計算機網路——如何保證網路傳輸的安全性
阿新 • • 發佈：2020-05-15
# 一、前言
前幾天在面試時，被問到了如何保證網路資料傳輸的安全性的問題，當時對這一塊沒怎麼研究過，所以當時並沒有回答出來。所以，今天花了點時間，研究了一下這方面的內容。這篇部落格就來簡單說一說保證網路傳輸安全性的一些方式。
# 二、正文 ## 2.1 安全傳輸需要解決的問題 先有問題，才有解決方案，所以我們先來討論一下，網路傳輸中，需要解決哪些問題，才能保證安全。需要解決的問題大致有如下三個： 1. **傳送方鑑別**：確保接收到的資料，確實是由我們認為的那個人（或主機）傳送來的，而不是其他人以虛假身份傳送的； 2. **報文完整性**：確保我們接收到的報文就是傳送方傳送的初始報文，而沒有被第三方進行篡改； 3. **資料機密性**：確保報文即使被其他人截獲，也無法讀出其中的資訊，也就是要對資料加密； 如果上面三個問題都得到了解決，那我們基本上就可以保證資料傳輸是安全的。下面我們就針對上面三個問題，來談一談解決方案。
## 2.2 非對稱加密與對稱加密 在網路安全中，有兩個非常重要的概念，就是**對稱加密**和**非對稱加密**，後面要談的所有方案，都離不開這兩種機制。所以，在瞭解具體解決問題的方案前，我們先來了解這兩個概念。 **（一）對稱加密** 對稱加密的原理很簡單，就是資料的傳送方和接收方共享一個加密資料的金鑰，使用這個金鑰加密的資料，可以使用這個金鑰進行解密。而這個金鑰是隱私的，只有資料的傳送方和接收方知道，這也就意味著，其他人如果截獲了資料，由於這個資料使用了金鑰加密，而它沒有這個金鑰，所有無法解析出原始資料。 **（二）非對稱加密** 非對稱加密系統中，參與加密解密的共有兩個——**公鑰**和**私鑰**，使用私鑰加密的資料，只能用公鑰解密，而使用公鑰加密的資料，只能用私鑰解出。在非對稱加密系統中，每一臺主機都有自己的私鑰和公鑰，私鑰只有自己知道，而公鑰是公開的，可以讓所有主機知道。傳送方在傳送資料時，使用接收方的公鑰進行加密，而接收方使用自己的私鑰進行解密，即可完成隱私的資料傳輸。如果資料被其它人截獲，但是因為它沒有接收方的私鑰，所以無法解析出資料。 非對稱加密能夠工作的一個前提是，必須確保傳送方拿到的公鑰，就是接收方的公鑰，而不是其他人傳送來的假公鑰，如果公鑰是假的，那麼這個機制也就失去了意義。在實際應用中，解決這個問題的方式就是，每一臺主機的公鑰和私鑰，都是由官方機構所分配的，這些機構被稱為**認證中心**（``CA``）。``CA``在分配公鑰私鑰時，會嚴格地驗證身份，然後對身份進行繫結，而我們在獲取公鑰時，通過``CA``獲取，即可保證獲取到的公鑰就是接收方的。 需要注意的一點是，**非對稱加密的效率一般比較低，而對稱加密的效率相對較高**。下面，開始正式討論解決上面三個問題的方案。
## 2.3 解決資料機密性 **（一）非對稱加密** 1. 傳送方獲取接受方的公鑰，使用公鑰對需要傳送的資料進行加密，然後傳送； 2. 接受方接收到後，使用自己的私鑰進行解密，解析出資料； > 總結：因為只有接受方知道自己的私鑰，所以只有接受方能讀出資料。但是，非對稱加密的執行效率比較低，所以每一次資料傳輸都使用非對稱加密，**響應速度將會比較慢**；
**（二）非對稱加密 + 對稱加密（多次傳輸）** 為了解決非對稱加密效率較低的問題，我們可以使用對稱加密，但是同步對稱加密的金鑰，卻需要依賴於非對稱加密： 1. 傳送方隨機生成一個金鑰，然後獲取接受方的公鑰，使用公鑰加密這個金鑰，傳送給接受方； 2. 接收方接收到加密的金鑰後，使用自己的私鑰解析出金鑰，此時雙方就完成了金鑰同步； 3. 