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  1 第8章安全通信协议 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 8.1 IP安全协议IPSec ? 最初设计TCP/IP协议族时,设计者根本没有考虑协议的 安全,出现了各种各样的安全危机; ? Internet工程任务组IETF建立了一个Internet安全协议 工作组(简称IETF IPSec工作组),负责IP安全协议和 密钥管理机制的制定; ? 于1998年制定了一组基于密码学的安全的开放网络安全 协议体系,总称为IP安全协议(IP security protocol, IPSec); 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IPSec体系结构 ? IPSec是一套协议包,而不是一个单独的协议; ? 在IPSec协议族中由3个主要的协议; ? IP认证包头(IP authentication header,AH), 为IP包提供信息源的验证和完整性保证; ? IP封装安全负载(IP encapsulating security payload,ESP),提供加密保证; ? Internet密钥交换(Internet key exchange, IKE),提供双方交流时的共享安全信息; 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IPSec安全关联 ? 所谓安全关联(SA)就是通信双方协商好的安全通信的 构建方案,是通信双方共同协商签署的“协议”,即通 信双方之间为了给需要受保护的数据流提供安全性服务 而对某些要素的一种约定,如IPSec协议(AH、ESP)、 协议的操作模式、密码算法、密钥及密钥的有效生存期 等; ? SA是单向逻辑的,要么对数据包进行“入站”保护,要 么“出站”保护; ? 例如,主机X和主机Y通信,需要建立如下4个SA。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 安全关联数据库 ? 当安全参数创建完毕之后,通信双方将安全参数保存在一个数据库 中,该数据库称为安全关联数据库(security association database,SAD) ; ? 为处理进入和外出的数据包维持一个活动的SA列表; 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IPSec安全策略 ? 安全策略决定了对数据包提供的安全服务,所有IPSec 实施方案的 策略都保存在一个数据库中,这个数据库就是安全策略数据库 (security policy database,SPD); ? IP包的外出和进入处理都要以安全策略为准。在进行IP包的处理过 程中,系统要查阅SPD,并判断为这个包提供的安全服务有哪些; ? 进入或外出的每一个数据包,都有3种可能的选择:丢弃、绕过 IPSec或应用IPSec。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 传输模式 IPSec模式 ? 保护的是IP分组的有效负载或者说保护的是上层协议(如TCP和 UDP); ? 路由数据包的原IP分组的地址部分不变,而将IPSec协议头插入到原 IP头部和传输层头部之间,只对IP分组的有效负载进行加密或认证 ; 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 隧道模式 IPSec模式 ? 隧道模式为整个IP分组提供保护; ? 在隧道模式中,IPSec先利用AH或ESP对IP分组进行认证或者加密,然后在IP分组外面 再包上一个新IP头; ? 这个新IP头包含了两个IPSec对等体的IP地址,而不是初始源主机和目的主机的地址, 该新IP头的目的指向隧道的终点,一般是通往内部网络的网关; ? 当数据包到达目的后,网关会先移除新IP头,再根据源IP头地址将数据包送到源IP分 组的目的主机 ; 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IP认证包头 ? AH定义了认证的应用方法,提供数据源认证和完整性保证;ESP定义 了加密和可选认证的应用方法,提供可靠性保证。在进行IP通信时, 可以根据安全的实际需求同时使用这两种协议或选择使用其中的一 种。IKE的作用是协助进行安全管理,它在IPSec 进行处理过程中对 身份进行鉴别,同时进行安全策略的协商和处理会话密钥的交换工 作。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IP认证包头格式 ? 下一个头(Next Header,8位):标识紧跟AH头部的下一个载荷的类型,也就是紧跟在AH头后部 的数据协议。传输模式下,该字段是处于保护中的传输层协议的值,如“6“表示TCP、“17”表示 UDP;在隧道模式下,AH所保护的是整个IP包,该值是4。 ? 载荷长度(Payload Len,8位):AH包头长度。 ? 保留(Reserved,16位):为将来的应用保留,(目前为0)。 ? 安全参数索引(SPI,32位):与目的 IP 地址、IPSec协议一同组成三元组标识一个安全关联。 ? 序列号(Sequence Number Field,32位):从1开始的32位单增序列号,不允许重复,唯一地标 识每一个发送的数据包,为SA提供抗重发保护。接收端校验序列号为该字段值的数据包是否已经 被接收过,若是,则拒收该数据包。 ? 认证数据(Authentication Data,长度可变):一个可变长字段(必须是32位字的整数倍),用 于填入对AH包中除验证数据字段外的数据进行完整性校验时的校验值。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IP封装安全负载 ? 设计ESP的主要目的是提供IP数据包的安全性。ESP主要 用来处理数据包的加密,对认证也提供某种程度的支持。 也就是说,ESP能够为IP数据提供保密性、数据源验证、 数据完整性以及抗重放服务。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ESP包格式 ? ESP数据包格式由4个固定长度的字段和3个可变字段组成,如图8.11所示。