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文檔簡介

第九章系銳安筌魅||

第九章余統安全性

9.1引言

9.2數據加密技術

9.3認證技術

9.4訪問控制技術

9.5防火墻技術

||「工第九章系疫妥合嘏

9.1引言

9.1.1系統安全性的內容和性質

1.系統安全性的內容

系統安全性包括三個方面的內容,即物理安全、邏輯

安全和安全管理。物理安全是指系統設備及相關設施受到

物理保護,使之免遭破壞或丟失;安全管理包括各種安全

管理的政策和機制;而邏輯安全則是指系統中信息資源的

安全,它又包括以下三個方面:

(1)保密性(Secrecy)。

(2)完整性(Integrity)。

第九章系疙安公槌J

2.系統安全的性質

系統安全問題涉及面較廣,它不僅與系統中所用的

硬、軟件設備的安全性能有關,而且與構造系統時所采

用的方法有關,從而導致了系統安全問題的性質更為復

雜,主要表現為如下幾點:

(1)多面性。

(2)動態性。

(3)層次性。

(4)適度性。

第九章系統要小植■

9.1.2對系統安全威脅的類型

(1)假冒(Masquerading)。

(2)數據截取(DataInterception)o

(3)拒絕服務(DenialofServer)o

(4)修改(Modification):

(5)偽造(Fabrication)。

(6)否認(Repudiation)。

(7)中斷(Interruption)。

(8)通信量分析(TrafficAnalysis)o

眶》第九章系疙安全槌服

9.1.3對各類資源的威脅

1.對硬件的威脅

(1)電源掉電。

(2)設備故障和丟失。

在Novell公司的Netware網絡OS中,提供了三級容錯

技術,此即SFT?I、SFTJI和SFT-III;在WindowsNT網

絡OS中所采用的是磁盤陣列技術。止匕外,還必須加強對

計算機系統的管理和日常維護,以保證硬件的正常運行

和杜絕設備被竊事件的發生。

第九章系疙安小嘏

2.對軟件的威脅

(1)刪除軟件。

(2)拷貝軟件。

(3)惡意修改。

第九章系疙安小嘏

3.對數據的威脅

(1)竊取機密信息。

⑵破壞數據的可用性。

(3)破壞數據的完整性。

第九章系徒安全促M

4.對遠程通信的威脅

(1)被動攻擊方式。

對于有線信道,攻擊者可以用在通信線路上進行搭接的

方法,去截獲在線路上傳輸的信息,以了解其中的內容或數

據的性質。這種攻擊方式,一般不會干擾信息在通信線中

的正常傳輸,因而也不易被檢測出來。通常把這種攻擊方式

稱為被動攻擊。對付被動攻擊的最有效方法,是對所傳輸的

數據進行加密,這樣,攻擊者只能獲得被加密過的密文,但

卻無法了解密文的含義;對于無線信道,如微波信道、衛

星信道,防范攻擊的有效方法也同樣是對數據進行加密處理。

匚?第九章系疫要企桃

(2)主動攻擊方式。

主動攻擊方式通常具有更大的破壞性。這里,攻

擊者不僅要截獲系統中的數據,而且還可能冒充合法

用戶,對網絡中的數據進行刪除、修改,或者制造虛

假數據。主動攻擊,主要是攻擊者通過對網絡中各類

結點中的軟件和數據加以修改來實現的,這些結點可

以是主機、路由器或各種交換器。

第九章系銳安筌觸

9.1.4信息技術安全評價公共準則

1.CC的由來

對一個安全產品(系統)進行評估,是件十分復雜的

事。它對公正性和一致性要求很嚴。因此,需要有一個

能被廣泛接受的評估標準。為此,美國國防部在80年代

中期制訂了一組計算機系統安全需求標準,共包括20多

個文件,每個文件都使用了彼此不同顏色的封面,統稱

為“彩虹系列”。其中最核心的是具有橙色封皮的“可

信任計算機系統評價標準(TCSEC)”,簡稱為“橙皮書”。

第九支盍莖叁色空」

一2L^S底前麗簟機I系統的安全程度劃分為8個等級,有

D[、C]、C2>BpB2>B3>A]和A2。在橙皮書中,對每個

評價級別的資源訪問控制功能和訪問的不可抵賴性、信任度

及產品制造商應提供的文檔,作了一系列的規定,其中以D1

級為安全度最低級,稱為安全保護欠缺級。常見的無密碼

保護的個人計算機系統便屬于D]級。C]級稱為自由安全保護

級,通常具有密碼保護的多用戶工作站便屬于Ci級。C2級

稱為受控存取控制級,當前廣泛使用的軟件,如UNIX操作

系統、ORACLE數據庫系統等,都能達到C2級。從B級開始,

要求具有強制存取控制和形式化模型技術的應用。B3>A1級

進一步要求對系統中的內核進行形式化的最高級描述和驗證。

一個網絡所能達到的最高安全等級,不超過網絡上其安全性

臺匕/必7二刀Z芻£右岸,/7二/^盒/遼乙-■■■?-一_-—

第九章系疙安小嘏

?二—?n.y-BWW

2.CC的組成

CC由兩部分組成,一部分是信息技術產品的安全功

能需求定義,這是面向用戶的,用戶可以按照安全功能

需求來定義“產品的保護框架”(PP),CC要求對PP進行

評價以檢查它是否能滿足對安全的要求;CC的另一部分

是安全保證需求定義,這是面向廠商的,廠商應根據PP文

件制定產品的“安全目標文件”(ST),CC同樣要求對ST

進行評價,然后根據產品規格和ST去開發產品。

'、:》第九章系疙安小嘏||

部分,包括一系列的安全功能定義,

它們是按層次式結構組織起來的,其最高層為類(Class)。

CC將整個產品(系統)的安全問題分為H類,每一類側重于

一個安全主題。中間層為幀(Family),在一類中的若干個

簇都基于相同的安全目標,但每個簇各側重于不同的方

面。最低層為組件(Component),這是最小可選擇的安全

功能需求。安全保證需求部分,同樣是按層次式結構組

織起來的。

須指出的是,保障計算機和系統的安全性,將涉及到

許多方面,其中有工程問題、經濟問題、技術問題、管

理問題、甚至涉及到國家的立法問題。但在此,我們僅

限于介紹用來保障計算機和系統安全的基本技術,包括認

證技術、訪問控制技術?密碼技術、數字簽名技術、防

火墻技術套>=?1^=軍士J二h:

