网络空间安全导论笔记

mycrictfchuyin / 2024-11-09 / 原文

分组密码

分为对称分组密码和非对称分组密码，习惯上分组密码指对称分组密码
加解密速度较快，安全性好

子密钥生成的评价指标

实现简单、速度快、满足轮函数F的要求
种子密钥的所有比特对每个子密钥比特的影响大致相同

轮函数F

是分组密码的核心，是分组密码中单轮加解密函数
准则
- 非线性：体现算法复杂度
- 可逆性：能够实现解密
- 雪崩效应：输入即使只有很小的变化，也会导致输出产生巨大变化的现象
指标：安全性、速度、灵活性（成本）

迭代轮数

过多的迭代轮数会使加解密算法的性能下降，而实现的实际安全性增强不明显
决定迭代轮数的准则
- 密码算法分析的难度大于简单穷举搜索攻击的难度

DES算法

是分组密码的典型代表，其迭代轮数是16次
DES密钥长度按现在的计算能力不能低于穷举工具
DES密码长度是56位，密钥空间2⁵⁶<10²⁰

加解密过程
- 将明文分为N组，每组明文P_i为64bits,并为P_i分配56bits的密钥，如果最后一组P_i不足64bits，按一定规则添上0-63bits，加密后得到密文分组C_N
- 解密即其逆过程，先根据密钥解密,再看是否需要给最后一组去掉0-63bits

AES算法

AES分组长度、密钥长度、轮数的关系

序列密码

属于对称密码体制，又称为流密码
起源于维尔姆(Vernam)密码
维尔姆(Vernam)密码加解密过程
序列密码的描述

P：明文分组 C：密文分组 K密钥分组

序列密码的特点

加解密只是简单的模二加（异或）运算
密码安全强度主要依赖密钥序列的安全性
加解密没有分组限制，可随时加解密

密钥序列产生器（KG）基本要求

种子密钥长度足够长，一般在128位以上（密钥序列生成器的算法是公开的，需要抵御穷举攻击）
极大周期：密钥序列周期至少大于所需使用密钥序列的长度，否则出现使用相同密钥
随机性密钥序列{k_i}具有均匀的n-元分布
不可逆性：由密钥序列提取关于种子密钥K的信息在计算上不可行
雪崩效应
密钥序列是不可预测的：即使知道前半部分也不能确定后半部分

对称密码体制

加密密钥和解密密钥相同，或者虽然不相同，但由其中一个可以很容易推出另一个
又称传统密码体制、秘密密钥体制、单密钥体制
从密钥使用方式上分为分组密码和序列密码

对称密码体制的缺陷

秘密的安全信道
密钥量大
数字签名问题：难以解决身份认证和交易不可否认的问题

非对称密码体制

加密密钥和解密密钥不相同，并且由其中一个可以很难推出另一个
又称公钥密码体制
用一个密钥进行加密（验证），用另一个密钥进行解密（签名），其中一个密钥可以公开，称为公钥，另一个需要秘密保存，称为私钥

