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第 5 章 电子邮件安全

第 5 章 电子邮件安全. 主要内容. Pretty good privacy （PGP ） S/MIME. PGP （良好隐私）. Philip R. Zimmerman 是 PGP 的 创造者。 PGP 提供了机密性和身份鉴别服务，可用于电子邮件和文件存储应用中 。 Philip R. Zimmerman 进 行的工作： 1. 选择最好的可用加密算法来创建数据块 2. 将这些算法集成到独立于操作系统和处理器的通用应用程序 3. PGP 数据包和文档（包含源码），可免费获得 4. 与公司（ Network Associates ）约定，提供 PGP 商业版本.

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第 5 章 电子邮件安全

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  1. 第5章 电子邮件安全

  2. 主要内容 • Pretty good privacy（PGP） • S/MIME

  3. PGP（良好隐私） • Philip R. Zimmerman 是 PGP的创造者。 • PGP提供了机密性和身份鉴别服务，可用于电子邮件和文件存储应用中。 Philip R. Zimmerman进行的工作： 1.选择最好的可用加密算法来创建数据块 2.将这些算法集成到独立于操作系统和处理器的通用应用程序 3.PGP数据包和文档（包含源码），可免费获得 4.与公司（Network Associates）约定，提供PGP商业版本

  4. PGP广泛应用的原因 • 可获得不同平台的免费版本 • 基于被认可的算法 • 应用范围广泛 • 不由政府和标准化组织控制和开发

  5. 5.1.1 符号 使用的符号： • Ks=对称加密算法中使用的会话密钥 • KRa=用户A的私钥，用于公钥加密方案 • KUa=用户A的公钥，用于公钥加密方案 • EP=公钥加密 • DP=公钥解密 • EC=对称加密 • DC=对称解密 • H=hash函数 • ||=连接 • Z=使用ZIP算法进行压缩 • R64=转换为radix 64的ASCII格式

  6. 5.1.2 操作描述 • 包含5种服务: • 认证 • 机密性 • 压缩 • E-mail兼容性 • 分段

  7. 1.认证 PGP提供数字签名服务，步骤如下： • 发送者创建消息 • 发送者使用SHA-1算法产生消息160位hash代码 • 发送者私钥加密hash代码（RSA），将结果附在消息上 • 接收者使用RSA算法和发送者公钥解密和恢复hash代码 • 接收者生成新的hash代码，并与解密后的hash代码比较 Sha-1和RSA的结合能提供有效的数字签名方案

  8. 仅进行身份鉴别

  9. 2.机密性 • 机密性用于传送加密消息或在本地存储加密文件 • PGP提供机密性服务，步骤如下： • 1.发送者产生一条消息及适合该消息的随机128位数字作为会话密钥 • 2.使用会话密钥和CAST-128(或IDEA或3DES)算法加密消息 • 3.使用接收者的公钥和RSA算法加密会话密钥，并附在消息上 • 4.接收者使用自己的私钥和RSA算法解密和恢复会话密钥 • 5.使用会话密钥解密消息

  10. 2.机密性(2) 特点： • 使用对称和公钥加密的结合，减少加密时间 • 使用公钥加密解决了会话密钥分配问题。 • 一次性会话密钥加强了常规加密算法的强度

  11. 3.机密性与认证 • 同时提供机密性和身份认证两种服务的方法： • 生成明文消息的签名并附在消息上 • 对处理后的消息进行压缩 • 用常规加密算法，利用会话密钥对压缩消息进行加密 • 利用对方的公钥加密会话密钥

  12. 4.压缩 默认情况下，PGP在应用签名之后但在加密之前压缩消息 • 压缩前生成签名的原因： 1.能保存未压缩的消息和签名，从而实现将来的验证 2.压缩算法的不确定性，难以验证压缩的消息 • 压缩后加密消息能提高密码的安全性

  13. 5.E-mail兼容性 • 电子邮件消息使用ASCII文本构成的块。 • PGP用radix-64进行转换，将8位二进制流转换为可打印的ASCII字符流 3个字节4个ASCII字符（还符加CRC校验） 使用radix-64使消息扩展33%，使用ZIP平均压缩比为2.0，总体压缩1/3