陽。;第九章系徒安全植

■■二一?^■—^^2?一一-~W"TL--1"----BnW

9.2數據加密技術

9.2.1數據加密的基本概念

1.數據加密技術的發展

直至進入20世紀60年代,由于電子技術和計算機技術

的迅速發展,以及結構代數、可計算性理論學科研究成果

的出現,才使密碼學的研究走出困境而進入了一個新的發

展時期;特別是美國的數據加密標準DES和公開密鑰密碼

體制的推出,又為密碼學的廣泛應用奠定了堅實的基礎。

第九章系銳安筌觸

2.數據加密模型

加密鑰匙Ke解密鑰匙Kd

圖9-1數據加密模型

,:第九幸系統安企植11

(1)明文(plaintext)。被加密的文本,稱為明文P。

(2)密文(ciphertext)。加密后的文本,稱為密文Y。

(3)加密(解密)算法E(D)。用于實現從明文(密文)

到密文(明文)轉換的公式、規則或程序。

(4)密鑰K。密鑰是加密和解密算法中的關鍵參數。

第九章系疙安小嘏

?二—?n.y-BWW

加密過程可描述為:在發送端利用加密算法E和加密

密鑰Ke對明文P進行加密,得到密文丫=£心化)。密文Y被傳

送到接收端后應進行解密。解密過程可描述為:接收端利

用解密算法D和解密密鑰Kd對密文Y進行解密,將密文恢

復為明文P=DKd(Y)。

在密碼學中,把設計密碼的技術稱為密碼編碼,把破

譯密碼的技術稱為密碼分析。密碼編碼和密碼分析合起來

稱為密碼學。在加密系統中,算法是相對穩定的。為了加

密數據的安全性,應經常改變密鑰,例如,在每加密一

個新信息時改變密鑰,或每天、甚至每個小時改變一次密

鑰。.

3.加密算法的類型

1)按其對稱性分類

(1)對稱加密算法。在這種方式中,在加密算法和解密

算法之間,存在著一定的相依關系,即加密和解密算法往往

使用相同的密鑰;或者在知道了加密密鑰Ke后,就很容易

推導出解密密鑰Kd。在該算法中的安全性在于雙方能否妥

善地保護密鑰。因而把這種算法稱為保密密鑰算法。

(2)非對稱加密算法。這種方式的加密密鑰Ke和解密密

鑰Kd不同,而且難以從Ke推導出Kd來??梢詫⑵渲械囊粋€

密鑰公開而成為公開密鑰,因而把該算法稱為公開密鑰算法。

第九章系疙安小嘏

?二—?n.y-BWW

2)按所變換明文的單位分類

(1)序列加密算法。該算法是把明文P看作是連續的比

特流或字符流Pi、P2>P3…,在一個密鑰序列K=K1、K2>

K3…的控制下,逐個比特(或字符)地把明文轉換成密文???/p>

表達成:

EK(P)=EK1(P1)EK2(P2)EK3(P3)...

這種算法可用于對明文進行實時加密O

(2)分組加密算法。該算法是將明文P劃分成多個固定

長度的比特分組,然后,在加密密鑰的控制下,每次變換

一個明文分組。最著名的DES算法便是以64位為一個分組

,為第九章系瘍安小嘏

4.基本加密方法

1)易位法

易位法是按照一定的規則,重新安排明文中的比特或

字符的順序來形成密文,而字符本身保持不變。按易位單

位的不同又可分成比特易位和字符易位兩種易位方式。前

者的實現方法簡單易行,并可用硬件實現,主要用于數字

通信中;而后者即字符易位法則是利用密鑰對明文進行易

位后形成密文,具體方法是:假定有一密鑰MEGABUCK,

其長度為8,則其明文是以8個字符為一組寫在密文的下面,

如圖9-2所示。

’3第九章系疫要企植

MEGABUCK原文

7452836Pleasetransferone

P1esetrmilliondollarstomy

anseronSwissBankaccountsix

emi1iontwotwo???

do1arst密文

omywissAFLLSKSOSELAWAIA

banaccoTOOSSCTCLNMOMANT

unt1■XtwESILYNTWRNNTSOWD

twabedFAEDOBNO…

留9-2老

13第九章系饒要第九

二一”,~■—"Tr--"■■二~""-

按密鑰中字母在英文字母表中的順序來確定明文排列后

的列號。如密鑰中的A所對應的列號為1,B為2,C為3,

E為4等。然后再按照密鑰所指示的列號,先讀出第一列

中的字符,讀完第1列后,再讀出第2列中的字符,……,

這樣,即完成了將明文pleasetransfer……轉換為密文

AFLLSKSOSELAWAIA的加密過程。

第九章系疙安小嘏

?二—?n.y-BWW

2)置換法

置換法是按照一定的規則,用一個字符去置換(替代)

另一個字符來形成密文。最早由朱葉斯?凱撒Qulius

caeser)提出的算法,非常簡單,它是將字母a、b、c、…、

x、y、z循環右移三位后,形成d、e>f、…、a、b、c

字符序列,再利用移位后的序列中的字母去分別置換未

移位序列中對應位置的字母,即利用d置換a,用e置換b

等。凱撒算法的推廣是移動K位。單純移動K位的置換算

法很容易被破譯,比較好的置換算法是進行映像。例如,

將26個英文字母映像到另外26個特定字母中,見圖9-3

所示。利用置換法可將attack加密,變為QZZQEA。

口》第九章系統安全植

abcdefghijkImnopqrstuvwxyz

QWERTYUIOPASDFGHJKLZXCVBNM

9-326個字母的映像

<4第九章系銳安筌性

9.2.2對稱加密算法與非對稱加密算法

L對稱加密算法

現代加密技術所用的基本手段,仍然是易位法和置換

法,但它與古典方法的重點不同。在古典法中通常采用的

算法較簡單,而密鑰則較長;現代加密技術則采用十分復

雜的算法,將易位法和置換法交替使用多次而形成乘積密

碼。最有代表性的對稱加密算法是數據加密標準DES(Data

EncryptionStandard)。該算法原來是IBM公司于1971?1972

年研制成功的,它旨在保護本公司的機密產品,后被美國

國家標準局選為數據加密標準,并于1977年頒布使用。ISO

現在已將DES作為數據加密標準。隨著VLSI的發展,現在

可利用VLSI芯片來實現DES算法,并用它做成數據加密處

二,;第九章系疫妥小植冊

.~~LTT^.na~~」-*Zr-.

