。

    • SPD 安全策略库，指示了哪些 IP 数据报需要使用 SA 加密 (该策略一般是源和目的 IP 地址以及上层协议的函数)，以及使用哪个 SA 加密。

    • IKE 大型 VPN 在地理上分散的部署要求一个自动的机制来生成 SA。IPsec 使用 IKE 协议来进行这项工作。

      • 首先使用 Diffie-Hellman 在路由器之间生成一个双向的 IKE SA。该 IKE SA 在这两台路由器之间提供了一个鉴别的和加密的信道。
      • 使用第一步的 IKE SA 信道，两侧协商 IPsec SA 算法和密钥。然后在两侧生成每个方向的一个 SA。
      • 因为在第二个阶段不涉及任何公钥密码，因此 IKE 能够以相对低的计算成本在两个 IPsec 实体间生成大量 SA。

• Diffie-Hellman 密钥协商

  • 步骤和如何遭受中间人攻击，见习题

• 防火墙

  • 防火墙分为三类 : 传统分组过滤器，状态分组过滤器，应用程序网关

  • 传统分组过滤器 : 基于下列因素决定数据报允许通过还是丢弃。

    • IP 源或目的地址
    • 在 IP 数据报中的协议类型字段 : TCP、UDP、ICMP、OSPF 等
    • TCP 或 UDP 的源或目的端口。
    • TCP 标志比特: SYN、ACK 等。
    • ICMP 报文类型。
    • 数据报离开和进入网络的不同规则
    • 对不同路由器接口的不同规则
    • 如下图所示就是一张传统分组过滤器的策略表
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  • 状态分组过滤器 : 跟踪多条 TCP

    • 上面的传统分组过滤器允许来自外部的任何源端口为 80 的 ACK 为 1 的分组，但是这样的分组能够被试图用异常分组来绘制内部系统结构，执行 Dos 攻击。而状态分组过滤器通过跟踪 TCP 连接来解决这个问题。
    • 状态分组过滤器通过观察三次握手来观察一条新连接的开始
    • 状态分组过滤器当看到 FIN 分组时观察到连接的结束
    • 如下图所示是一个状态分组过滤器的策略表
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  • 应用程序网关 : 深度检测分组中的应用层字段。

    • 必须搭配网关来使用，先设置网关策略以使得只允许来自应用程序网关的流量外出，这样迫使所有内部流量都必须先经过应用程序网关，也就使得所有外出流量都会被应用程序网关检查。
    • 如下图所示是应用程序网关的工作方式
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