网络数据传输的安全基础

网络层级结构




TCP/IP模型中结构没有显示物理层，其物理层在网络接口层以下。网络接口层及其以下对应OSI中的物理层及数据链路层，所有有时候可以将TCP/IP模型折中表示为下面这个模型。



通常我们又可以将其划分为通信子网和资源子网。
运输层以上为资源子网。通过运行在用户空间的进程各种协议实行。
而通信子网则是通过内核空间中的各种协议实现。
所以网络中通信其实各个主机中的进程间的通信：进程将资源加工处理后再通过调用内核完成资源的传输。

通信子网中这些协议只是负责完成资源传输。对资源的加工都是在资源子网层完成。通过应用层的协议实现。例如：HTTP、FTP、Telnet等等。但是这些协议中并没有对资源进行加密等保密措施的功能。如果就这样传输，在传输过程中，资源的保密性和完整性将无法得到保障，在通信过程中，网络上的任何人都可以窃听和修改你的资源。因为这方面的需求，就在传输层（TCP/IP）和应用层（HTTP、FTP、Telnet等应用层协议）之间加了一个半层：传输层安全协议。
通过这个协议对资源进行各种加工，可以保障通信中的保密性和完整性，但是这些加工操作都是需要消耗CPU资源的，所以只是一个半层，可以选择是否通过此半层协议来保障安全和私密性，例如：https（http --> ssl --> https）。或者不通过这半层完成通信，例如http。

传输层安全协议（Transport Layer Security，缩写：TLS），及其前身安全套接层（Secure Sockets Layer，缩写：SSL）是一种安全协议，目的是为互联网通信，提供安全及数据完整性保障。

网景公司（Netscape）在1994年推出首版网页浏览器，网景导航者时，推出HTTPS协议，以SSL进行加密，这是SSL的起源。IETF将SSL进行标准化，1999年公布了第一版TLS标准文件。在浏览器、电子邮件、即时通讯、VoIP、网络传真等应用程序中，广泛支持这个协议。主要的网站，如Google、Facebook等也以这个协议来创建安全连接，发送数据。目前已成为互联网上保密通讯的工业标准。SSL包含记录层（Record Layer）和传输层，记录层协议确定了传输层数据的封装格式。传输层安全协议使用X.509认证，之后利用非对称加密演算来对通讯方做身份认证，之后交换对称密钥作为会谈密钥（Session key）。这个会谈密钥是用来将通讯两方交换的数据做加密，保证两个应用间通信的保密性和可靠性，使客户与服务器应用之间的通信不被攻击者窃听。SSL: Secure Sockets Layer
版本：V1.0, V2.0, V3.0（现在任然是主流，但是2014，谷歌发布了此版本的漏洞，现在陆续有很多公司的产品已经禁用此版本了）
TLS: Transport Layer Security
版本：V1.0, V1.1, V1.2, V1.3（目前此版未完成，处于草案阶段）

安全协议要保障的目标
保密性：confidentiality
完整性：integrity
可用性：availability

实现方案的技术（加密和解密）
加密和解密：1，传统加密方法：替代加密方法、置换加密方法
2，现代加密方法：现代块加密方法

密钥算法：
1，对称加密：加密和解密使用同一个密钥
特性：1、加密、解密使用同一个密钥；
2、将原始数据分割成为固定大小的块，逐个进行加密；
功能：数据加密（保密性）
缺陷：1、密钥过多；
2、密钥分发困难；
算法：DES：Data Encryption Standard;
3DES：Triple DES;
AES：Advanced Encryption Standard; (128bits, 192bits, 256bits, 384bits)
Blowfish
Twofish
IDEA
RC6
CAST52
2.公钥加密：密钥分为公钥与私钥
公钥：从私钥中提取产生；可公开给所有人；pubkey
私钥：通过工具创建，使用者自己留存，必须保证其私密性；secret key；
特性：用公钥加密的数据，只能使用与之配对儿的私钥解密；反之亦然；
用途：
数字签名：主要在于让接收方确认发送方的身份；
密钥交换：发送方用对方公钥加密一个对称密钥，并发送给对方；
数据加密（不常用，比对称加密要慢3个数量级）
算法：RSA， DSA， ELGamal
DSS: Digital Signature Standard
DSA：Digital Signature Algorithm
3.单向加密：即提出数据指纹，只能加密，不能解密；
特性：定长输出、雪崩效应；
用途：验证资源完整性；
算法：md5：Message Digest 5, 128bits
sha1：Secure Hash Algorithm 1, 160bits
sha224, sha256, sha384, sha512
4.密钥交换： IKE（Internet Key Exchange）

