计算机系统安全

1. 计算机系统安全 第十二章 IP安全

2. IETF的各个工作小组从不同角度解决互连网安全问题，形成一些RFC和草案：IETF的各个工作小组从不同角度解决互连网安全问题，形成一些RFC和草案： DNSSEC工作组 RFC2137、2535、2541 研究DNS安全及DNS动态更新 WTS(Web Transaction Security)工作组 建立SHTTP 认证、完整性保护；RFC2084 SECSH工作组 安全Shell IPSEC工作组 TLS工作组(SSL协议） Internet安全协议

3. 一、IP安全概述 IP安全面临的问题 伪造IP包的地址；修改其内容 重播以前的包；拦截并查看包的内容 如何确保收到的IP数据报： 1）来自原先要求的发送方(IP头内的源地址)； 2）包含的是发送方当初放在其中的原始数据； 3）原始数据在传输中途未被其它人看过。

4. 一、IP安全概述 IPSec协议 IP安全是整个TCP/IP安全的基础与核心。它可对上层的各种应用服务提供透明的安全保护。IPv4没有考虑安全性，缺乏对通信双方身份的认证，缺乏对传输数据的保护，并且容易受窃听、IP地址欺骗等攻击。IPSec工作组于1994年成立，1995年8月公布了一系列建议标准： RFC2401：IP安全结构 RFC2406：AH； RFC2406：ESP RFC2409：IKE RFC2403：HMAC-MD5-96 RFC2404:HMAC-SHA-96

5. 一、IP安全概述 IPSec概述 IPSec可保障主机之间、网络安全网关（如路由器或防火墙）之间或主机与安全网关之间的数据包的安全。 由于受IPSec保护的数据报本身不过是另一种形式的IP包，所以完全可以嵌套提供安全服务，同时在主机之间提供像端到端这样的认证，并通过一个隧道，将那些受IPSec保护的数据传送出去（隧道本身也通过IPSec受到安全网关的保护）。

6. 一、IP安全概述 IPSec的协议 对IP数据报或上层协议进行保护的方法是使用某种IPSec协议：“封装安全载荷（ESP：Encapsulating Security Payload）”或者“认证头（AH：Authentication Header）”。 AH可证明数据的起源地、保障数据的完整性、防止相同数据包的重播。 ESP除具有AH的所有能力之外，还可选择保障数据的机密性，以及为数据流提供有限的机密性保障。

7. AH ESP (加密) ESP (加密并认证) 访问控制 √ √ √ 无连接完整性 √ √ 数据来源认证 √ √ 对重放数据的拒绝 √ √ √ 保密性 √ √ 受限业务流的保密性 √ √ IPSec的安全业务

8. 一、IP安全概述 密钥管理协议IKE 密钥管理协议IKE（Internet Key Exchange）用于动态地认证IPSec参与各方的身份、协商安全服务以及生成共享密钥等。 IPSec提供的安全服务需要用到共享密钥，它既可用于保障数据的机密性，亦可用于数据完整性（消息认证码MAC），或者同时应用于两者。 IPSec的运算速度必须够快，而现有公共密钥技术（如RSA或DSS）的速度均不够快。公共密钥技术仍然限于在密钥交换期间完成一些初始的认证工作。

9. 二、结构 IPSec协议组成 安全关联SA （Security Association） 安全策略数据库SPD (Security Policy Database） 认证头AH （Authentication Head ） 封装安全载荷ESP(Encapsulation Security Payload) IKE（Internet密钥交换） ISAKMP/Oakley（密钥管理协议） ISAKMP：Internet Security Association and Key Management Protocol Oakley：是D-H密钥交换协议的改进

10. 二、结构 结构图

11. 二、结构 IPSec实施 IPSec既可在终端系统上实现，亦可在某种安全网关上实现（如路由器及防火墙）。 在主机中实施可以有两种方式： 1、与操作系统的集成实施。 2、在协议堆栈中的网络层和数据链路层之间实施。

12. 二、结构 操作系统集成 IPSec作为网络层协议，可在网络层实现，由IP层的服务构建IP头。这个模型与其它网络层协议（比如ICMP）的实施等同。

13. 二、结构 在协议堆栈中实施

14. 二、结构 在主机实施的特点 a．保证端到端的安全性 b．能够实现所有的IPSEC安全模式 c．能够对每个数据流提供安全保障 d．在建立IPSEC的过程中，能够维持用户身份的认证。

15. 二、结构 在路由器中实施 如果在路由器中实施，可在网络的一部分中对传输的数据包进行安全保护。 例如某公司只打算对传给地理位置分散的那些部门的数据实施保护，而且只在数据流经Internet的时候进行保护，从而构建自己的VPN或者内联网。IPSec实施方案通过对数据包进行“隧道传输”，从而实现了对它们的保护。