在DES中所使用的密鑰長度為64位,它由兩部分組成,

一部分是實際密鑰,占56位;另一部分是8位奇偶校驗碼。

DES屬于分組加密算法,它將明文按64位一組分成若干個

明文組,每次利用56位密鑰對64位的二進制明文數據進行

加密,產生64位密文數據。DES算法的總框圖如圖9-4(a)

所示。整個加密處理過程可分為四個階段(共19步),見圖9-

4(切所示。

;第九章案院安全嵯

64位明文

Lj—1R[i

56

K

還原易位

64位密文

(Q)DES算法總框圖S)迭代過程示意圖

圖9-4DES加密標準

,;第九章系徒安必桃||

第一階段:先將明文分出64位的明文段,然后對64

位明文段做初始易位處理,得到X。,將其左移32位,記

為L。,右移32位,記為凡。

第二階段:對初始易位結果X。進行16次迭代處理(相

應于第2?17步),每一次使用56位加密密鑰Kj。第2?17步

的迭代過程如圖9-4(b)所示。由圖可以看出,輸出的左

32位L是輸入右32位R「i的拷貝;而輸出的右32位R〃則

是在密鑰Kj的控制下,對輸入右32位R「i做函數f的變換

后的結果,再與輸入左32位L1」進行異或運算而形成的,

心二第九”饒安反m

4=&一1

&=f—$小

第三階段:把經過16次迭代處理的結果(64位)的左

32位與右32位互易位置。

第四階段:進行初始易位的逆變換。

第九章系疙安小嘏

2.非對稱加密算法

DES加密算法屬于對稱加密算法。加密和解密所使用的

密鑰是相同的。DES的保密性主要取決于對密鑰的保密程度。

加密者必須用非常安全的方法(如通過個人信使)將密鑰送給接

收者(解密者)。如果通過計算機網絡傳送密鑰,則必須先對密

鑰本身予以加密后再傳送,通常把這種算法稱為對稱保密密

鑰算法。

1976年美國的Diffie和Hallman提出了一個新的非對稱密碼

體制。其最主要的特點是在對數據進行加密和解密時,使用

不同的密鑰。每個用戶都保存著一對密鑰,每個人的公開密

鑰都對外公開。假如某用戶要與另一用戶通信,他可用公開

密鑰對數據進行加密,而收信者則用自己的私用密鑰進行解

木至口,1二自/、1——---

第九章系銳安筌觸

公開密鑰算法的特點如下:

(1)設加密算法為E、加密密鑰為Ke,可利用它們對明

文P進行加密,得到Ej&P)密文。設解密算法為D、解密密

鑰為Kd,可利用它們將密文恢復為明文,即

DKd(EKe(P)>P

(2)要保證從Ke推出Kd是極為困難的,或者說,從

Ke推出Kd實際上是不可能的。

(3)在計算機上很容易產生成對的Ke和Kd。

(4)加密和解密運算可以對調,即利用D注對明文進行

加密形成密文,然后用E”對密文進行解密,即

Eke(Dkd(P))=P

心里第九章系多安合秋M

在曲福祈丁W密密鑰或加密密鑰公開也無妨。因而這

種加密方法稱為公開密鑰法(PublieKey)o在公開密鑰體制中,

最著名的是RSA體制,它已被ISO推薦為公開密鑰數據加密

標準。

由于對稱加密算法和非對稱加密算法各有優缺點,即非

對稱加密算法要比對稱加密算法處理速度慢,但密鑰管理簡

單,因而在當前新推出的許多新的安全協議中,都同時應

用了這兩種加密技術。一種常用的方法是利用公開密鑰技術

傳遞對稱密碼,而用對稱密鑰技術來對實際傳輸的數據進行

加密和解密,例如,由發送者先產生一個隨機數,此即對稱

密鑰,用它來對欲傳送的數據進行加密;然后再由接收者

的公開密鑰對對稱密鑰進行加密。接收者收到數據后,先用

私用密鑰對對殛密鑰進行解電然后再用對稱密呵斤收到

的數據進而黯=匚等二fl一二h]

9.2.3數字簽名和數字證明書

1.數字簽名

在金融和商業等系統中,許多業務都要求在單據上加

以簽名或加蓋印章,證實其真實性,以備日后查驗。在利

用計算機網絡傳送報文時,可將公開密鑰法用于電子(數字)

簽名來代替傳統的簽名。為使數字簽名能代替傳統的簽名,

必須滿足下述三個條件:

(1)接收者能夠核實發送者對報文的簽名。

(2)發送者事后不能抵賴其對報文的簽名。

第九章系瘍安小嘏

1)簡單數字簽名

在這種數字簽名方式中,發送者A可使用私用密鑰Kda對明

文P進行加密,形成口岫化)后傳送給接收者B。B可利用A的公

開密鑰Kea對口岫位)進行解密,得到尸P,如圖9-

5(。)所示。

圖9-5數字簽名示意圖

n

,為第九章系銳安筌性

我們按照對數字簽名的三點基本要求進行分析后可得知:

(1)接收者能利用A的公開密鑰Kea對DKda(P)進行解密,這

便證實了發送者對報文的簽名。

(2)由于只有發送者A才能發送出DKda(P)密文,故不容A

進行抵賴。

(3)由于B沒有A所擁有的私用密鑰,故B無法偽造對報文

的簽名。

由此可見,圖9-5(a)所示的簡單方法可以實現對傳送

的數據進行簽名,但并不能達到保密的目的,因為任何人都

能接收DKda(P),且可用A的公開密鑰Kea對DKda(P)進行解密。

2)保密數字簽名

為了實現在發送者A和接收者B之間的保密數字簽名,要求

A和B都具有密鑰,再按照圖9-5(6)所示的方法進行加密和解密。

(1)發送者A可用自己的私用密鑰Kda對明文P加密,得到密

文Ada(P)。

(2)A再用B的公開密鑰Keb對DKda(P)進行加密,得到

EKeb(DKda(P))后送B。

(3)B收到后,先用私用密鑰Kdb進行解密,即

DKdb(EKeb(DKda(P))尸DKda(P)°

(4)B再用A的公開密鑰Kea對口.什)進行解密,得到

?Kea(^Kda(P))=P°

2.數字證明書(Certificate)

