IPSec的加密和认证过程中所使用的密钥由(47)机制来生成和分发。

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第47题

知识点： IPSec安全协议 IPSec 加密认证

关键词：加密密钥章/节：安全技术与协议

A. ESP

B. IKE

C. TGS

D. AH

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38%

PGP的功能中不包括（）。

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19%

以下关于HTTP和HTTPS的描述中，不正确的是（）。

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42%

IPSec 用于增强IP网络的安全性，下面的说法中不正确的是（）。


知识点讲解
· IPSec安全协议 · IPSec · 加密 · 认证

IPSec安全协议

IPSec 安全协议不是一个单独的协议，它给出了应用于IP层上网络数据安全的一整套体系结构，包括认证报头（Authentication Header， AH）协议、封装安全载荷（Encapsulating Security Payload， ESP）协议、密钥管理（Internet Key Exchange， IKE）协议和用于网络认证及加密的一些算法等。IPSec规定了如何在对等层之间选择安全协议，确定安全算法和密钥交换，向上提供了访问控制、数据源认证、数据加密等网络安全服务。

认证报头协议

认证报头（Authentication Header， AH）协议为IP通信提供数据源认证、数据完整性和反重播保证，它能保护通信免受窜改，但不能防止窃听，适用于传输非机密数据。AH的工作原理是在每一个数据包上添加一个身份验证报头。此报头包含一个带密钥的Hash散列，可以将其当作数字签名，但它不使用证书，此Hash散列在整个数据包中计算，因此对数据的任何更改将致使散列无效，这样就提供了完整性保护。但是AH不提供保密服务。IPSec支持的认证算法有HMAC-MD5、HMAC-SHA1。

封装安全载荷协议

封装安全载荷（Encapsulating Security Payload， ESP）协议为IP数据包提供完整性检查、认证和加密，它提供机密性并可防止窜改。ESP服务依据建立的安全关联（SA）是可选的，然而也有一些限制，它必须与完整性检查和认证一起进行。仅当与完整性检查和认证一起进行时，重播（Replay）保护才是可选的。重播保护只能由接收方选择。

ESP的加密服务是可选的，但如果启用加密，则也就同时选择了完整性检查和认证。因为如果仅使用加密，入侵者就可能伪造报文以发动密码分析攻击。

ESP可以单独使用，也可以和AH结合使用。一般ESP不对整个数据包加密，而是只加密IP包的有效载荷部分，不包括IP头。但在端对端的隧道通信中，ESP需要对整个数据包加密。ESP报头插在IP报头之后，TCP或UDP等传输层协议报头之前。ESP由IP协议号50标识。

密钥管理协议

密钥管理（Internet Key Exchange， IKE）协议是Internet工程任务组（IETF）制定的安全关联标准法和密钥交换解决方案，它提供一种方法供两台计算机建立安全关联（Security Association， SA）。SA对两台计算机之间的策略协议进行编码，指定它们将使用哪些算法和什么样的密钥长度，以及实际的密钥本身。IKE主要完成两个任务：安全关联的集中化管理，减少连接时间；密钥的生成和管理。

实现方式

IPSec可以在端系统或者安全网关中实现，也可以在现有的IP实现中集成IPSec，这种方法需要能够修改现有IP实现的源码;BITS（Bump In The Stack）实现方式是在已有的IP协议栈中实现IPSec，使之存在于IP协议和网络驱动器之间;BITW（Bump In The Wire）实现方式是在外部的加密机中实现IPSec，从而在两个路由器或两个主机之间形成安全隧道。

IPSec的一个重要实现方式是基于VPN（Visual Private Network）的加密机制，由IPSec构成的加密IP隧道，提供了不同介质和地域网间的安全透明连接。

IPSec

IPSec是Internet Protocol Security的缩写。在TCP/IP协议网络中，由于IP协议的安全脆弱性，如地址假冒、易受篡改、窃听等，Internet工程组（IETF）成立了IPSec工作组，研究提出解决上述问题的安全方案。根据IP的安全需求，IPSec工作组制定了相关的IP安全系列规范：认证头（Authentication Header，简称AH）、封装安全有效负荷（Encapsulatin Security Payload，简称ESP）以及密钥交换协议。