功能：完成双方密钥交换
两种方式： 1.公钥加密 2.DH（Deffie-Hellman）

安全协议分层设计
1、最底层：基础算法原语的实现，aes, rsa, md5
2、向上一层：各种算法的实现；
3、再向上一层：组合算法实现的半成品；
4、用各种组件拼装而成的各种成品密码学协议软件；

安全协议的开源实现
Linux系统：OpenSSL(ssl)， GPG(pgp)

OPENSSL
由三部分组成：libencrypto库，libssl库，openssl多用途命令行工具

SSL实现过程简要描述：A，B双方通信
A需要和B进行通信，完成双方交换资源的目的。
1，A向B建立通信并索要B的公钥，将A自己的公钥发给B。然后B公钥发送给A。
2，A收到B的公钥，首先对要发送给B的资源（此后将其称为file）进行单向加密计算，得到此资源的特征码。然后用A自己的私钥对这段特征码进行加密，加密后的文件即为数字签名（此后将其称为sign）。再使用对称加密的方式把数字签名sigh和资源file进行加密，得到加密后的文件（file.crypt），然后使用B的公钥把之前用于对称加密的秘钥进行加密，得到文件（key）。最后将file.crypt和key发送给B。
3，B收到file.crypt和key之后，首先使用自己的私钥解密文件key，得到用于对称加密的密钥。然后使用此秘钥对文件file.crypt进行对称解密，得到数字签名sign和资源file。此过程保证了资源的保密性。然后使用A的公钥对数字签名sign进行解密。得到一段文件特征码。再对资源file进行单向加密得到一段特征码。两个特征码进行比对。一致的话，则文件完整。此过程保证了资源的完整性。

上面这段描述不够精确，但有助于理解SSL会话过程。从上面可以看出，这样的方式可以保证会话中资源的保密和完整性。但这一切的基础都是建立在，AB双方彼此可确认对方的公钥和其主体身份吻合的情况下，不然一切安全都无从谈起。例如：当AB之间相进行的通信的时候，C知道了，他同时冒充A和B，和另一方完成了上述的通信过程。这样AB需要进行通信的资源，C全部都窃听到了，并且AB通过交换获得的资源也全部由C决定（这种称为中间人攻击）。因此为了保证通信主体及其公钥可信度，需要一个第三方机构（Trusted third party，TTP）来完成这一工作。这个就是pki。

PKI（Public Key Infrastructure）：公钥基础设施
由以下组成：
签证机构：CA
注册机构：RA
证书吊销列表：CRL
证书存取库：

CA其颁布的证书规格：X.509v3X.509v3：定义了证书的结构以及认证协议标准证书格式：
版本号
序列号
签名算法ID
发行者名称
有效期限
主体名称
主体公钥
发行者的惟一标识
主体的惟一标识
扩展
发行者的签名

在此基础上我们可以再描述以下SSL会话的过程：



SSL会话主要三步：客户端向服务器端索要并验正证书；
双方协商生成“会话密钥”；
双方采用“会话密钥”进行加密通信；SSL Handshake Protocol：

第一阶段：ClientHello：
支持的协议版本，比如tls 1.2；
客户端生成一个随机数，稍后用户生成“会话密钥”
支持的加密算法，比如AES、3DES、RSA；
支持的压缩算法；

第二阶段：ServerHello：
确认使用的加密通信协议版本，比如tls 1.2；
服务器端生成一个随机数，稍后用于生成“会话密钥”
确认使用的加密方法；
服务器证书；

第三阶段：验正服务器证书，在确认无误后取出其公钥；（发证机构、证书完整性、证书持有者、证书有效期、吊销列表）
发送以下信息给服务器端：一个随机数；编码变更通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送；客户端握手结束通知；