(1)用戶A在使用數字證明書之前,應先向認證機構CA

申請數字證明書,此時A應提供身份證明和希望使用的公開

密鑰A。

(2)CA在收到用戶A發來的申請報告后,若決定接受其

申請,便發給A一份數字證明書,在證明書中包括公開密

鑰A和CA發證者的簽名等信息,并對所有這些信息利用CA

的私用密鑰進行加密(即CA進行數字簽名)。

(3)用戶A在向用戶B發送報文信息時,由A用私用密鑰

對報文加密(數字簽名),并連同已加密的數字證明書一起發

o-.—-一一――二二—一—

<力第九章系統要小植■

?■二一~>”--"■■~二—■--—

(4)為了能對所收到的數字證明書進行解密,用戶B須向

CA機構申請獲得CA的公開密鑰B。CA收到用戶B的申請后,

可決定將公開密鑰B發送給用戶B。

(5)用戶B利用CA的公開密鑰B對數字證明書加以解密,

以確認該數字證明書確系原件,并從數字證明書中獲得公開

密鑰A,并且也確認該公開密鑰A確系用戶A的。

(6)用戶B再利用公開密鑰A對用戶A發來的加密報文進

行解密,得到用戶A發來的報文的真實明文。

'、:》第九章系瘍安小嘏

?."TTZrTr--n--.二~T-■~~^IBffM

9.2.4網絡加密技術

1.鏈路力口密(LinkEncryption)

鏈路加密,是對在網絡相鄰結點之間通信線路上傳輸的數

據進行加密。鏈路加密常采用序列加密算法,它能有效地防止

搭線竊聽所造成的威脅。兩個數據加密設備分別置于通信線路

的兩端,它們使用相同的數據加密密鑰。

如果在網絡中只采用了鏈路加密,而未使用端一端加密,那

么,報文從最高層(應用層)到數據鏈路層之間,都是以明文的形

式出現的,只是從數據鏈路層進入物理層時,才對報文進行了

加密,并把加密后的數據通過傳輸線路傳送到對方結點上。為

了防止攻擊者對網絡中的信息流進行分析,在鏈路加密方式中,

不僅對正文做了加密,而且對所有各層的控制信息也進行了加

第九章系疙安全喉

二-T^TT----■二一"》.

接收結點在收到加密報文后,為了能對報文進行轉發,

必須知道報文的目標地址。為此,接收結點上的數據加密設

備應對所接收到的加密報文進行解密,從中找出目標地址并

進行轉發。當該報文從數據鏈路層送入物理層(轉發)時,須

再次對報文進行加密。由上所述得知,在鏈路加密方式中,

在相鄰結點間的物理信道上傳輸的報文是密文,而在所有中

間結點中的報文則是明文,這給攻擊者造成了可乘之機,使

其可從中間結點上對傳輸中的信息進行攻擊。這就要求能對

所有各中間結點進行有效的保護。

"6第九章系瘍安小嘏

?."TTZrTr--n--.二~T-■~~^IBffE

此外,在鏈路加密方式中,通常對每一條鏈路都分別

采用不同的加密密鑰。圖9-6示出了鏈路加密時的情況。在

圖中,結點2的DEE使用密鑰Kd2將密文EKei(P)解密為明文P

后,又用密鑰Ke2將P變換為密文£心2位)。可見,對于一個

稍具規模的網絡,將需要非常多的加密硬件,這是必要的。

第九章系疙安小嘏

?二—?---n.y-BWW

2.端一端力口密(End-to-EndEncryption)

在單純采用鏈路加密方式時,所傳送的數據在中間

結點將被恢復為明文,因此,鏈路加密方式尚不能保證

通信的安全性;而端-端加密方式是在源主機或前端機

FEP中的高層(從傳輸層到應用層)對所傳輸的數據進行加

密。在整個網絡的傳輸過程中,不論是在物理信道上,

還是在中間結點,報文的正文始終是密文,直至信息到

達目標主機后,才被譯成明文,因而這樣可以保證在中

間結點不會出現明文。

'、第九章系瘍安小嘏

ACCKDC

主機A主機B

圖9-7端一端加密方式

‘為第九章系徒安必桃||

■Q■--T」~「"■「?-1匚?-W-_一BTOI

在端-端加密方式中,只要密鑰沒有泄漏,數據在

傳輸過程中就不怕被竊取,也無須對網絡中間結點的操

作人員提出特殊要求。但在這種加密方式中,不能對報

頭中的控制信息(如目標地址、路由信息等)進行加密,

否則中間結點將無法得知目標地址和有關的控制信息。

顯然,報頭不能加密,也將會直接或間接地受到攻擊,

比如,攻擊者可能根據報頭中的源地址和目標地址,了

解到某些部門的通信情況,甚至還可以發起諸如篡改報

文的目標地址和路由信息之類的主動攻擊。

第九章系瘍安小嘏

上述兩種加密方式各有優缺點。一種比較好的網

絡加密方式是,同時采用鏈路加密和端-端加密,以取

長補短。如利用端一端加密方式來使用戶數據以密文形

式穿越各個中間結點,以保障用戶數據的安全;而利用

鏈路加密方式則可使報頭中的控制信息以密文形式在通

信信道中傳輸,使之不易受到攻擊。

9.3認證技術

9.3.1基于口令的身份認證技術

1.口令

利用口令來確認用戶的身份,是當前最常用的認證技術。

通常,每當用戶要上機時,系統中的登錄程序都首先要求用

戶輸入用戶名,登錄程序利用用戶輸入的名字去查找一張用

戶注冊表或口令文件。在該表中,每個已注冊用戶都有一個

表目,其中記錄有用戶名和口令等。登錄程序從中找到匹配

的用戶名后,再要求用戶輸入口令,如果用戶輸入的口令也

與注冊表中用戶所設置的口令一致,系統便認為該用戶是合

第九章系銳安筌觸

口令是由字母或數字、或字母和數字混合組成的,

它可由系統產生,也可由用戶自己選定。系統所產生

的口令不便于用戶記憶,而用戶自己規定的口令則通

常是很容易記憶的字母、數字,例如生日、住址、電

話號碼,以及某人或寵物的名字等等。這種口令雖便

于記憶,但也很容易被攻擊者猜中。

第九章系疙妥全槌||

2.對口令機制的基本要求

基于用戶標識符和口令的用戶認證技術,其最主要

的優點是簡單易行,因此,在幾乎所有需要對數據加以保

密的系統中,都引入了基于口令的機制。但這種機制也

很容易受到別有用心者的攻擊,攻擊者可能通過多種方式

來獲取用戶標識符和口令,或者猜出用戶所使用的口令。

為了防止攻擊者猜出口令,在這種機制中通常應滿足以下

幾點要求:

'工'第九章系瘍安會但

(1)口令長度要適中。

通常的口令是由一串字母和數字組成。如果口令太

短,則很容易被攻擊者猜中。例如,一個由四位十進制

數所組成的口令,其搜索空間僅為1。4,在利用一個專門

的程序來破解時,平均只需5000次即可猜中口令。假如每

猜一次口令需花費0.1ms的時間,則平均每猜中一個口令

僅需0.5s。而如果采用較長的口令,假如口令由ASCII碼

組成,則可以顯著地增加猜中一個口令的時間。例如,口

令由7位ASCII碼組成,其搜索空間變為957(95是可打印的

ASCII碼),大約是7X1013,此時要猜中口令平均需要幾十

;第九章系統妥企榴■

(2)自動斷開連接。

為了給攻擊者猜中口令增加難度,在口令機制中還應

引入自動斷開連接的功能,即只允許用戶輸入有限次數的

不正確口令,通常規定3?5次。如果用戶輸入不正確口令

的次數超過規定的次數時,系統便自動斷開該用戶所在終

端的連接。當然,此時用戶還可能重新撥號請求登錄,

但若在重新輸入指定次數的不正確口令后,仍未猜中,系

統會再次斷開連接。這種自動斷開連接的功能,無疑又給

攻擊者增加了猜中口令的難度。

《為第九章系疣安金促

M—^z~i—1一■■■—?

(3)不回送顯示。

在用戶輸入口令時,登錄程序不應將該口令回送到屏

幕上顯示,以防止被就近的人發現。

(4)記錄和報告。

該功能用于記錄所有用戶登錄進入系統和退出系統的

時間;也用來記錄和報告攻擊者非法猜測口令的企圖及所

發生的與安全性有關的其它不軌行為,這樣便能及時發現

有人在對系統的安全性進行攻擊。

3.一次性口令(OnetimePassward)

為了把由于口令泄露所造成的損失減到最小,用戶應當

經常改變口令。例如,一個月改變一次,或者一個星期改變

一次。一種極端的情況是采用一次性口令機制。在利用該機

制時,用戶必須提供記錄有一系列口令的一張表,并將該表

保存在系統中。系統為該表設置一指針用于指示下次用戶登

錄時所應使用的口令。這樣,用戶在每次登錄時,登錄程序

便將用戶輸入的口令與該指針所指示的口令相比較,若相同,

便允許用戶進入系統,并將指針指向表中的下一個口令。在

采用一次性口令的機制時,即使攻擊者獲得了本次用戶上機

時所使用的口令,他也無法進入系統。必須注意,用戶所使

第九章系疙要全槌

4.口令文件

通常在口令機制中,都配置有一份口令文件,用于

保存合法用戶的口令和與口令相聯系的特權。該文件的

安全性至關重要,一旦攻擊者成功地訪問了該文件,攻

擊者便可隨心所欲地訪問他感興趣的所有資源,這對整

個計算機系統的資源和網絡,將無安全性可言。顯然,

如何保證口令文件的安全性,已成為系統安全性的頭等

重要問題。

『為第九章系疙安小嘏

保證口令文件安全性的最有效的方法是,利用加密技術,

其中一個行之有效的方法是選擇一個函數來對口令進行加密,

該函數f(x)具有這樣的特性:在給定了X值后,很容易算出

f(x);然而,如果給定了f(x)的值,卻不能算出X的值。利用

f(x)函數去編碼(即加密)所有的口令,再將加密后的口令存入

口令文件中。當某用戶輸入一個口令時,系統利用函數f(x)對

該口令進行編碼,然后將編碼(加密)后的口令與存儲在口令

文件中的已編碼的口令進行比較,如果兩者相匹配,便認為

是合法用戶。順便說明一下,即使攻擊者能獲取口令文件中

的已編碼口令,他也無法對它們進行譯碼,因而不會影響到

系統的安全性。

'、第九章系瘍安小嘏

圖9-8對加密口令的驗證方法

3第九章系疙安全促肅

盡管對口令進行加密是一個很好的方法,但它也不

是絕對的安全可靠。其主要威脅來自于兩個方面:

(1)當攻擊者已掌握了口令的解密密鑰時,就可用它

來破譯口令。

(2)利用加密程序來破譯口令,如果運行加密程序的

計算機速度足夠快,則通常只要幾個小時便可破譯口令o

因此,人們還是應該妥善保管好已加密的口令文件,

來防止攻擊者輕意地獲取該文件。

L2;第九章系疙安小嘏

9.3.2基于物理標志的認證技術

1.基于磁卡的認證技術

根據數據記錄原理,可將當前使用的卡分為磁卡和IC卡

兩種。磁卡是基于磁性原理來記錄數據的,目前世界各國使

用的信用卡和銀行現金卡等,都普遍采用磁卡。這是一塊其

大小和名片大小相仿的塑料卡,在其上貼有含若干條磁道的

磁條。一般在磁條上有三條磁道,每條磁道都可用來記錄不

同標準和不同數量的數據。磁道上可有兩種記錄密度,一種

是每英寸含有15比特的低密度磁道;另一種是每英寸含有

210比特的高密度磁道。如果在磁條上記錄了用戶名、賬號

和金額,這就是金融卡或銀行卡;而如果在磁條上記錄的是

第九章系揚安全植I。

在磁卡上所存儲的信息,可利用磁卡讀寫器將之讀出:

只要將磁卡插入或劃過磁卡讀寫器,便可將存儲在磁卡中

的數據讀出,并傳送到相應的計算機中。用戶識別程序便

利用讀出的信息去查找一張用戶信息表(該表中包含有若干

個表目,每個用戶占有一個表目,表目中記錄了有關該用

戶的信息),若找到匹配的表目,便認為該用戶是合法用戶;