ESP头部包括两个字段: 安全参数索引和序列号;ESP尾部包含可选填充项、填充项长度、下一个包头和ESP认证数据。 ? 安全参数索引(security parameters index,SPI):同AH。 ? 序列号(sequence number):同AH。 ? ? 载荷数据(payload data):变长字段,包含了实际的载荷数据。 填充域(padding):0~255个字节。用来保证加密数据部分满足块加密的长度要求, 若数据长度不足,则填充。 ? 填充域长度(padding length):接收端根据该字段长度去除数据中的填充位。 ? 下一个包头(next header):同AH。 ? 认证数据(authentication data):包含完整性检查和。完整性检查部分包括ESP包头、 传输层协议、数据和ESP包尾,但不包括IP包头,因此ESP不能保证IP包头不被篡改。 ESP加密部分包括传输层协议、数据和ESP包尾。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IPSec密钥管理 ? IPSec支持手工设置密钥和自动协商两种方式管理密钥。 ? 密钥交换IKE ? 两台IPSec计算机在交换数据之前,必须首先建立某种约定, 该约定被称之为安全关联(SA); ? IKE作用: SA的集中化管理;减少连接时间和密钥的生成及管 理 ? IKE的组成 ? Internet安全关联和密钥管理协议 ; ? OAKLEY:提供在两个IPSec对等体间达成加密密钥的机制; ? SKEME :提供为认证目的使用公钥加密认证的机制。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IPSec应用实例 ? 例8.1 端到端安全,如图8.15所示。主机H1、H2位于两个不同的网 关R1和R2内,均配置了IPSec。R1、R2通过Internet相连,但都未应 用IPSec。主机H1、H2可以单独使用ESP或AH,也可以将两者组合使 用。使用的模式既可以是传输模式也可以是隧道模式。 受保护 R1 R2 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 IPSec应用实例 ? 例8.2 基本的VPN支持,如图8.16所示。网关R1、R2运行隧道模式 ESP,保护两个网内主机的通信,所有主机可以不必配置IPSec。当 主机H1向主机H2发送数据包时,网关R1要对数据包进行封装,封装 的包通过隧道穿越Internet后到达网关R2。R2对该包解封,然后发 给H2。 受保护 H1 R1 R2 H2 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 8.2安全协议SSL ? 安全套接层(security socket layer,SSL)是指使用公钥和私钥 技术组合的网络通信协议,现在被广泛用于Internet上的身份认证 与Web服务器和客户端之间的数据安全通信。SSL协议指定了一种在 应用程序协议(如HTTP、FTP、TELNET、SMTP等)和TCP/IP之间提供 数据安全性分层的机制,为TCP/ IP连接提供数据加密、服务器认证、 消息完整性等功能,主要用于提高应用程序之间数据通信的安全性, 并得到标准浏览器Netscape和IE的支持,已经成为网络用来鉴别网 站和网页浏览者的身份,以及在浏览器使用者和网页服务器之间进 行加密通信的全球化标准。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 SSL概述 ? 历史回顾 ? SSL最初是由网景(Netscape)公司开发,使用公 钥加密被传输的数据,用来在Web客户端和服务器 之间增加HTTP的安全性。TETF将SSL作了标准化, 并将其称为TLS(transport layer security),表 示传输层的安全性,因此SSL的用途不仅仅局限于 HTTP。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 SSL体系结构 ? 从TCP/IP模型来看,SSL协议位于TCP层和应用层之间,对应用层是 透明的。也就是说现有的应用层程序不需要或只需要很少的修改就 可以适应SSL,如图8.19所示。任何TCP/IP层以上的网络协议都被 SSL所支持,HTTP、FTP、SMTP等皆是SSL的保护范围。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 SSL体系结构 ? SSL采用两层协议体系,如图8.20所示。该协议包含两个部分:SSL 握手协议(SSL handshake protocol )和SSL 记录协议(SSL record protocol)。前者负责通信前的参数协商,后者定义SSL的 内部数据格式。其中SSL 握手协议由3个子协议构成,它们是改变密 码规范协议(change cipher spec protocol )、报警协议(alert protocol)和握手协议(handshake protocol)。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 8.3安全协议SSH ? SSH,安全Shell(secure Shell)对数据进行了加密处 理,可以提供对用户口令的保护。此外,SSH能运行在大 多数操作系统上,也提供身份认证和数据完整性保护功 能。因此,SSH成为一种通用的、功能强大的,基于软件 的网络安全解决方案。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 历史回顾 SSH概述 ? 1995年初芬兰赫尔辛基大学(Helsinki University of Technology)的校园 网受到密码窃听的攻击,研究人员Tatu Ylonen为此开发了SSH1以便自己使 用。他于1995年12月成立了SSH 通信安全公司SCS(SSH Communications Security, Inc.)对SSH1进行维护,并使其商业化。 ? 1996年SCS对SSH代码进行了重写,推出了与SSH1不兼容的版本SSH2。 IETF也成立了一个SECSH(Secure Shell Working Group)工作组,以对 SSH-2协议进行标准化,并于1997年2月提交了第一份SSH-2协议的 Internet 草案。 ? 