IPAH

IP AH是一种安全协议，又称为认证头协议。其安全目的是保证IP包的完整性和提供数据源认证，为IP数据报文提供无连接的完整性、数据源鉴别和抗重放攻击服务。其基本方法是将IP包的部分内容用加密算法和Hash算法进行混合计算，生成一个完整性校验值，简称ICV（Integrity Check Value），同时把ICV附加在IP包中，如下图所示。

IP AH协议包格式

在TCP/IP通信过程中，IP包发送之前都事先计算好每个IP包的ICV，按照IP AH的协议规定重新构造包含ICV的新IP包，然后再发送到接收方。通信接收方在收到用IP AH方式处理过的IP包后，根据IP包的AH信息验证ICV，从而确认IP包的完整性和来源。IP认证头（AH）的信息格式如下图所示。

IP认证头（AH）的信息格式

IP ESP

IP ESP也是一种安全协议，其用途在于保证IP包的保密性，而IP AH不能提供IP包的保密性服务。IP ESP的基本方法是将IP包做加密处理，对整个IP包或IP的数据域进行安全封装，并生成带有ESP协议信息的IP包，然后将新的IP包发送到通信的接收方。接收方收到后，对ESP进行解密，去掉ESP头，再将原来的IP包或更高层协议的数据像普通的IP包那样进行处理。RFC 1827中对ESP的格式做了规定，AH与ESP体制可以合用，也可以分用。

IP AH和IP ESP都有两种工作模式，即透明模式（Transport mode）和隧道模式（Tunnel Mode）。透明模式只保护IP包中的数据域（data payload），而隧道模式则保护IP包的包头和数据域。因此，在隧道模式下，将创建新的IP包头，并把旧的IP包（指需做安全处理的IP包）作为新的IP包数据。

密钥交换协议

基于IPSec技术的主要优点是它的透明性，安全服务的提供不需要更改应用程序。但是其带来的问题是增加网络安全管理难度和降低网络传输性能。

IPSec还涉及密钥管理协议，即通信双方的安全关联已经事先建立成功，建立安全关联的方法可以是手工的或是自动的。手工配置的方法比较简单，双方事先对AH的安全密钥、ESP的安全密钥等参数达成一致，然后分别写入双方的数据库中。自动的配置方法就是双方的安全关联的各种参数由KDC（Key Distributed Center）和通信双方共同商定，共同商定的过程就必须遵循一个共同的协议，这就是密钥管理协议。目前，IPSec的相关密钥管理协议主要有互联网密钥交换协议IKE、互联网安全关联与密钥管理协议ISAKMP、密钥交换协议Oakley。

9.2.6SSL

SSL是Secure Sockets Layer的缩写，是一种应用于传输层的安全协议，用于构建客户端和服务端之间的安全通道。该协议由Netscape开发，包含握手协议、密码规格变更协议、报警协议和记录层协议。其中，握手协议用于身份鉴别和安全参数协商；密码规格变更协议用于通知安全参数的变更；报警协议用于关闭通知和对错误进行报警；记录层协议用于传输数据的分段、压缩及解压缩、加密及解密、完整性校验等。

SSL协议是介于应用层和TCP层之间的安全通信协议。其主要目的在于两个应用层之间相互通信时，使被传送的信息具有保密性及可靠性，如下图所示。SSL的工作原理是将应用层的信息加密或签证处理后经TCP/IP网络送至对方，收方经验证无误后解密还原信息。

SSL协议工作机制

如下图所示，SSL协议是一个分层协议，最底层协议为SSL记录协议（SSL Record Protocol），其位于传输层（如TCP）之上，SSL记录协议的用途是将各种不同的较高层协议（如HTTP或SSL握手协议）封装后再传送。另一层协议为SSL握手协议（SSL Handshake Protocol），由3种协议组合而成，包含握手协议（Handshake Protocol）、密码规格变更协议（Change Cipher Spec）及报警协议（Alert protocol），其用途是在两个应用程序开始传送或接收数据前，为其提供服务器和客户端间相互认证的服务，并相互协商决定双方通信使用的加密算法及加密密钥。

