11.3、网络身份认证的过程、数字签名、秘钥分发中心（KDC）、公钥认证中心（CA）、安全电子邮件

合集 - 【计算机基础】计算机网络(30)

1.1、计算机网络概述05-182.2、网络核心的数据交换05-183.3、计算机网络的性能参数05-184.4、计算机网络体系结构05-185.5、网络应用05-186.6、Socket编程05-187.7.1、传输层的可靠数据传输05-198.7.2、传输层的拥塞控制05-199.7.3、传输层的拥塞控制算法—Tahoe算法和Reno算法05-1910.8.1、网络层—虚电路网络和数据报网络，IP协议的数据报，IP分组的分片，IP编址和IP子网05-1911.8.2、网络层—有类IP地址的子网划分和无类地址间路由（CIDR）05-1912.8.3、网络层—DHCP协议05-1913.8.4、网络层—NAT协议（简介）05-1914.8.5、网络层—ICMP协议和ICMP协议的应用05-1915.8.6、网络层—IPV6协议05-1916.8.7、网络层—路由算法（Dijkstra算法、Bellman-Ford算法）05-1917.8.8、网络层—层次路由，RIP协议，OSPF协议，BGP协议05-1918.9.1、数据链路层—概述05-1919.9.2、数据链路层—差错编码05-1920.9.3、数据链路层—多路访问协议05-2021.10.1、局域网—ARP协议05-2022.10.2、局域网—以太网05-2023.10.3、局域网—交换机，虚拟局域网05-2024.10.4、局域网—PPP协议05-2025.11.1、网络安全基本概念和网络威胁的种类05-2026.11.2、密码学基础和RSA算法05-20

27.11.3、网络身份认证的过程、数字签名、秘钥分发中心（KDC）、公钥认证中心（CA）、安全电子邮件05-20

28.11.4、Web安全威胁和SSL05-2029.11.5、VPN和IPSec05-2030.11.7、访问控制与防火墙05-20

收起

一、网络身份认证的过程

  假设网络中存在正常通信的结点Bob和Alice，还存在Bad Guys结点Trudy，Bod和Alice的目的是他们双方之间的通信不能被Trudy看见，那么Bod和Alice在通信的时候就需要进行以下一步一步的防御：

• Bod和Alice规定协议ap1.0，直接通信，这种身份认证可以直接被Trudy截获和伪造，如下：
  
  

• Bod和Alice规定协议ap2.0，在ap1.0协议上，多加了一个通信的IP分组并包含Alice的源IP地址，这种身份认证也可以直接被Trudy截获和伪造，如下：
  
  

• Bod和Alice规定协议ap3.0，在ap2.0协议上，多加了一个密码，这种身份认证的信息可以被Trudy嗅探（sniffing）到并伪造出来，如下：
  
  

• Bod和Alice规定协议ap3.1，在ap3.0协议上，将Alice的密码进行加密，这种身份认证的信息可以被Trudy记录下来，并进行回放攻击（playback attack），如下：
  
  

• 为了避免回放攻击，Bod和Alice规定协议ap4.0，在ap3.1协议上，加入1个一次性随机数（一个链接内只用一次的随机数R），并利用Alice和Bob都知道的共享密钥对这个随机数R进行加密，如下：
  

在实际应用的场景中，怎样让Alice和Bob两个人都提前知道这个共享密钥对（共享密钥对的分发问题）是一个不好解决的问题（可以用密钥分发中心KDC解决），因此有了协议ap5.0。

• 协议ap4.0需要一个共享密钥，并且Alice和Bob两个人必须都提前知道这个共享密钥KA-B ，为了解决这个问题，Bod和Alice规定协议ap5.0，利用一次性随机数技术（一个链接内只用一次的随机数R）+ 公钥加密技术，这种身份认证的方式可以被Trudy记录下来，并进行中间人攻击（man in the middle attack），如下：
  
  

虽然Bob与Alice可以收到彼此发送的所有信息，但是Trudy通过中间人攻击（man in the middle attack）也收到了所有信息。

二、用散列函数来保证报文完整性的方法与缺陷和数字签名

  报文/消息完整性(message integrity)，也称为报文/消息认证（或报文鉴别），有以下5个目标：
①、证明报文确实来自声称的发送方；
②、验证报文在传输过程中没有被篡改；
③、预防报文的时间、顺序被篡改；
④、预防报文持有期被修改；
⑤、预防发送方/接收方抵赖。

