EBU7140 Security and Authentication（三）密钥管理；IP 层安全

B3

密钥管理

密钥分类：

按时长：

• short term：短期密钥，用于一次加密。
• long term：长期密钥，用于加密或者授权。

按服务类型：

• Authentication keys：公钥长期，私钥短期。
• Confidentiality keys：短期。confidentiality 确保的是第三方不能读取到信息。

公钥分发

我们已经知道对称密钥使用公钥加密分发。公钥怎么分发？

public announcement：直接广播，“这是我的公钥”！缺点在于容易被别人伪造 forgery。

Publicly Available Directory：向公共机构注册保管，定期更改；也有访问公共机构查密钥的方法；但是也不安全。

Public-Key Authority：一个负责验证和颁发公钥证书的机构，将个人信息和公钥绑定，比 Directory 更安全（by tightening control over distribution of keys from directory）。但是他是一个中心化的实体，可能容易被篡改 tampering。

Public-Key Certificates：CA 存储你的公钥信息和对应你的个人信息，可以核实这个公钥确实是你的，这样对方拿到公钥后可以校验。

X.500 标准

针对目录结构的标准。

X.509 标准

公钥证书格式的标准。不过我们知道，目录公钥分发方法缺点在于任何人都可以访问，因此后来改进决定使用证书进行身份认证。

• X.509 是 X.500 的一部分，用于公钥证书校验。
• X.509 提供了授权服务的框架，即用于提供基于公钥证书的身份验证服务。
• X.509 定义了授权协议，即如何利用公钥证书校验用户。
• 算法上：使用公钥算法和数字签名，不局限于特定一种算法，但是推荐 RSA。

CA 或者用户把证书放到目录服务器上，目录服务器自己不添加证书。

用户只要认证过公钥信息，就可以随时从 CA 恢复自己的公钥。

只有 CA 能修改证书，其他第三方修改证书会被检测到。

CA<<A>> 表示 CA 给 A 签名的证书。

用户私钥被泄露时（用户私钥泄露，或 CA 被攻破 compromised），或者不想使用这家 CA 机构继续代理证书时，要撤销证书。

CA 会定期发布 CRL 公示不再使用的证书，用户以此校验是否撤销成功。

如果 AB 使用了不同的 CA 机构，两者之间可能会请求另一方试图获取其证书。有的时候我们切换网站提示，该网站可能不安全，问我们是否要进入，其实就是换了 CA 代理机构的表现。

CA 的结构是树状的，根节点是根证书颁发机构，可以签发所有其他的证书；中间证书作为中间人，可以更好地保密根节点证书，且方便定期更换；终端结点是一些接受 CA 服务的用户、服务器等。

User Authentication

重点在于标识用户身份而不是消息

主要分为：确定标识符 identifier ，绑定用户与标识符。

认证协议

认证协议：用于校验用户双方并交换会话密钥，需要保密性（会话密钥不能泄露）和时效性（防止有人拦截重复发送认证信息）。

身份管理

如何管理登记用户身份？

联合管理系统涉及很多步骤：认证用户身份，授权用户权限，记录用户资源活动……

简单身份管理流程如下：类似学生借书，先去学生中心认证自己的身份，学生中心核实后认为你小子有资格借书，于是给你一张借书票，你再拿着借书票去图书馆借书。

详细流程：客户端发送自己 ID，server 服务器 ID，自己的密码，以上信息发给 AS。AS 收到后先核实是不是你，是你的话你有没有权限使用服务？如果有，我用你的这些信息做一张 ticket 给你，你拿着去找服务端。服务端收到后解密（ticket 是用 AS 和 Server 都知道的密钥加密的），核实后提供给用户服务。

问题在于需要用户输入密码，而且密码明文传输。因此如果我们有办法用 ticket 也替代用户传入的 password 就好了。我们用一个 TGS 服务器存用户密钥信息，这样客户端只需要发自己的 ID 和 server ID 给 server 就行。这就是下面的 kerberos 算法。

Kerberos

Kerberos 这个起名很有意思，是地狱三头犬的意思。

它是一种用户授权和访问控制应用 an authentication service designed for use in a distributed environment，通过第三方校验用户身份，建立授权通信，允许用户在不安全网络中证明自己的身份 It makes use of a trusted third-party authentication service that enables clients and servers to establish authenticated communication。

用户认证过程可能出现的三个主要问题：模拟用户获得该用户对工作站的访问权限，模拟工作站给用户服务，截获用户认证信息进行重放来获得权限。Kerberos 主要是围绕解决这些问题而展开。

首先 Kerberos 身份认证中有几个对象：KDC 是其服务器（包括下图的 AS 和 TGS）；客户端；服务端。K 服务器拥有用户向他注册的所有 id 密码信息，且与其他服务器共享密钥用于 ticket 生成（不同域 Realm 的 K 服务器也共享密钥）。

AS TGS 共享一个解密 TGT 的密钥，TGS S 共享一个解密 ST 的密钥。

为什么不通过密码校验用户身份，而是票呢？因为不安全网络，小心被窃听者 eavesdropper 偷听到密码。

另一个问题是，用户每次登录都需要输入用户信息很麻烦，我们可以把信息保存一段时间，而且保存时间不宜过长，定期需要重新发送确保安全性。这就引入了时间戳的概念。

以上内容主要是围绕 Kerbero4 算法的讲解。5的话就是安全性高了一些，而且支持的算法也多了，比如 4 只支持 DeS 算法。

IP 安全

前面的加解密算法主要是在会话层和表示层，ip 安全主要是网络层。

IPSec

一种 IP 安全协议，提供 IP packet 数据包的保密性、授权性或二者都有的保护。没有 IP 层的保护，IP 数据包很容易被攻击篡改。IPSec 建立一条加密通道来传输信息。