16. 二、结构 IPSec两种不同的使用模式 传送模式：保护上层协议；用于两主机之间； 隧道模式：保护整个IP数据报；当一方为网关时。 原始IP包： IP头 + TCP头 + 数据 传送模式： IP头 + IPSec头 + TCP头 + 数据 隧道模式：新 IP头 + IPSec头 + IP头 + TCP头 + 数据

17. 二、结构 安全关联 为正确封装及提取IPSec数据包，要将安全服务、密钥与要保护的通信数据联系到一起；同时要将远程通信实体与要交换密钥的IPSec数据传输联系起来。这样的方案称为安全关联（Security Association，SA）。 SA是构成IPSec的基础。它由两个通信实体协商建立。它们决定了用来保护数据包安全的IPSec协议、密钥以及密钥的有效存在时间等。任何IPSec实施方案都会构建一个SA数据库（SAD），由它来维护保障数据包安全的SA记录。

18. 二、结构 安全关联 SA是单向进行的，它仅朝一个方向定义安全服务，要么对通信实体收到的包进行“进入”保护，要么对实体外发的包进行“外出”保护。SA由一个三元组唯一标识： 1）安全参数索引（SPI）：存在于IPSec协议头内； 2）安全协议（AH、ESP）标识符； 3）目标IP地址：它同时决定了关联方向。 通常SA是以成对的形式存在的，每个朝一个方向。既可人工创建它，亦可采用动态创建方式。SA驻留在“安全关联数据库（SAD）”内。

19. 二、结构 SA创建 若用人工方式加以创建，SA便会一直存在下去，除非再用人工方式将其删除。 若用动态方式创建，则SA有一个存活时间与其关联在一起。存活时间（TTL）由IPSec通信双方在密钥管理协议中协商。TTL非常重要，因为受一个密钥保护的通信量必须加以谨慎地管理。若超时使用一个密钥，会为攻击者侵入系统提供更多的机会。

20. SAD用于定义每个SA的参数值： 顺序号：以AH/ESP报头中32位bit值表示 顺序号溢出标记：防止溢出数据报的传送 反重放窗口：收到的AH/ESP数据报是否重放 AH/ESP信息：认证/加密算法、密钥、有效期 SA有效期：该时间间隔之后，SA结束/被替代 IPSec协议模式：传输模式/隧道模式 路径最大传输单元：最大数据报长度(不分段) 安全关联数据库SAD

21. 二、结构 安全策略数据库SPD SPD （Security Policy Database）定义了对所有出/入业务应采取的安全策略，为IP数据项提供什么服务以及以什么方式提供。对所有出/入包括非Ipsec业务的处理必须咨询SPD，处理有三种可能： 1）丢弃：不允许在此主机上存在，或不允许通过此网关。 2）绕过Ipsec：允许通过而无需Ipsec保护 3）采用Ipsec：对这种业务流，SPD要指明提供的安全服务，采用的协议及使用的算法等。

22. 二、结构 安全策略 用户可以根据自己的要求，对不同的通信设定不同级别的安全策略。 例：在一个网络安全网关上制订IPSec策略，对本地子网与远程网关的子网间通信数据采用DES加密，并用HMAC-MD5进行认证；对从远程子网发给一个邮件服务器的所有Telnet数据用3DES进行加密，同时用HMAC-SHA进行认证；对于需要加密的、发给另一个服务器的所有Web通信数据，则用IDEA满足其加密要求，同时用HMAC-RIPEMD进行认证。

23. 二、结构 安全参数索引（SPI ） SPI长度为32位，用于唯一地标识出接收端上的一个SA。作为两个主机秘密通信的协定， SA决定了密钥和加密算法等参数。必须采用某种机制，让通信源指出用哪个SA来保护数据包；而对通信的目的地，则需指出用哪个SA来检查收到的包是否安全。SPI是个任意数，一般是在IKE交换过程中由目标主机选定的。 SPI被当作AH和ESP头的一部分传送。接收主机使用<SPI，DST，Protocol>这个字元组来唯一地标定SA（DST是IP头中的目标地址；而protocol代表协议是AH或ESP）。

24. 二、结构 消息认证码MAC MAC：使用一个保密密钥生成固定大小的小数据块，并加入到消息中，称MAC， 或加密和。 用户A和用户B，共有保密密钥K，消息M， MAC=CK(M) 1、接收者可以确信消息M未被改变。 2、接收者可以确信消息来自所声称的发送者； 3、如果消息中包含顺序码，则接收者可以保证消息的正常顺序； MAC函数类似于加密函数，但不需要可逆性。因此在数学上比加密算法被攻击的弱点要少。