SSL协议组成示意图

SSL协议提供三种安全通信服务。

（1）保密性通信。握手协议产生秘密密钥（secret key）后才开始加、解密数据。数据的加、解密使用对称式密码算法，例如DES、AES等。

（2）点对点之间的身份认证。采用非对称式密码算法，例如RSA、DSS等。

（3）可靠性通信。信息传送时包含信息完整性检查，使用有密钥保护的消息认证码（Message Authentication Code，简称MAC）。MAC的计算采用安全杂凑函数，例如SHA、MD5。

SSL记录协议（record protocol）的数据处理过程如下图所示，其步骤如下：

（1）SSL将数据（data）分割成可管理的区块长度。

（2）选择是否要将已分割的数据压缩。

（3）加上消息认证码（MAC）。

（4）将数据加密，生成即将发送的消息。

（5）接收端将收到的消息解密、验证、解压缩，再重组后传送至较高层（例如应用层），即完成接收。

SSL记录协议数据处理示意图

加密

保密与加密

保密就是保证敏感信息不被非授权的人知道。加密是指通过将信息进行编码而使得侵入者不能够阅读或理解的方法，目的是保护数据和信息。解密是将加密的过程反过来，即将编码信息转化为原来的形式。古时候的人就已经发明了密码技术，而现今的密码技术已经从外交和军事领域走向了公开，并结合了数学、计算机科学、电子与通信等诸多学科而成为了一门交叉学科。现今的密码技术不仅具有保证信息机密性的信息加密功能，而且还具有数字签名、身份验证、秘密分存、系统安全等功能，来鉴别信息的来源以防止信息被篡改、伪造和假冒，保证信息的完整性和确定性。

加密与解密机制

加密的基本过程包括对原来的可读信息（称为明文或平文）进行翻译，译成的代码称为密码或密文，加密算法中使用的参数称为加密密钥。密文经解密算法作用后形成明文，解密算法也有一个密钥，这两个密钥可以相同也可以不相同。信息编码的和解码方法可以很简单也可以很复杂，需要一些加密算法和解密算法来完成。

从破译者的角度来看，密码分析所面对的问题有三种主要的变型：①“只有密文”问题（仅有密文而无明文）；②“已知明文”问题（已有了一批相匹配的明文与密文）；③“选择明文”（能够加密自己所选的明文）。如果密码系统仅能经得起第一种类型的攻击，那么它还不能算是真正的安全，因为破译者完全可能从统计学的角度与一般的通信规律中猜测出一部分的明文，而得到一些相匹配的明文与密文，进而全部解密。因此，真正安全的密码机制应使破译者即使拥有了一些匹配的明文与密文也无法破译其他的密文。

如果加密算法是可能公开的，那么真正的秘密就在于密钥了，密钥长度越长，密钥空间就越大，破译密钥所花的时间就越长，破译的可能性就越小。所以应该采用尽量长的密钥，并对密钥进行保密和实施密钥管理。

国家明确规定严格禁止直接使用国外的密码算法和安全产品，原因主要有两点：①国外禁止出口密码算法和产品，目前所出口的密码算法都有破译手段，②国外的算法和产品中可能存在“后门”，要防止其在关键时刻危害我国安全。

密码算法

密码技术用来进行鉴别和保密，选择一个强壮的加密算法是至关重要的。密码算法一般分为传统密码算法（又称为对称密码算法）和公开密钥密码算法（又称为非对称密码算法）两类，对称密钥密码技术要求加密解密双方拥有相同的密钥。而非对称密钥密码技术是加密解密双方拥有不相同的密钥。

对称密钥密码体制从加密模式上可分为序列密码和分组密码两大类（这两种体制之间还有许多中间类型）。

序列密码是军事和外交场合中主要使用的一种密码技术。其主要原理是：通过有限状态机产生性能优良的伪随机序列，使用该序列将信息流逐比特加密从而得到密文序列。可以看出，序列密码算法的安全强度由它产生的伪随机序列的好坏而决定。分组密码的工作方式是将明文分成固定长度的组（如64比特一组），对每一组明文用同一个密钥和同一种算法来加密，输出的密文也是固定长度的。在序列密码体制中，密文不仅与最初给定的密码算法和密钥有关，同时也是被处理的数据段在明文中所处的位置的函数；而在分组密码体制中，经过加密所得到的密文仅与给定的密码算法和密钥有关，而与被处理的明数据段在整个明文中所处的位置无关。