主要组成部分还是前面那几大类：encryption，authentication，key management。

能实现的功能：

• encryption 加密。
• authentication 数据认证。
• Connectionless integrity 无连接的完整性，比如 UDP 就是没有建立连接的通信协议。
• access control 访问控制。
• Rejection of replayed packets 拒绝重放，重放是认证的一个大隐患。
• Limited traffic flow confidentiality 流量保密，不然让第三方知道自己的流量承受限度，也许会遭到大流量攻击。

IPSec 主要在数据包中添加 AH 和 ESP 两个字段来分别确保认证和加密。具体算法都是前面学过的方法，比如 HMAC 附着哈希值认证，加密采用 CBC 的 DES。还有一个新增的可选字段 domain of interpretation DOI，和学术论文 id 的 DOI 不同，这个 DOI 主要是用于标识加密方法的（比如0是 ISAKMP DOI，1是 IPSec DOI）。

SA

SA：security association，就是发数据要建立的单向安全数据连接，如果要收发数据，需要建立两条 SA。

SA 包括的属性：

• Sequence Number Counter：自增的序列号，唯一标识不同的数据包，可以防止重放攻击。
• Sequence Counter Overflow：用于处理序列号溢出，处理不当可能也会遭到重放攻击。
• Anti-Replay Window：规定只接收特定窗口范围内的数据，同样为了防止重放攻击。
• AH Information：前面介绍过，用于认证。
• ESP Information：介绍过，用于加密（以及可选的数据完整性校验）。
• Lifetime of this Security Assocation：SA 有效生命周期，比较好理解。
• IPSec Protocol Mode：两种模式，隧道模式 tunnel mode 加密整个数据包，传输模式 transport 只加密其有效载荷部分 payload。看下图好像就多了一个原 ip header。VPN virtual private network 就是隧道模式建立的，保密性更好；而传输模式通过 ESP 加密实现，效率更高。
• Path MTU：规定最大传输单元大小。

ESP 和 AH 的同时实现需要结合多个 SA。

Sockets

应用程序通过 Sockets 通信，相当于终点。

格式如下：

ipsec 可以指定 pre-packet 和 pre-socket 两种加密方式，packet 是指定目的地加密，比如发到哪些 ip 地址时需要加密；socket 是从这台主机发出的所有 packets 都加密。

key management

讲了加密，认证，还有就是密钥管理。

Oakley Key Determination Protocol 是一种改进自 DH 的密钥交换协议。ISAKMP 是一种密钥管理协议框架，双方协商建立、修改、删除 SA，包括一系列消息类型，他自己并非具体的密钥交换算法，但是这些消息类型支持不同密钥交换算法的实现。

防火墙

允许访问其他网络的同时，保护本地主机/网络免受威胁。位于本地网络和 internet 之间。

能实现的：

• 服务控制：比如 http 服务可以，ftp 不行。
• 方向控制：比如企业外部访问不了企业内部。
• 使用控制：用户可以访问到网络，但是对访问到的资源有限制，比如企业内部分权限。
• 行为控制：比如防止恶意文件传输等。

防不了：内部攻击，能绕过 bypass 防火墙的攻击，计算机病毒（特洛伊木马）。

实现方法：

• 包过滤 Packet Filtering：简单控制，双向校验源地址，目标地址，端口，协议等。不符合就丢弃。但是不安全，没有身份认证，而且可以通过数据包流量猜出 ip 地址，而且对高级协议有效性没有校验。可能的攻击方式：
  • 伪造 ip 地址，可以通过路由阻挡。
  • 伪造假路由，直接阻挡假路由。
  • 把数据段拆成微小碎片，可以在检查前组装或干脆丢弃小碎片来阻挡。
• 应用层网关 Application-Level Gateway：会校验高层协议的内容信息。缺点在于开销大。
• 电路级网关 Circuit-Level Gateway：用于转换内部网络地址，不被外部网络看见（抽象）。并且也会校验哪些连接是允许的。
• 代理服务 Proxy Services：代理服务器实现内部主机和外部主机的通信，从而完全隔离内外网络（只能通过代理服务器，就好像 private 类通过 public get set 方法访问的感觉）。

堡垒机 Bastion Host 是实现电路级网关和应用层网关的主机，一般只安装必要的安全服务 proxy Telnet, DNS, FTP……，有强大安全性的操作系统，需要用户身份认证。

防火墙前后还有 De-Militarised Zones and Screened Subnets，相当于多了两层防火墙。

trusted system 用于设置安全级别来控制用户访问不同的资源（比如不同部门能访问到的资源类型不同）。有两个规则：读取只能读取安全等级更低的对象，写入只能写入安全等级更高的对象 No read up (simple security property) & No write down (*–property)。使用参考监视器来确保规则的正确执行。

不过有一种攻击方式：特洛伊木马。

后备数据两者都能访问，重要数据只有 hero 能访问。但是 hero 运行特洛伊木马文件后，特洛伊木马文件把 data file 的数据复制到 backpocket file 里了，导致恶棍这下也能访问了。