否則便認為是非法用戶。為了保證持卡者是該卡的主人,

通常在基于磁卡認證技術的基礎上,又增設了口令機制,

每當進行用戶身份認證時,都要求用戶輸入口令。

第九章系疙安小嘏

?二—?---n.y-BWW

2.基于IC卡的認證技術

IC卡即集成電路卡的英文縮寫。在外觀上IC卡與磁

卡并無明顯差別,但在IC卡中可裝入CPU和存儲器芯片,

使該卡具有一定的智能,故又稱為智能卡或靈巧卡。IC

卡中的CPU用于對內部數據的訪問和與外部數據進行交

換,還可利用較復雜的加密算法,對數據進行處理,這

使IC卡比磁卡具有更強的防偽性和保密性,因而IC卡會

逐步取代磁卡。根據在磁卡中所裝入芯片的不同可把IC

卡分為以下三種類型:

"6第九章系瘍安小嘏

?."TTZrTr--n--.二~T-■~~^IBffE

(1)存儲器卡。在這種卡中只有一個E2PR0M(可電擦、

可編程只讀存儲器)芯片,而沒有微處理器芯片。它的智能

主要依賴于終端,就像IC電話卡的功能是依賴于電話機一樣。

由于此智能卡不具有安全功能,故只能用來存儲少量金額的

現金與信息。常見的智能卡有電話卡、健康卡,其只讀存

儲器的容量一般為4?20KBo

(2)微處理器卡。它除具有E2PROM外,還增加了一個

微處理器。只讀存儲器的容量一般是數千字節至數萬字節;