公钥密码

单向函数

正向计算容易，反向计算难

DH密钥交换方案

不方便，不实用，必须同时在线才能完成

公钥密码基本原理（单向陷门函数）

RSA密钥对生成算法

RSA加解密过程

安全性基于分解大整数的困难性假定
以现有计算水平，RSA密钥长度为2048位被认为是安全的

第一个实用的公钥密钥算法
目前使用最多
理论基础是数论的欧拉定理
安全性依赖于大数的素因子分解的困难性
能用于加密也能用于数字签名

优点

密钥分发简单
需秘密保存的密钥量少
可以实现数字签名和认证的功能

缺点

比对称密码算法慢
密钥位数相对比较长
有数据扩展

Hash函数及应用

主要应用于消息认证码和数字签名技术
能验证信息的完整性
也称散列函数、杂凑函数，是一种单向密码体制，即是从明文到密文的不可逆映射，即只有加密过程，不存在解密过程
可以将任意长度的消息输入经过变换以后得到固定长度的数据输出，且容易计算
- 这种单向特征和输出数据长度固定使它可以生成消息或数据块的数据指纹（也称哈希值或消息摘要或散列值）
公式表示形式
- h=H(M)
  - M：任意长度的消息
  - H：哈希函数或杂凑函数或散列函数
  - h：固定长度的哈希值
  - 已知h，要找到H(M)=h实际上是不可能的
性质：
- 抗弱碰撞性，抗强碰撞性，雪崩效应
- 注：碰撞指不同的消息M1和M2是的H(M1)=H(M2)
安全性：攻击者的主要目标不是恢复原始的密文，而是寻找与合法消息哈希值相同的非法消息，然后用非法消息替代合法消息进行伪造和欺骗。所以对哈希函数的攻击也是寻找碰撞的过程
结论：假设哈希函数H输出长度为L位，全部可能的输出有n=2^L个，但计算2^L/2输出是产生强碰撞的概率大于50%，所以2^L将决定输出长度为L的哈希函数h强碰撞的强度

常见的哈希函数（SHA）

称为安全哈希标注
SHA-0和SHA-1可将一个最大2⁶⁴（约等于10¹⁹，1T约等于10¹³）位的消息转换成一串160位（目前计算能力，安全哈希值长度）的消息摘要
SHA家族的五个算法：SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512。后四者有时并称SHA-2。第一个应用范围最广

SHA-1哈希值的生成过程

预处理：

将原始消息填充至比特长度为448模512，即如果消息长度不是512的倍数，则在消息末尾添加一个1，后面跟着0，直到总长度满足448模512。
在填充后的消息末尾添加64位的消息长度（以位为单位）。

初始化哈希值：

初始化一个160位的哈希值，通常使用特定的初始值。

处理消息：

将消息分成512位的块。对于每个块，执行以下步骤：
- 扩展：将512位的消息块扩展成80个160位的字。
- 初始化工作变量：设置五个32位的寄存器（A, B, C, D, E），这些寄存器将用于计算当前块的哈希值。
- 主循环：对80个160位的字进行20轮循环处理，每轮使用不同的函数和常数，更新寄存器的值。
- 添加：将处理后的块的哈希值与之前的哈希值相加，更新哈希值。

产生最终哈希值：

处理完所有消息块后，将最终的哈希值输出。

哈希函数的应用

消息认证
数字签名
口令的安全性
文件的完整性（如区块链、可信计算、文件病毒的检验、网页防篡改、黑白名单等）
密码协议的应用（如零知识证明、投掷硬币、比特承诺等）
- 计算机中不可能实现真正的掷硬币，但可以执行一个掷硬币协议
- 一般要满足以下三个条件
  - 参与双方各有50%的机会获胜
  - 规定如果双发中任何一方欺骗则认为其在博弈中失败
  - 协议执行结束后双方都知道结果

消息认证码（MAC，Messages Authentication Code）

主要功能
- 确保收到的消息确实和发送的一样（完整性）
- 确保消息的来源真实性
消息认证码是与密钥相关的单向哈希函数
MAC函数与单向哈希函数类似，但是其的输入要还包括一个密钥，不同的密钥产生不同的码，起到验证功能
应用的前提条件是发送者和接收者拥有一个共同的密钥，该密钥通常是对称密钥