25. 二、结构 MAC的基本应用方式 • 1）消息认证 • AB: M||CK(M) • 2）消息认证+保密 • AB: EK2[ M||CK1(M)] • 3）消息认证+保密 • AB: EK2 [M]||CK1(EK2 [M])

26. 三、封装安全载荷 封装安全载荷概述 ESP（Encapsulating Security Payload）属于IPSec的一种协议，可用于确保IP数据包的机密性、数据的完整性以及对数据源的身份认证。此外，它也要负责对重播攻击的抵抗。 具体做法是在IP头之后、需要保护的数据之前，插入一个新头——ESP头。受保护的数据可以是一个上层协议，或者是整个IP数据报。最后，还要在最后追加一个ESP尾。ESP是一种新的IP协议，对ESP数据包的标识是通过IP头的协议字段来进行的。

27. ESP保护示意图 ESP原理

28. 三、封装安全载荷 ESP格式

29. 三、封装安全载荷 ESP格式 作为IPSec头，ESP头中会包含一个SPI字段。它和IP头之前的目标地址以及协议结合在一起，用来标识用于处理数据包的特定的SA。 通过序列号，ESP具有了抵抗重播攻击的能力。序列号是一个不重复的、单向递增的、由发送端插在ESP头的一个号码。 ESP保护的实际数据包含在载荷数据字段中。因此，这个字段的长度由数据长度决定。某些加密算法要用到初始化向量（IV），它也受到保护。

30. 三、封装安全载荷 隧道模式 隧道模式下受ESP保护的一个IP包，下一个头是TCP 认证 加密

31. 三、封装安全载荷 传输模式

32. 三、封装安全载荷 加密与认证 由于ESP同时提供了机密性以及身份认证机制，所以在其SA中必须同时定义两套算法——用来确保机密性的算法叫作cipher（加密器），而负责身份认证的叫作authenticator（认证器）。每个ESP SA都至少有一个加密器和一个认证器。

33. 三、封装安全载荷 处理外出数据包：传送模式 对在IPv4上运行的传送模式应用来说，ESP头跟在IP头后，IP头的协议字段被复制到ESP头的“下一个头”字段中，ESP头的其余字段则被填满—SPI字段分配到的是来自SAD的、用来对这个包进行处理的特定SA的SPI；填充序列号字段的是序列中的下一个值；填充数据会被插入，其值被分配；同时分配的还有填充长度值。随后，IP头的协议字段得到的是ESP的值，50。 除了头插入位置不同之外，IPv6处理规则基本上类似于IPv4。ESP头可插在任意一个扩展头之后。

34. 三、封装安全载荷 处理外出数据包：隧道模式 对隧道模式应用来说，ESP头是加在IP包前面的。如果封装的是一个IPv4包，那么ESP头的“下一个头”字段分配到值4；如果封装的是一个IPv6包，则分配到值41。其他字段的填充方式和在传送模式中一样。随后，在ESP头的前面新增了一个IP头，并对相应的字段进行填充（赋值）—源地址对应于应用ESP的那个设备本身；目标地址取自于用来应用ESP的SA；协议设为50；其他字段的值则参照本地的IP处理加以填充。

35. 三、封装安全载荷 加密认证 不管哪种模式下，接下去的步骤都是相同的。从恰当的SA中选择加密器（加密算法），对包进行加密（从载荷数据的开头，一直到“下一个头”字段）。随后，使用恰当的SA中的认证器，对包进行认证（自ESP头开始，中间经过加密的密文，一直到ESP尾）。随后，将认证器的结果插入ESP尾的“认证数据”字段中。 对外出数据包进行处理的最后一步是：重新计算位于ESP前面的IP头的校验和。

36. 三、封装安全载荷 处理进入数据包 接收端在收到一个ESP包之后，若不对这个包进行处理，就无法得知它究竟处于隧道模式，还是传送模式。根据对这个包进行处理的SA，便可知道它到底处在什么模式下。但除非完成了对它的解密，实际上不可能知道ESP保护的是什么。 如果收到的IPSec包是一个分段，必须把它保留下来，直到这个包的其他部分收完为止。

37. 三、封装安全载荷 处理进入数据包 收到ESP包后，首先要检查处理这个包的SA是否存在——这是基本的IPSec要求，而不是ESP专有的。如果没有SA，这个包就会被丢弃。 一旦认证通过了一个有效的SA，就可用它开始对包的处理。 首先检查序列号。 由于ESP身份认证密文而不是明文，接下来进行的便是对这个包进行身份认证。