2.1、用散列函数来保证报文完整性的方法

  对报文m应用散列函数H（MD5和SHA-1），得到一个固定长度的散列码，称为报文摘要(message digest), 记为H(m)，H(m)可以作为报文m的数字指纹(fingerprint)。

通过报文摘要(message digest)进行报文认证的方式，有以下2种：

• 直接用报文摘要(message digest)和报文组成扩展报文（m，H(m)）
  

这种方式容易被伪造，可以用共享密钥的方式来保证报文的完整性

• 报文摘要(message digest)生成时加入发送方和接收方都知道的认证密钥s来防止第三方伪造，该方式被称为报文认证码MAC（Message Authentication Code）技术
  

这种方式容易虽然可以防止第三方伪造报文摘要(message digest)，但是不能防止接收方篡改报文（可伪造）

2.2、数字签名

• 数字签名具有以下特性：
  

• 数字签名的过程
  

• 数字签名的可验证性和不可抵赖性
  

2.3、数字签名的应用——一般与散列函数（MD5或者SHA-1）一起应用

三、密钥分发中心（Key Distribution Center）—解决了ap4.0的问题

  每个注册用户只知道自己其与KDC之间的密钥，比如Alice和Bob只知道自己与KDC之间的对称密钥，用于分别与KDC进行秘密通信，KDC为Alice与Bob之间发放共享密钥对的过程，如下所示：

以上KDC的执行过程，如下所示：
①、Alice要和Bob通信前，先用Alice和KDC之间对称密钥加密自己的身份信息和Bob的身份信息，结果为KA-KDC（A,B），发送给KDC；
②、KDC收Alice发送的 KA-KDC（A,B）后，KDC利用Alice和KDC之间对称密钥解密 KA-KDC（A,B）后，就知道了Alice希望与Bob进行通信，并产生R1；
③、然后，KDC利用Bob和KDC之间对称密钥加密Alice的身份信息和R1，结果为KB-KDC（A,R1），并将该结果和R1用Alice和KDC之间对称密钥再进行加密，形成KA-KDC（R1,KB-KDC（A,R1）），发送给Alice；
④、Alice收KDC发送的KA-KDC（R1,KB-KDC（A,R1））后，Alice利用Alice和KDC之间对称密钥解密KA-KDC（R1,KB-KDC（A,R1）），获取到了R1和KB-KDC（A,R1）（Alice无法解密该信息）；
⑤、Alice将KB-KDC（A,R1）发送给Bob；
⑥、Bob收Alice发送的KB-KDC（A,R1）后，利用Bob和KDC之间对称密钥解密KB-KDC（A,R1），获取到了R1；
⑦、Alice和Bob用密钥R1进行通信。

四、公钥认证中心（CA）—解决了ap5.0的问题

  ap5.0的问题主要点在于当Alice获得了Bob的公钥 (通过web网站、e-mail、磁盘等)，她怎么确认这真的是Bob的公钥而不是Trudy的？因此就有了公钥认真中心，具体如下：

公钥证书的内容如下图所示：

五、安全电子邮件

  安全电子邮件的要求有以下4个目标：
①、机密性：只有真正的接收方才能阅读邮件；
②、完整性：电子邮件在传输过程中不被修改；
③、身份认证性：电子邮件的发送者不被假冒；
④、抗抵赖性：发信人无法否认发过电子邮件。

5.1、只有机密性和完整性的电子邮件（缺少身份认证性和抗抵赖性）

5.2、只有身份认证性、完整性和抗抵赖性的电子邮件（缺少机密性）

5.3、符合所有安全电子邮件特性的电子邮件（机密性、完整性、身份认证性、抗抵赖性）——一般应用在实际工程中

5.4、安全电子邮件标准——PGP（Pretty Good Privacy）标准（5.3小节中描述的工作过程）

PGP的功能框架与5.3小节中 描述的工作过程相同，只是在最后传输的时候用了Base64编码。

5.4、S/MIME标准