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网络协议查漏补缺（7）网络安全 - 常见攻击、单向散列函数、对称加密、非对称加密、混合密码系统、数字签名、证书_非对称加密 单向

作者：繁依Fanyi0 | 2024-07-22 07:11:41

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非对称加密 单向

网络协议查漏补缺

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 (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
  • …

ARP欺骗 - 核心步骤示例

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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 介绍与防御

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、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

  • 正常的流量则回注回客户网站

传输层 - 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

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

应用层 - DNS劫持、HTTP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

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

  • 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

encrypt：加密
decrypt：解密
plaintext：明文
ciphertext：密文

为了便于学习，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（One-way hash function）

单向散列函数，可以根据根据消息内容计算出散列值。

单向散列函数，也被称为

  • 消息摘要函数（message digest function）
  • 哈希函数（hash function）

输出的散列值，也被称

  • 消息摘要（message digest）
  • 指纹（fingerprint）

单向散列函数网站

MD5加密：https://www.cmd5.com/hash.aspx

MD5解密：https://www.cmd5.com/

https://www.sojson.com/encrypt_des.html

https://tool.chinaz.com/tools/md5.aspx

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

  • 具备单向性
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  • 消息不同，散列值不同，具有雪崩效应
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    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，散列值长度分别是256bit，384bit，512bit

  • SHA-31
    全新标准

单向散列函数 - 防止数据被篡改

如何防止数据被篡改?

  • 一般情况下是这样做的
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  • 应用单向散列函数来防止数据被篡改
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  • 例如 RealVNC 下载界面
    官方给处一串 SHA-256，用于检验下载后的文件是否被篡改。
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单向散列函数 - 密码加密

现在数据库不会直接存储密码明文，存储的都是加密过后的值。（所以现在的找回密码也无法看到原密码，只能重置成新密码）
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如何加密解密？
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  • 对称加密（对称密码）
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  • 非对称加密（公钥密码）
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对称加密（ Symmetric Cryptography）

在对称加密中，加密、解密时使用的是同一个密钥
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常见的对称加密算法

  • DES
  • 3DES
  • AES

DES（Data Encryption Standard）

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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 ，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（Triple Data Encryption Algorithm）

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(Encryption) → 解密(Decryption) → 加密(Encryption) 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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由于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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  • 如果密钥1、密钥3相同，密钥2不同，称为 DES-EDE2
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AES（Advanced Encryption Standard）

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

密钥配送问题（可以用非对称加密解决）

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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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（Asymmetric Cryptography）

在非对称加密中，密钥分为加密密钥、解密密钥 2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

  • 为什么要用非对称加密解决密钥配送问题，而不是直接使用非对称加密传输消息呢？
    非对称加密的加密解密速度比对称加密要慢，直接用来传输消息效率低
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RSA

目前使用最广泛的非对称加密算法是 RSA

RSA 的名字由来
由它的 3 位开发者，Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman 的姓氏首字母组成

混合密码系统（Hybrid Cryptosystem) - 加密、解密

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

混合密码的加密

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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混合密码的解密

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 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）

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： 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

在数字签名技术中，有以下 2 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，任何人都可以用消息发送者的公钥进行检验

数字签名-过程
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数字签名-过程改进
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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

非对称加密 - 公钥、私钥总结

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数字签名，其实就是将非对称加密反过来使用
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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

证书（Certificate）

为什么需要证书? - 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
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如何验证公钥的合法性？- 证书

说到证书

  • 首先联想到的是驾驶证、毕业证、专业技能证书等等，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 - 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 - 注册和下载
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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
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