1998年SCS发布了基于SSH-2协议的软件产品SSH2,尽管SSH2比SSH1的 安全性好,但是SSH2并没有取代SSH1,因为SSH1是免费的,而SSH2是一 个商业产品。 ? 现在SSH1已经不再开发,只进行错误修正。而SSH2和OpenSSH仍然继续在 开发,与此同时还有许多其它的SSH产品。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 SSH的体系结构 ? SSH基于客户机/服务器体系结构。SSH软件包由两部分组 成,一部分是服务端软件包,另一部分是客户端软件包。 服务端是sshd进程,在后台运行并响应来自客户端的连接 请求。一般包括公共密钥认证、密钥交换、对称密钥加密 和非安全连接。客户端包含ssh程序以及像scp(远程拷 贝)、slogin(远程登陆)、sftp(安全文件传输)等其 他的应用程序。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 8.4虚拟专用网 ? 随着Internet和电子商务的蓬勃发展,各企业开始允许 其合作伙伴访问本企业的局域网,这样可以简化信息交 流的途径,增加信息交换的速度。与此同时随着企业规 模的扩大,如何管理分布于各地的分支机构,保持它们 之间良好的信息沟通渠道,最大限度地共享资源和保持 与合作伙伴及重要客户的联络等,已成为企业考虑的重 要问题。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 VPN的基本概念 ? VPN是将物理上分布在不同地点的两个专用网络通过公用 网络相互连接而成逻辑上的虚拟子网,来传输私有信息 的一种方法。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? VPN的功能 VPN的基本概念 ? 通过隧道或者虚电路实现网络互连。 ? 支持用戶对网络的管理,其中包括安全管理、设备管 理、配置管理、访问控制列表管理、QoS管理等。 ? 允许管理员对网络进行监控和故障诊断。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 隧道技术 ? 数据加密 ? 身份认证 ? 数据认证 ? QoS技术 VPN的技术 ? 访问控制技术 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 VPN的协议 ? VPN使用隧道技术实现公网中传输私有数据。为创建隧道,隧道的客 户机和服务器双方必须使用相同的隧道协议。隧道协议分别以OSI参 考模型的第2层或第3层隧道协议为基础。第2层隧道协议是先把数据 封装在点对点协议(point to point protocol,PPP)帧中再把整 个数据包装入隧道协议。采用这种双层封装方法形成的数据包靠第2 层协议进行传输。第3层隧道协议是把各种网络协议直接装入隧道协 议中,形成的数据包依靠第3层协议进行传输。它们的本质区别在于 用户的数据包是被封装在哪种数据分组中并在隧道中传输。 ? 需要注意的是,无论采用何种隧道技术,一旦进行加密或验证,都 会对系统的性能造成影响。密码算法需要消耗大量的处理器时间, 而且大多数密码算法还有一个建立准备过程,所以在选择安全性时 必须选择高性能的设备。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 点对点隧道协议 ? 第2层转发协议 ? 第2层隧道协议 VPN的协议 ? 通用路由协议封装 ? IP安全协议 ? 多协议标记交换 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 VPN的类型 ? 按VPN实现方法分类 ? 软件VPN ? 硬件VPN ? 专用VPN 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 按VPN连接方式分类 VPN的类型 ? 站点到站点:site-to-site VPN,将两个或者更多的网络连接 起来。 ? 客户机到站点:client-to-site VPN,将远程拨号用户与网络 连接起来。 ? 混合连接:将site-to-site与client-to-site结合,许多大公司 既使用site-to-site VPN将公司总部和分支机构连接,也使用 client-to-site VPN提供到总部的拨号接入。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 VPN的类型 ? 按VPN解决方案分类 ? 远程访问虚拟网(Access VPN) ? 企业内部虚拟网(Intranet VPN) ? 企业扩展虚拟网(Extranet VPN) 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? 按VPN配置方式分类 VPN的类型 ? mesh配置 VPN/防火墙 VPN/防火墙 VPN/防火墙 VPN/防火墙 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 VPN的类型 ? 按VPN配置方式分类 ? hub-and-spoke ? 配置混合配置:在一个VPN网络中,既采用mesh 也采用hub-and-spoke,它结合了mesh 配置的 速度和hub-and-spoke配置的扩展性。 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 hub-and-spoke VPN配置 VPN/防火墙 中央 VPN/防火墙 VPN/防火墙 VPN/防火墙 VPN/防火墙 信息安全技术_第8章 安全通信协议 1 ? IPSec VPN VPN的应用实例 ? 传统的IPSec VPN基于隧道技术及加密技术,可在两个节点间 安全的传输数据,是目前网络中最常使用的一种VPN技术。 IPSec VPN是位于IP网络层的点到点隧道覆盖。 ? SSL VPN ? SSL VPN能够让远程用户通过标准Web浏览器就可以访问重要 的企业应用。SSL VPN网关位于企业网的边缘,介于企业服务 器与远程客户之间,控制两者的数据通信。SSL VPN网关代理 Web页面,将来自远端浏览器的页面请求(采用HTTPS协议) 转发给Web服务器,然后将服务器的响应传回给终端用户。 信息安全技术_第8章 安全通信协议

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