  14. 6.分段与重组 • 通常受限于最大消息长度(50000字节) • 更长的消息将被细分成足够小的段 • PGP 自动将过大的消息细分为几个足够小的段 • 接收者剥去所有email头，并进行块的重组

  15. PGP消息的发送与接收

  16. PGP服务总结 功能 应用的算法 数字签名 DSS/SHA或 RSA/SHA 消息加密 采用Diffie-Hellman或者RS A方案的CAST、IDEA或 者 3DES 压缩 ZIP E - mail 兼容性 Radix - 64 转换 - 分段

  17. 5.1.3 密钥和密钥环 PGP使用4种类型的密钥： • 一次性会话密钥 • 公钥 • 私钥 • 基于口令短语的对称密钥 对密钥的要求： • 能够生成不可预测会话密钥的方法 • 允许 用户拥有多个公钥/私钥对 • PGP必须维护自己的公钥/私钥对文件，以及由相应通信者的公钥组成的文件

  18. 1.会话密钥的生成 会话密钥的特点---与单一的消息相联系 CAST-128产生随机密钥---使会话密钥不可预测 PGP随机数的产生方法： • 根据文本和用户击键的时间产生随机数 • 基于ANSI X9.17算法产生伪随机数 真实随机数的目的： • 用于产生RSA密钥对 • 提供伪随机数发生器的初始值 • 提供伪随机数产生阶段的附加输入 伪随机数的目的： • 用于生成会话密钥 • 用于CFB模式的加密中的初始向量

  19. 2.密钥标识符 每个用户都会有多个公钥/私钥对，接收方需要确定使用的公钥： • 将公钥与消息一同发送 • 将标识符与每个公钥关联在一起 PGP采用的方法： 为每一个公钥分配密钥ID KUa mod 264 传送消息的格式： • 消息构件 • 签名构件 • 会话密钥构件

  20. PGP消息格式

  21. 3.密钥环 任一PGP消息中都包括两个提供机密性和身份验证的密钥ID 在每个节点上采用数据结构对： • 私钥环: 一个用于存储此节点的公钥私钥对 • 公钥环: 一个用于存储此节点知道的其他用户的公钥

  22. 密钥环—私钥环 • 私钥环能用UserID或KeyID进行索引 • 私钥需要加密存储 • 由系统生成RSA的公钥/私钥对 • 用户选择一个口令，产生口令的hash值 • 利用生成的hash值加密私钥，并进行存储

  23. 密钥环—公钥环

  24. 5.1.4 公钥管理 1.公钥管理的方法 公钥加密技术最致命的弱点—公钥篡改 假设： A的公钥环包含B的公钥信息，但该公钥的真正拥有者是C A获得可靠的B的公钥，使用的方法如下： • 通过物理手段获得B的公钥（安全，但有明显局限） • 通过电话验证密钥（可验证密钥的“指纹”） • 从相互信任的个体D那里得到B的公钥 • 从可信的证书权威机构那里得到B的公钥

  25. 2. 信任的使用 • PGP没有包括建立认证权威机构或建立信任的任何规范，但提供了便捷的方式来使用信任、使用密钥来关联信任度、采用可信的信息等 • 公钥环的每个实体是一个公钥证书，相应的是密钥合法性(KeyLegit)字段——表示PGP信任这个用户的该密钥的程度 • 签名信任(SigTrust)字段——PGP用户信任公钥证书签名的程度，密钥合法性源于该项 • 所有者信任(OwnerTrust)字段——每个实体将公钥与一特定拥有者相联系，这个字段指出该公钥签名其他公钥证书的信任程度

  26. 信任关系处理过程 1、当A向公钥环中插入一个新公钥时，PGP必须向信任标志（trust flag）赋值，该标志与该公钥的所有者相关——所有者信任字段。 • 如果其所有者是A，则该值为最高信任(ultimate trust)。 • 否则，PGP询问用户，让用户给出信任级别。 • 用户可选：该公钥的所有者是不认识(unknown)、不信任(untrusted)、 接近信任(marginally trusted) 或完全信任(complete trusted)