38. 三、封装安全载荷 处理进入数据包 然后是解密。通过取自SA的密钥和密码算法，就可对ESP包进行解密，这个ESP包从载荷数据开始到下一个头结束。 传送身份认证和解密检查成功之后，就可对结果数据包进行初步的有效性检验。如果用来处理这个数据包的SA表明在某一特定模式下——要么是隧道模式，要么是传送模式—只能处理ESP包，那么还必须检验这个包的适用性。如果这个包与要求的模式不符，就必须把它丢弃。

39. 三、封装安全载荷 处理进入数据包 对于传送模式，上层协议头与IP头是同步的，ESP头的下一个头字段被复制到IP头的协议字段中，并计算出一个新的IP校验和； 对于隧道模式，就抛开外部IP头和ESP头——我们需要的是这个解开封装的包。 为进行下一步的处理，可将一个经过改造和认证的包转发出去。如果它是一个传送模式包，就会转发到一个高一级的协议层（比如TCP或UDP），由它们对这个包进行处理；如果它是一个隧道模式包，就会重新插入到IP处理流中，继续转发到它的最终目的地。

40. 四、认证头 认证头概述 认证头（AuthenticationHeader，AH）是一种IPSec协议，用于为IP提供数据完整性、数据原始身份认证和一些可选的、有限的抗重播服务。它定义在RFC2402中。除了机密性之外，AH提供ESP能够提供的一切东西。不需要加密算法（加密器），而需要一个认证器（身份认证器）。AH定义保护方法、头的位置、身份认证的覆盖范围以及输出和输入处理规则，但没有对所用的身份认证算法进行定义。

41. 认证头的保护 认证头概述

42. 四、认证头 认证头概述 AH是另一个IPSec协议。在IPv4中数据报的协议字段值是51，表明IP头之后是一个AH头。在IPv6中，下一个头字段的值由扩展头的存在来决定。如果没有扩展头，下一个头字段将是51。如果AH头之前有扩展头，紧靠在AH头前面的扩展头中的下一个头字段就会被设成51。将AH头插入IPv6的规则与ESP插入规则类似。AH和ESP保护的数据相同时，AH头会一直插在ESP头之后。AH头比ESP头简单，因为它不提供机密性。由于不需要填充和一个填充长度指示器，因此也不存在尾。另外，也不需要一个初始化向量。

43. 四、认证头 认证头格式 AH格式

44. 四、认证头 认证头格式 下一头字段表示AH头之后是什么。在传送模式下，将是处于保护中的上层协议的值，如UDP或TCP协议的值。在隧道模式下，值为4，表示IP-in-IP（IPv4）封装或IPv6封装的41这个值。 载荷长度字段表示采用32位的字减2表示头本身的长度。AH头是一个IPv6扩展头，按照RFC2460，它的长度是从64位字表示的头长度中减去一个64位字而来的。但AH采用32位字来计算，因此，我们减去两个32位字（或一个64位字）。没有使用预留字段时，必须将它设成0。

45. 四、认证头 认证头格式 SPI和外部IP头的目的地址一起，用于识别对这个包进行身份认证的SA。 序列号是一个单向递增的计算器，等同于ESP中使用的序列号。序列号提供抗重播功能。 认证数据字段长度不固定，其中包括完整性校检的结果。AH没有定义身份认证器，但有两个强制实施身份认证器：HMAC-SHA-96和HMAC-MD5-96。和ESP一样，输出结果被切短成96个位。同时，也没有针对AH的使用，定义公共密钥身份认证算法（比如RSA和DDS）。

46. 四、认证头 模式 和ESP一样，AH可用于传送模式和隧道模式。不同之处在于它保护的数据要么是一个上层协议，要么就是一个完整的IP数据报。任何一种情况下，AH都要对外部IP头的固有部分进行身份认证。

47. 四、认证头 传送模式 AH用于传送模式时，保护的是端到端通信。通信终点必须是IPSec终点。下一个头是TCP。 已认证

48. 四、认证头 隧道模式 AH用于隧道模式时，它将自己保护的数据报封装起来，另外，在AH头之前，另添了一个IP头。“里面的”IP数据报中包含了通信的原始寻址，而“外面的”IP数据报则包含了IPSec端点的地址。隧道模式可用来替换端对端安全服务的传送模式，AH只用于保证收到的数据包在传输过程中不会被修改，保证由要求发送它的当事人将它发送出去，以及保证它是一个新的非重播的数据包。

49. 四、认证头 隧道模式 已认证 下一个头是IP-in-IP

50. 四、认证头 AH处理 外出数据包与一个SPD条目（表示采用AH保护）匹配时，要求SAD查看是否存在一个合适的SA。如果没有，可用IKE动态地建立一个。如果有，就将AH应用到这个与之相符的数据包，该数据包在SPD条目指定的那个模式中。如果它是一束SPD，应用顺序就由它所涉及的协议而定。AH始终保护的是ESP，别无它物。