處理器的字長主要是8位的。在這種智能卡中已具有一定的

加密設施,增強了IC卡的安全性。

;第九章系疫要公保M

.-—Ti^p-yw一EW

(3)密碼卡。在這種卡中又增加了加密運算協處理

器和RAM。之所以把這種卡稱為密碼卡,是由于它能支

持非對稱加密體制RSA;所支持的密鑰長度可長達1024

位,因而極大地增強了IC卡的安全性。一種專門用于確

保安全的智能卡,在卡中存儲了一個很長的用戶專門密

鑰和數字證明書,完全可以作為一個用戶的數字身份證

明。當前在Internet上所開展的電子交易中,已有不少密

碼卡是使用了基于RSA的密碼體制。

『為第九章系疙安小嘏

將IC卡用于身份識別的方法,明顯地優于使用磁卡。這

一方面是因為,磁卡是將數據存儲在磁條上,比較易于用一

般設備將其中的數據讀出、修改和進行破壞;而IC卡則是將

數據保存在存儲器中,使用一般設備難于讀出,這使IC卡具

有更好的安全性。另一方面,在IC卡中含有微處理器和存儲

器,可進行較復雜的加密處理,因此,IC卡具有非常好的防

偽性和保密性;此外,還因為IC卡所具有的存儲容量比磁卡

的大得多,通??纱蟮?00倍以上,因而可在IC卡中存儲更多

的信息,從而做到“一卡多用”,換言之,一張IC卡,既可

作為數字身份證,又可作為信用卡、電話卡及健康卡等等。

13第九章系饒要第九

二一”,~■—"Tr--"■■二~""-

3.指紋識別技術

(1)指紋。

指紋有著“物證之首”的美譽。盡管目前全球已有近

60億人口,但絕對不可能找到兩個完全相同的指紋。因

而利用指紋來進行身份認證是萬無一失的,而且非常方便。

又因為它不會像其它一些物理標志那樣出現用戶忘記攜帶

或丟失等問題,而且使用起來也特別方便,因此,利用指

紋來進行身份識別是有廣闊前景的一種識別技術,世界上

已有愈來愈多的國家開展了對指紋識別技術的研究。

第九章系疙安小嘏

?二—?n.y-BWW

(2)指紋識別系統。

早在80年代,美國及其它發達國家便開始了對指紋

識別技術的研究,并取得了一定的進展。在所構成的指

紋識別系統中包括:指紋輸入、指紋圖像壓縮、指紋自

動比較等8個子系統。但他們的指紋識別系統是建立在

大型計算機系統的基礎上的,而且由于系統的龐大、價

格的昂貴,始終使該技術難于普及;直至近幾年,隨著

VLSI的迅速發展,才使指紋識別系統小型化,使該技

術進入了廣泛應用的階段。

H,.N第九章系統要企嘏

9.3.3基于公開密鑰的認證技術

1.申請數字證書

由于SSL所提供的安全服務,是基于公開密鑰證明書(數

字證書)的身份認證,因此,凡是要利用SSL的用戶和服務器,

都必須先向認證機構(CA)申請公開密鑰證明書。

(1)服務器申請數字證書。

首先由服務管理器生成一密鑰對和申請書,服務器一方

面將密鑰和申請書的備份保存在安全之處;另一方面則向CA

提交包括密鑰對和簽名證明書申請(即CSR)的加密文件,通

常以電子郵件方式發送。CA接收并檢查該申請的合法性后,

將會把數字證書以電子郵件方式寄給服務器。

佛力第九章祭痛要公植I■

(2)客戶申請數字證書。

首先由瀏覽器生成一密鑰對,私有密鑰被保存在客

戶的私有密鑰數據庫中,將公開密鑰連同客戶提供的其

它信息,一起發往CA。如果該客戶符合CA要求的條件,

CA將會把數字證書以電子郵件方式寄給客戶。

,;第九章系疙安全促肅

2.SSL握手協議

(1)身份認證。

SSL協議要求通信的雙方都利用自己的私用密鑰對

所要交換的數據進行數字簽名,并連同數字證書一起發

送給對方,以便雙方相互檢驗。如上節所述,通過數字

簽名和數字證書的驗證可以認證對方的身份是否真實。

第九章系銳安筌性

?~~~f~TJ.?■■,?■T~~—-1

(2)協商加密算法。

為了增加加密系統的靈活性,SSL協議允許采用多種加

密算法??蛻艉头掌髟谕ㄐ胖?,應首先協商好所使用的

某一種加密算法。通常先由客戶提供自己能支持的所有加密

算法清單,然后由服務器從中選擇出一種最有效的加密算法,

并通知客戶,此后,雙方便可利用該算法對所傳送的信息進

行加密。

(3)協商加密密鑰。

先由客戶機隨機地產生一組密鑰,再利用服務器的公開

密鑰對這組密鑰進行加密后,送往服務器,由服務器從中選

擇4個密鑰,并通知客戶機,將之用于對所傳輸的信息進行加

,為第九章系瘍安小嘏

3.數據加密和檢查數據的完整性

(1)數據加密。

在客戶機和服務器間傳送的所有信息,都應利用協商后

所確定的加密算法和密鑰進行加密處理,以防止被攻擊。

(2)檢查數據的完整性。

為了保證經過長途傳輸后所收到的數據是可信任的,

SSL協議還利用某種算法對所傳送的數據進行計算,以產生

能保證數據完整性的數據識別碼(MAC),再把MAC和業務數

據一起傳送給對方;而收方則利用MAC來檢查所收到數據的

完整性。

?,為第九章系疣安全世?,

9.4訪問控制技術

9.4.1訪問矩陣(AccessMatrix)

1)訪問權

為了對系統中的對象加以保護,應由系統來控制進程對

對象的訪問。我們把一個進程能對某對象執行操作的權力稱

為訪問權(Accessright)o每個訪問權可以用一個有序對(對象

名,權集)來表示,例如,某進程有對文件F1執行讀和寫操

作的權力,這時,可將該進程的訪問權表示成(F-

第九章系疙安小嘏

?二—?n.y-BWW

2)保護域

為了對系統中的資源進行保護而引入了保護域的概念,

保護域簡稱為“域”。“域”是進程對一組對象訪問權的

集合,進程只能在指定域內執行操作,這樣,“域”也

就規定了進程所能訪問的對象和能執行的操作。在圖9-

9中示出了三個保護域。在域1中有兩個對象,即文件Fi和

F2,只允許進程對F1讀,而允許對F2讀和寫;而對象

Printerl同時出現在域2和域3中,這表示在這兩個域中運

行的進程都能使用打印機。

二。;第九章系統妥合植

域1

圖9—9三個保護域

第九章系統妥小植

■Q■--T」.?~——「,「"■「?-1匚?-W-_一BITOII

3)進程和域間的靜態聯系方式

在進程和域之間,可以一一對應,即一個進程只聯系

著一個域。這意味著,在進程的整個生命期中,其可用資

源是固定的,我們把這種域稱為“靜態域”。在這種情況

下,進程運行的全過程都是受限于同一個域,這將會使

賦予進程的訪問權超過了實際需要。例如,某進程在運

行開始時需要磁帶機輸入數據;而在進程快結束時,又需

要用打印機打印數據。在一個進程只聯系著一個域的情況

下,則需要在該域中同時設置磁帶機和打印機這兩個對象,

這將超過進程運行的實際需要。

第九章系就安全嘏

4)進程和域間的動態聯系方式

在進程和域之間,也可以是一對多的關系,即一個進程

可以聯系著多個域。在此情況下,可將進程的運行分為若干

個階段,其每個階段聯系著一個域,這樣便可根據運行的實

際需要,來規定在進程運行的每個階段中所能訪問的對象。

用上述的同一個例子,我們可以把進程的運行分成三個階段:

進程在開始運行的階段聯系著域D1,其中包括用磁帶機輸入;

在運行快結束的第三階段聯系著域D3,其中是用打印機輸出;

中間運行階段聯系著域D2,其中既不含磁帶機,也不含打印

機。我們把這種一對多的聯系方式稱為動態聯系方式,在采

用這種方式的系統中,應增設保護域切換功能,以使進程能

在不二國的運益除除=從一

了為第九章系疙安小嘏

—?-TOl?r~1―--一,?丁-W~~—-BWM

2.訪問矩陣

我們可以利用一個矩陣來描述系統的訪問控制,并把該矩

陣稱為訪問矩陣(AccessMatrix)o訪問矩陣中的行代表域,列

代表對象,矩陣中的每一項是由一組訪問權組成的。因為對象

已由列顯式地定義,故可以只寫出訪問權而不必寫出是對哪個

對象的訪問權,每一項訪問權access(ij)定義了在域Dj中執行的

進程能對對象烏所施加的操作集。

訪問矩陣中的訪問權,通常是由資源的擁有者或者管理者

所決定的。當用戶創建一個新文件時,創建者便是擁有者,系

統在訪問矩陣中為新文件增加一列,由用戶決定在該列的某個

項中應具有哪些訪問權,而在另一項中又具有哪些訪問權。當

用戶刪除此文件時,系統也要相應地在訪問矩陣中將該文件對

第九章系統妥小植

圖9-9的訪問矩陣如圖9-10所示。它是由三個域和

8個對象所組成的。當進程在域Di中運行時,它能讀文件

Fi、讀和寫文件F2。進程在域D2中運行時,它能讀文件F3、

F4和F5,以及寫文件F4、F5和執行文件F,,此外還可以使

用打印機1。只有當進程在域D3中運行時,才可使用繪圖

儀2。

第九章余院要公植■

、\^寸象

瑪.為;FsF4F打印機1繪圖儀2

域s

D】RR,W

D2RR,W,ER,WW

D3R,W,EwW

注:R一讀,W一寫,E一執行

圖9-10一個訪問矩陣

,為第九章系瘍安小嘏

3.具有域切換權的訪問矩陣

為了實現在進程和域之間的動態聯系,應能夠將進程從

一個保護域切換到另一個保護域。為了能對進程進行控制,

同樣應將切換作為一種權力,僅當進程有切換權時,才能進

行這種切換。為此,在訪問矩陣中又增加了幾個對象,分別

把它們作為訪問矩陣中的幾個域;當且僅當switcheaccess(ij)

時,才允許進程從域i切換到域j。例如,在圖9[CD*2]H中,

由于域Di和D2所對應的項目中,有一個S即Switch,故而允許

在域D]中的進程切換到域D2中。類似地,在域D2和對象D3所

對應的項中,也有Switch,這表示在D2域中運行的進程,可

以更瞥II強4%但不允i咨gg更冬域23到域里鼻

第九章系瘍安小嘏

象打印打印

域D1域4域4

FiF2F3F5

域X.機1機2

域D1RR,WS

域D?RR,W,ER,WWS

域D3R,W,EwW

注:R一讀,W一寫,E—執行,S一切換

圖9-H具有切換權的訪問控制矩陣

肥力第九章系就安全促I。

M^KiO-二一"--f—,-^2:.-T~~w~—^D~^ir--L—ffffl

9.4.2訪問矩陣的修改

1.拷貝權(CopyRight)