  27. 信任关系处理过程（2） 2、当输入一个新的公钥时，可能有一个或多个签名跟随其后。更多的签名可以以后再加入。 • 当一个签名插入到一个条目中时，PGP查找公钥环中确定签名的创建者是否属于认识的公钥所有者。 • 如果是，则这个公钥的SIGTRUST字段的值被赋予OWNERTRUST 的值。 • 否则，赋予unknown user 值。

  28. 信任关系处理过程（3） 3、密钥合法性字段的值基于该条目中签名合法性来计算。 • 如果至少有一个签名信任字段值为最高信任（ultimate），则密钥合法性字段的值设为complete。 • 否则，PGP计算一个信任值的加权和。

  29. 所有者信任域 签名合法性 密钥合法性

  30. 3.废弃公钥 用户因怀疑密钥已被泄露等安全问题，可以废弃现有的公钥 废弃公钥的做法：所有者发出由他签名的密钥废弃证书，然后在尽可能大的范围内迅速传播该证书，以使潜在的通信者更新他们的公钥环 密钥废弃证书与标准签名证书的格式相同，但需要指明证书的目的是撤消公钥，并使用私钥进行签署 获得私钥的攻击者也可以发出这样的证书，但其可能的威胁较小

  31. 5.2 S/MIME • Secure/Multipurpose Internet Mail Extension 安全/多用途Internet邮件扩展 • S/MIME 将会成为商业和机构使用的工业标准. • PGP 主要为个人email提供安全性

  32. RFC822 RFC822:关于邮件消息格式的协议标头行，如： • To: • From: • Subject: 主体： • 消息的正文，必须是ASCII文本 基于Internet的文本邮件消息的标准

  33. 一个典型的消息头部

  34. 多用途Internet邮件扩展 • MIME是对RFC822框架的扩展,可以解决smtp或其他邮件传输协议存在的一些问题和限制。

  35. 简单邮件传输协议 （SMTP, RFC 822) • SMTP/822方案的限制: • 可执行文件和其他二进制目标码 (jpeg image) • 包含各国语言字符的文本数据(non-ASCII) • 超过一定长度的邮件消息 • ASCII 到 EBCDIC 翻译问题 • X.400消息中的非文本制数据 • 没有遵守RFC821定义的smtp标准

  36. MIME标头字段 • MIME-Version:必须为 “1.0” -> RFC 2045, RFC 2046 • Content-Type（内容类型）:详细描述主体中的数据 • Content-Transfer-Encoding（内容向编码的转换）:表示转换的类型 (radix-64) • Content-ID（内容ID）:唯一标识MIME实体 • Content Description:对目标文件体的文本描述，尤其是目标文件不可读时 (如：声音数据)

  37. MIME内容类型

  38. MIME传输编码 • 传输编码的目的：提供在最大范围提供可靠的邮件传输 • MIME传输编码：见P125表5-4 • 7位 • 8位 • 二进制 • Quoted-printable • Base64 • X-token

  39. 5.2.3 S/MIME 的功能 • 封装的数据:包含加密内容和接收者用于加密内容的密钥. • 签名的数据:用签名者的私钥对消息摘要进行加密，形成数字签名。内容与签名被转换成base64编码，一个签名的数据消息只能被具有S/MIME能力的接收者查看 • 透明的签名数据: 只有签名部分用base64编码，结果是，即使接收者没有S/MIME能力，他也能查看消息内容，只是他不能验证该签名 • 签名和封装的数据: 签名和加密的结合，加密数据被签名或者签名数据被加密

  40. S/MIME使用的算法 • 消息摘要: SHA-1和 MD5 • 数字签名: DSS，应当支持RSA • 公钥算法: ELGamal（Diffie-Hellman ）,应当支持RSA • 加密消息：3DES和RC2/40

  41. 5.2.4 S/MIME消息 • 确保MIME实体的安全 S/MIME内容类型

  42. S/MIME Message Encryption

  43. envelopedData例子

  44. signedData

  45. S/MIME signed-data

  46. S/MIME Clear Signing 正文部分 签名部分

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