不同于传统的对称密钥密码体制，非对称密码算法要求密钥成对出现，一个为加密密钥（可以公开），另一个为解密密钥（用户要保护好），并且不可能从其中一个推导出另一个。公共密钥与专用密钥是有紧密关系的，用公共密钥加密的信息只能用专用密钥解密，反之亦然。另外，公钥加密也用来对专用密钥进行加密。

公钥算法不需要联机密钥服务器，只在通信双方之间传送专用密钥，而用专用密钥来对实际传输的数据加密解密。密钥分配协议简单，所以极大简化了密钥管理，但公共密钥方案较保密密钥方案处理速度慢，因此，通常把公共密钥与专用密钥技术结合起来实现最佳性能。

密钥及密钥管理

密钥是密码算法中的可变参数。有时候密码算法是公开的，而密钥是保密的，而密码分析者通常通过获得密钥来破译密码体制。也就是说，密码体制的安全性建立在对密钥的依赖上。所以，保守密钥秘密是非常重要的。

密钥管理一般包括以下8个内容。

（1）产生密钥：密钥由随机数生成器产生，并且应该有专门的密钥管理部门或授权人员负责密钥的产生和检验。

（2）分发密钥：密钥的分发可以采取人工、自动或者人工与自动相结合的方式。加密设备应当使用经过认证的密钥分发技术。

（3）输入和输出密钥：密钥的输入和输出应当经由合法的密钥管理设备进行。人工分发的密钥可以用明文形式输入和输出，并将密钥分段处理；电子形式分发的密钥应以加密的形式输入和输出。输入密钥时不应显示明文密钥。

（4）更换密钥：密钥的更换可以由人工或自动方式按照密钥输入和密钥输出的要求来实现。

（5）存储密钥：密钥在加密设备内采用明文形式存储，但是不能被任何外部设备访问。

（6）保存和备份密钥：密钥应当尽量分段保存，可以分成两部分并且保存在不同的地方，例如一部分存储在保密设备中，另一部分存储在IC卡上。密钥的备份也应当注意安全并且要加密保存。

（7）密钥的寿命：密钥不可以无限期使用，密钥使用得越久风险也就越大。密钥应当定期更换。

（8）销毁密钥：加密设备应能对设备内的所有明文密钥和其他没受到保护的重要保护参数清零。

认证

认证又分为实体认证和消息认证两种。实体认证是识别通信对方的身份，防止假冒，可以使用数字签名的方法。消息认证是验证消息在传送或存储过程中有没有被篡改，通常使用报文摘要的方法。

基于共享密钥的认证

如果通信双方有一个共享的密钥，则可以确认对方的真实身份。这种算法依赖于一个双方都信赖的密钥分发中心（Key Distribution Center，KDC），如下图所示，其中的A和B分别代表发送者和接收者，K_A、K_B分别表示A、B与KDC之间的共享密钥。

基于共享密钥的认证协议

认证过程如下：A向KDC发出消息{A，K_A（B，K_S）}，说明自己要与B通信，并指定了与B会话的密钥K_S。注意，这个消息中的一部分（B，K_S）是用K_A加密的，所以第三者不能了解消息的内容。KDC知道了A的意图后就构造了一个消息{K_B（A，K_S）}发给B。B用K_B解密后就得到了A和K_S，然后就可以与A用K_S会话了。

然而，主动攻击者对这种认证方式可能进行重放攻击。例如A代表雇主，B代表银行。第三者C为A工作，通过银行转账取得报酬。如果C为A工作了一次，得到了一次报酬，并偷听和复制了A和B之间就转账问题交换的报文，那么贪婪的C就可以按照原来的次序向银行重发报文2，冒充A与B之间的会话，以便得到第二次、第三次……报酬。在重放攻击中攻击者不需要知道会话密钥K_S，只要能猜测密文的内容对自己有利或是无利就可以达到攻击的目的。

基于公钥的认证

这种认证协议如下图所示。A向B发出E_B（A，R_A），该报文用B的公钥加密。B返回E_A（R_A，R_B，K_S），用A的公钥加密。这两个报文中分别有A和B指定的随机数R_A和R_B，因此能排除重放的可能性。通信双方都用对方的公钥加密，用各自的私钥解密，所以应答比较简单。其中的K_S是B指定的会话键。这个协议的缺陷是假定双方都知道对方的公钥。

基于公钥的认证协议

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