第四阶段：收到客户端发来的第三个随机数pre-master-key后，计算生成本次会话所有到的“会话密钥”；
向客户端发送如下信息：
编码变更通知，表示随后的信息都将用双方商定的加密方法和密钥发送；
服务端握手结束通知；

openSSL工具的运用：组件：libcrypto, libssl主要由开发者使用；
openssl：多用途命令行工具；
使用格式：openssl command [ command_opts ] [ command_args ]
可使用 openssl version查看当前版本。
多个子命令，分为三类： 标准命令
消息摘要命令（dgst子命令）
加密命令（enc子命令）

标准命令： enc：加密解密
ca：证书
req：申请
genrsa：生成私钥
...
使用示例：
1，对称加密：
工具：openssl enc
支持的算法：3des, aes, blowfish, towfish

获取使用帮助：openssl enc --help

以/etc/passwd为例：
加密:



解密：





2，单向加密：
工具：openssl dgst
算法：md5sum, sha1sum, sha224sum, ...




生成用户密码：工具：passwd, openssl passwd



3.生成随机数：
工具：openssl rand
~]# openssl rand -hex NUM
~]# openssl rand -base NUM

4.生成密钥：
生成私钥： ~]# (umask 077; openssl genrsa -out /PATH/TO/PRIVATE_KEY_FILE NUM_BITS)


提出公钥： ~]# openssl rsa -in /PATH/FROM/PRIVATE_KEY_FILE -pubout




5.密钥交换：
公钥加密

算法：RSA，ELGamal
工具：openssl rsautl




私钥解密：



6.数字签名：

私钥签名：

算法：RSA， DSA， ELGamal
工具：openssl rsautl


公钥解密



CA
CA：公共信任的CA，
私有CA；仅供内部使用

建立私有CA
工具： openssl，openssl ca

配置文件：/etc/pki/tls/openssl.cnf

构建私有CA:在确定配置为CA的服务器上生成一个自签证书，并为CA提供所需要的目录及文件即可；

步骤：(1) 生成私钥；
~]# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/pki/CA/private/cakey.pem 4096) （此命令的含义是使生成的私钥权限为：600，只有属主有权限读写，也可先生成密钥，再修改其权限为600）
(2) 生成自签证书；
~]# openssl req -new -x509 -key /etc/pki/CA/private/cakey.pem -out /etc/pki/CA/cacert.pem -days 365
-new：生成新证书签署请求；
-x509：生成自签格式证书，专用于创建私有CA时；
-key：生成请求时用到的私钥文件路径；
-out：生成请求证书的文件路径；如果自签操作将直接生成签署过的证书；
-days：证书的有效时长，单位是day；

(3) 为CA提供所需的目录及文件；
~]# mkdir -pv /etc/pki/CA/{certs,crl,newcerts}
~]# touch /etc/pki/CA/{serial,index.txt}
~]# echo 01 > /etc/pki/CA/serial





要用到证书进行安全通信的服务器，需要向CA请求签署证书
步骤：（以httpd为例）
(1) 用到证书的主机生成私钥；
~]# mkdir /etc/httpd/ssl
~]# cd /etc/httpd/ssl
~]# (umask 077; openssl genrsa -out /etc/httpd/ssl/httpd.key 4092)
(2) 生成证书签署请求
~]# openssl req -new -key /etc/httpd/ssl/httpd.key -out /etc/httpd/ssl/httpd.csr -days 365
(3) 将请求通过可靠方式发送给CA主机；
(4) 在CA主机上签署证书；
~]# openssl ca -in /tmp/httpd.csr -out /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -days 365









查看证书中的信息：
~]# openssl x509 -in /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -noout -serial -subject



吊销证书：
步骤：
(1) 客户端获取要吊销的证书的serial（在使用证书的主机执行）：
~]# openssl x509 -in /etc/pki/CA/certs/httpd.crt -noout -serial -subject
(2) CA主机吊销证书
先根据客户提交的serial和subject信息，对比其与本机数据库index.txt中存储的是否一致；
吊销：
# openssl ca -revoke /etc/pki/CA/newcerts/SERIAL.pem （其中的SERIAL要换成证书真正的序列号）



(3) 生成吊销证书的吊销编号（第一次吊销证书时执行）
# echo 01 > /etc/pki/CA/crlnumber

(4) 更新证书吊销列表
# openssl ca -gencrl -out thisca.crl



查看crl文件：
# openssl crl -in /PATH/FROM/CRL_FILE.crl -noout -text




参考：维基百科SSL条目，马哥教育课堂笔记