\^象\^象

域、^FiFFFI理瑪

23域

DlEw*D】EW*

D2ER*ED2ER*E

D3ED3ERW

(a)⑹

圖9—12具有拷貝權的訪問控制矩陣

在圖9-12中,凡是在訪問權(access(ij))上加星號(*)者,

都表示在i域中運行的進程能將其對對象j的訪問權,復制成

在任何域中對同一對象的訪問權。例如,圖中在域口2中對文

件F2的讀訪問權上加有*號時,表示運行在D2域中的進程可

以將他對文件F2的讀訪問權擴展到域D3中去。又如,在域DI

中對文件F3的寫訪問權上加有*號時,可以使運行在域D1中

的進程,可以將他對文件F3的寫訪問權擴展到域D3中去,使

在域D3中運行的進程,也具有對文件F3的寫訪問權。

應注意的是,把帶有*號的拷貝權如R*,由access(ij)拷

貝成access(kj)后,其所建立的訪問權只是R而不是R*,這使

在域DK上運行的進程,不能再將其拷貝權進行擴散,從而限

1g;第九幸系徒要企健,

■BK^B-CW--Tjn二一.-?—~h—~i「■??■w~一—BffU

2.所有權(OwnerRight)

人們不僅要求能將已有的訪問權進行有控制的擴散,而

且同樣需要能增加某種訪問權,或者能刪除某種訪問權。此

時,可利用所有權(0)來實現這些操作。如果在access(ij)中

包含所有訪問權,則在域Dj上運行的進程,可以增加或刪除

其在j列上任何項中的訪問權。換言之,進程可以增加或刪除

在任何其它域中運行的進程對對象j的訪問權。例如,在圖9-

13(a)中,在域D1中運行的進程(用戶)是文件F1的所有者,他

能增加或刪除在其它域中運行進程對文件F1的訪問權;類似

地,在域D2中運行的進程(用戶)是文件F2和文件F3的擁有者,

該進程可以增加或刪除在其它域中運行的進程對這兩個文件

的訪問權。在圖9-13(b)中示出了在域D]中運行的進程刪除

了在域D3中運行的進程對文件F1的執行權;在域D2中運行的

第九章系瘍安小嘏

、^象

FiF,F3-jF[}FF

域2域23

D10,EWD】0,E

D2R*,0R*,0,WD20,R*,W*R",0,W

D3ED3WW

(?)⑹

圖9-13帶所有權的訪問矩陣

3.控制權(ControlRight)

拷貝權和所有權都是用于改變矩陣內同一列中的各項

訪問權的,或者說,是用于改變在不同域中運行的進程對

同一對象的訪問權??刂茩鄤t可用于改變矩陣內同一行中

(域中)的各項訪問權,亦即,用于改變在某個域中運行進

程對不同對象的訪問權。如果在access(i,j)中包含了控制權,

則在域Dj中運行的進程可以刪除在域Dj中運行進程對各對

象的任何訪問權。例如在圖9-14中,在access(D2,D3)中包

括了控制權,則一個在域D2中運行的進程能夠改變對域D3

內各項的訪問權。比較圖9-11和圖9-14可以看出,在D3

中已無對文件F6和Ploter2叫號訪問也

_—---一???,一____一―--_

cz.

__-^--——L

第九章系瘍安小嘏

象打印繪圖

FiFF必:FF域D]域D2域

域2356機1儀2

DIRR,W

D2RR,W,ER,WWControl

D3R,EW

圖9-14具有控制權的訪問矩陣

口)第九章系疣安全楹

9.4.3訪問控制矩陣的實現

1.訪問控制表(AccessControlList)

這是指對訪問矩陣按列(對象)劃分,為每一列建立一張

訪問控制表ACL。在該表中,已把矩陣中屬于該列的所有空

項刪除,此時的訪問控制表是由一有序對(域,權集)所組成。

由于在大多數情況下,矩陣中的空項遠多于非空項,因而使

用訪問控制表可以顯著地減少所占用的存儲空間,并能提高

查找速度。在不少系統中,當對象是文件時,便把訪問控制

表存放在該文件的文件控制表中,或放在文件的索引結點中,

作為該文件的存取控制信息。

第九章系瘍安小嘏

域是一個抽象的概念,可用各種方式實現。最常見

的一種情況是每一個用戶是一個域,而對象則是文件。此

時,用戶能夠訪問的文件集和訪問權限,取決于用戶的身

份。通常,在一個用戶退出而另一個用戶進入時,即用

戶發生改變時,要進行域的切換;另一種情況是,每個

進程是一個域,此時,能夠訪問的對象集中的各訪問權,

取決于進程的身份。

訪問控制表也可用于定義缺省的訪問權集,即在該

表中列出了各個域對某對象的缺省訪問權集。在系統中配

置了這種表后,當某用戶(進程)要訪問某資源時,通常是

首先由系統到缺省的訪問控制表中,去查找該用戶(進程)

是否具有對指定資源進行訪問的權力。如果找不到,再到

卜力第九章系疙安小嘏||

—■~T0■—■[―--一二?一-W~~_一-

2.訪問權限(Capabilities)表

如果把訪問矩陣按行(即域)劃分,便可由每一行構成一張

訪問權限表。換言之,這是由一個域對每一個對象可以執行的

一組操作所構成的表。表中的每一項即為該域對某對象的訪問

權限。當域為用戶(進程)、對象為文件時,訪問權限表便可用

來描述一個用戶(進程)對每一個文件所能執行的一組操作。

圖9-15示出了對應于圖9-H中域D2的訪問權限表。在

表中共有三個字段。其中類型字段用于說明對象的類型;權

力字段是指域D2對該對象所擁有的訪問權限;對象字段是一個

指向相應對象的指針,對UNIX系統來說,它就是索引結點的

編號。由該表可以看出,域D2可以訪問的對象有4個,即文件3、

4、5和打印機,對文件3的訪問權限是只讀;對文件4的訪問

第九章系統要小植

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