一、网络层安全协议

1. IPsec协议族概述

• 框架，允许通信双方选择合适的算法和参数
• 包含加密算法，所有IPsec的实现都必须使用
• 三部分：
  • IP安全数据报格式的两个协议：鉴别首部AH协议和封装安全有效载荷ESP协议
    • AH协议：提供源点鉴别和数据完整性，但不保密
    • ESP协议：提供源点鉴别、数据完整性和保密。包含了AH协议的功能
  • 有关加密算法的三个协议
  • 互联网密钥交换IKE协议
• IPsec支持IPv4、IPv6

使用ESP或AH协议的IP数据报称为IP安全数据报（或IPsec数据报）

IP安全数据报两种不同的工作方式

• 运输方式：整个运输层报文段的前后分别添加若干控制信息，再加上IP首部，构成IP安全数据报
• 隧道方式：在原始IP数据报的前后分别添加若干控制信息，再加上新的IP首部，构成一个IP安全数据报

无论哪种方式，最后得出的IP安全数据报的IP首部是不加密的，为了使各个路由器识别IP首部中的有关信息，数据部分是经过加密的，并能够被鉴别

数据报的数据部分：数据报的有效载荷

2. 安全关联

发送IP安全数据报之前，在源实体和目的实体之间必须创建一条网络层的逻辑连线，即安全关联SA——单向连接，提供安全服务

如果进行双向安全通信，则两个方向都需要建立安全连接

建立安全关联SA的路由器或主机，必须维护这条SA的状态信息

状态信息应包含的项目

• 一个32位的连接标识符，称为安全参数索引SPI
• 安全关联SA的源点和终点的IP地址
• 所使用的加密类型
• 加密的密钥
• 完整性检查的类别
• 鉴别使用的密钥

3. IP安全数据报的格式

（1）首先在原始的IP数据报后面添加ESP尾部

ESP尾部的三个字段

• 填充字段：用全0填充
• 填充长度：8位，指出填充字段的字节数
  • 填充的意义：数据加密要求数据块长度是若干字节的整数倍
• 下一个首部（8位）：指明在接收端ESP的有效载荷应交给什么样的协议处理

（2）按照安全关联SA指明的加密算法和密钥，对ESP的有效载荷 + ESP尾部 进行加密

（3）加密后，添加ESP首部

ESP首部的两个32位字段

• 第一个：存放安全参数索引SPI
  • 通过同一个SA的所有IP安全数据报都使用同样的SPI值
• 第二个：序号，鉴别用的序号，防止重放攻击
  • 分组重传时，序号不重复

（4）按照SA指明的算法和密钥，对 ESP首部 + 加密的部分 生成报文鉴别码MAC

（5）把所生成的报文鉴别码MAC添加在ESP尾部的后面，和ESP首部、ESP的有效载荷、ESP尾部在一起，构成IP安全数据报的有效载荷

（6）生成新的IP首部，通常20字节长，和普通的IP数据报的首部格式一样。但是首部中协议字段值是50，表明在接收端，首部后面的有效载荷应交给ESP协议来处理

4. IPsec的其他构件

安全关联数据库SAD：存放SA，主机发送IP安全数据报时被查找获得必要信息，主机接收IP安全数据报时被查找获得信息来检查分组的安全性

安全策略数据库SPD：指明什么样的数据报需要进行IPsec处理（取决于源地址、源端口、目的地址、目的端口、以及协议的类型）

IP数据报到达时，SPA指出应当做什么（使用IP安全数据报或者不使用），SAD指出，如果使用IP安全数据报应当怎么做

创建SAD使用自动生成机制，使用互联网密钥交换IKE协议：为IP安全数据报创建安全关联SA

二、运输层安全协议

• 安全套接字层SSL
  • 作用在端系统应用层的HTTP和运输层之间
  • 在TCP之上建立起一个安全通道，为通过TCP传输的应用层数据提供安全保障
• 运输层安全TLS
  • SSL3.0的基础上设计出
  • 为所有基于TCP的网络应用提供安全数据传输服务

未使用SSL时，应用层的应用程序的数据是通过TCP套接字与运输层进行交互

• 应用层使用SSL最多的就是HTTP，但SSL并非仅用于HTTP，而是可用于任何应用层的协议

SSL提供的安全服务有三种：

• SSL服务器鉴别，允许用户证实服务器的身份
  • 支持SSL的客户端通过验证来自服务器的证书，来鉴别服务器的真实身份并获得服务器的公钥
• SSL客户鉴别，SSL的可选安全服务，允许服务器证实客户的身份
• 加密的SSL会话，对客户和服务器间发送的所有报文进行加密，并检测报文是否被篡改

SSL简要工作过程：

• 协商加密算法
  • 客户浏览器向服务浏览器发送浏览器的SSL版本号和一些可选的加密算法
  • 服务器浏览器从中选定自己所支持的算法，并告知客户
• 服务器鉴别：
  • 服务器向客户浏览器发送包含其RSA公钥的数字证书
  • 客户浏览器使用该证书的认证机构CA公开发布的RSA公钥对该证书进行验证
• 会话密钥计算：
  • 由客户浏览器随机产生一个秘密数
  • 用服务器的RSA公钥进行加密后发送给过去
  • 双方根据协商的算法产生共享的对称会话密钥
• 安全数据传输：
  • 双方用会话密钥加密和解密它们之间传送的数据并验证其完整性

三、应用层安全协议

电子邮件：单向报文的安全问题，发送电子邮件是即时的行为，双方无法沟通约定加密

电子邮件安全协议要求使用对称密钥算法进行加密和解密

PGP：完整的电子邮件安全软件包，包括加密、鉴别、电子签名和压缩等技术

PGP将现有的一些加密算法组合在一起而已

PGP不是互联网的正是标准

PGP：提供电子邮件的安全性、发送方鉴别和报文完整性

工作原理：

• 发送方：
  • 须有三个密钥：自己的私钥、接收者的公钥和自己生成的一次性密钥
  • 对明文邮件进行 MD5 运算，得出 MD5 报文摘要
  • 用自己的私钥对报文摘要加密（数字签名），得出报文鉴别码MAC，将其拼接在明文后面，得到扩展的邮件
  • 使用自己生成的一次性密钥对扩展的邮件进行加密
  • 用接收者的公钥对自己生成的一次性密钥进行加密
  • 把加了密的一次性密钥和加了密的扩展的邮件发送
• 接收方：
  • 须有：自己的私钥、发送方的公钥
  • 把被加密的一次性密钥和被加密的扩展报文分离开
  • 用自己的私钥解开发送者的一次性密钥
  • 用解开的一次性密钥对报文进行解密，然后分离出明文和MAC
  • 用发送者公钥对MAC进行解密（签名核实），得出报文摘要H，这个报文摘要就是发送者用明文邮件通过MD5运算生成的
  • 对分离出的明文邮件进行 MD5 报文摘要运算，得出另一个报文摘要
  • 比较这两个报文摘要是否一样，一样则对邮件的发送者的鉴别通过了，报文的完整性也得到肯定

双方不一定知道对方的公钥，可以使用双方知道的第三方来担保自己的公钥

第三方使用自己的密钥对发送方的公钥加密，接收方用第三方的公钥对发送方加密的公钥解密，进行鉴别