基本实现过程

密钥生成：

首先，生成一个密钥。这个密钥只有通信双方知道，用于确保消息的安全性。

密钥分发：

将密钥安全地分发给通信双方。这通常在通信开始之前完成，并且需要保证密钥传输的安全性。

消息准备：

发送方准备要发送的消息。

密钥与消息结合：

发送方将密钥与消息结合。这可以通过多种方式完成，例如将密钥直接与消息拼接，或者使用更复杂的方法，如使用密钥对消息进行加密。

应用哈希函数：

使用一个哈希函数（如SHA-1、SHA-256等）对结合了密钥的消息进行处理。这一步的目的是生成一个固定长度的哈希值。

生成MAC：

哈希函数的输出就是MAC。这个MAC将作为消息的一部分一起发送给接收方。

消息传输：

发送方将原始消息和MAC一起发送给接收方。

验证MAC：

接收方收到消息后，使用相同的密钥和哈希函数对收到的消息进行处理，生成一个新的MAC。
然后，接收方将这个新生成的MAC与发送方发送的MAC进行比较。

完整性和身份验证：

如果两个MAC相同，接收方可以确信消息在传输过程中未被篡改，并且发送方是合法的（因为只有知道密钥的发送方才能生成正确的MAC）。

处理结果：

如果MAC验证成功，接收方可以安全地处理消息。
如果MAC验证失败，接收方应该拒绝消息，并可能通知发送方或采取其他安全措施。

数字签名（电子签名）

不是书面签名的数字图像化，而是一种电子代码，能验证发件人的身份和签名，还能验证文件原文的完整性
是连接到被签消息上的数字串
在通信网络中传输
利用以公开的验证算法来验证
不仅与签名者有关，也因消息而异
含义：
- 是指附加在数据单元（签名消息）上的一些数据（签名值），首先利用签名算法对该数据单元进行关键信息（哈希值）提取，然后使用签名者的独有信息（私钥）进行签名而成
- 并能被接收者利用签名者的公有信息（公钥）来验证其完整性、认证性、不可否认性

数字签名方案的组成

- P：明文空间 S：签名空间 K：密钥空间
- Sign：签名算法 Ver：验证算法

消息认证码与数字签名间的区别

恶意软件

指在未经授权的情况下，在系统中安装、执行并达到不正当目的的软件
- 常见的恶意软件
  - 计算机病毒
  - 木马
  - 僵尸程序
  - 广告软件
通用特征
- 可执行代码：嵌入一个正常程序中，通过运行正常程序而运行，或是一个独立的程序
- 恶意目的
- 强制安装：通常通过漏洞或欺骗等手段，未经用户许可安装软件的行为
- 隐蔽性：难以在所依附的载体中和运行的程序中被发现
- 破坏性：不同的恶意代码对用户的计算机有着不同的破坏程度，且差别很大
中国法律中的定义
- 指编制者在计算机程序中插入的破坏计算机功能或数据，影响计算机使用并能自我复制的一组计算机指令或程序代码

计算机病毒的典型事件

莫里斯蠕虫病毒
CIH病毒
冲击波病毒
勒索病毒

病毒与正常程序的区别

病毒一般不以文件形式独立存在，一般没有文件名，隐藏在正常程序和文件中，是一种非完整的程序。如果独立存在，其文件名通常伪装成系统文件
病毒在用户完全不知的情况下运行，将自身复制到其他正常程序中，并与合法程序争夺系统的控制权，甚至进行各种破坏

计算机病毒的特点

可执行代码、恶意目的、强制安装、破坏性
寄生性（隐蔽性）：嵌入到宿主程序中，依赖于宿主程序而生存
触发性：根据特定条件发作
衍生性：为了逃避查杀，可以衍生出与原版本不同的变种

病毒寄生方式

静态寄生：寄生于磁盘、光盘等，不会主动传染，不会发作
动态寄生：病毒已被调入内存，已经或随时可以获得控制权进行传染或发作

计算机病毒典型类型

引导型病毒
- 通过软盘传染
- 寄生对象：引导扇区
- 激活方式：系统启动或读写磁盘
- 典型病毒：大脑病毒、小球病毒、火炬病毒等
文件型病毒
- 通过文件复制传染
- 寄生对象：可执行文件
- 激活方式：文件执行
- 典型病毒：1575病毒、CIH病毒等
蠕虫病毒
- 通过系统漏洞或网络协议漏洞传染：如果发现漏洞就下载并执行病毒程序，修改注册表
- 寄生对象：系统目录
- 激活方式：系统启动自动加载
- 典型病毒：冲击波病毒、求职信病毒等
U盘病毒
- 依赖于U盘等可移动设备生存
- 寄生对象：可移动设备
- 激活方式：双击U盘盘符，便启动了隐藏的Autorun、inf等系统文件
  - Autorun、inf是安装信息文件，通过其可以实现可移动设备的自动运行
- 典型病毒：记事本病毒、文件夹病毒、比肩社区病毒