之後雙方傳送的所有資料，都可以使用這個金鑰進行加密解密； > 總結：由於私鑰只有接收方自己知道，所以這個金鑰不會被其他人截獲；同時使用對稱加密的速度，要高於非對稱加密，所以解決了上一個方案效率不高的問題；**需要注意，一般金鑰都比較短，所以使用非對稱加密對金鑰進行加密，一般比直接加密資料更快，而且只需要進行一次，所以速度能夠顯著提高**。 ``HTTPS``依賴於``SSL``保證資料傳輸的安全性，而``SSL``就是使用類似機制。
**（三）非對稱加密 + 對稱加密（單次傳輸）** 如果傳送方只是需要向接收方傳送一次資料，那先進行一次金鑰同步可能有些浪費時間，可以使用如下方案解決： 1. 傳送方隨機生成一個金鑰，然後使用這個金鑰對資料進行加密； 2. 傳送方使用接收方的公鑰對資料金鑰進行加密，然後將加密的資料和加密的金鑰傳送； 3. 接收方首先使用自己的私鑰解析出金鑰，然後使用解析出的金鑰將資料解析出來； > 總結：此方案適合於進行單次資料傳送，因為不需要進行金鑰的同步，而是將金鑰與資料一同傳送；同時，這個金鑰使用了接收方的公鑰加密，所以這個金鑰只有接收方自己能解析出來，而其他人解析不出金鑰，自然無法解析資料；
## 2.4 同時解決傳送方鑑別和報文完整性 下面我們來說說解決傳送方鑑別和報文完整性的方案。有一個經典的方案能夠同時解決這兩個問題，其過程如下： 1. 傳送方使用一個``hash``演算法（如``MD5``、``SHA-1``），計算需要傳送的資料的``hash``值； 2. 使用自己的私鑰，對計算出的``hash``值進行加密； 3. 將原始資料和加密後的``hash``值傳送到接收方； 4. 接收方使用傳送方的公鑰解析出加密後的``hash``值； 5. 使用與傳送方相同的``hash``演算法，計算接收到的資料的``hash``值，與解析出的``hash``值進行比較； 6. 若這兩個``hash``值一致，表示這個資料並沒有被篡改； > 總結： > > 1、首先，hash值是用傳送方的私鑰加密，私鑰只有傳送方自己知道，如果接收方能夠使用傳送方的公鑰解密，那就說明這個資料就是預期中的傳送方發的，不可能是其他人發的，於是完成了傳送方鑑別； > > 2、接收方使用同樣的hash演算法，計算原始資料的hash值，如果這個hash值與解密後的hash值一致，則就能保證這個資料沒有被篡改； > > 上面兩步中，但凡有一步出現了錯誤，就認為這是一個髒資料； 這個方案被稱為**數字簽名**。為什麼是計算出``hash``值，對``hash``值加密，而不是直接使用私鑰對資料加密？這是因為``hash``值比較小，加密解密比較快。
## 2.5 同時解決三個問題的方案 上面提到的三個問題中，但凡有一個沒有解決，資料傳輸都是不可靠的，這裡我們就通過上面提到的幾個辦法，來同時解決三個問題。辦法很簡單，直接將上面解決方案進行整合即可： 1. 首先，我們使用``2.4``中所提出的辦法，對資料進行處理，也就是計算``hash``，然後使用自己的私鑰加密``hash``； 2. 然後，將第一步計算出的``hash``與原始資料組合，使用``2.3``中提出的非對稱加密 + 對稱加密的方式，進行加密，加密之後再進行傳送，保證資料的隱祕性； 3. 接收方接收到資料後，使用``2.3``中的過程對資料解密，得到原始資料和加密後的``hash``； 4. 使用``2.4``中的方式完成傳送方鑑別以及資料完整性校驗； > 總結：上面的方式非常簡單，就是將我們之前提過的加密，以及2.4中的方案組合，以此來同時解決三個問題。這是一個非常常用的方案，比如安全的郵件傳輸協議的實現就使用了類似方案。
## 2.6 解決傳送方鑑別的其他方案 假設接收方和傳送方有一個共享的金鑰，則可以使用以下方式進行身份鑑別： 1. 傳送方向接收方傳送自己的身份，比如傳送一個“我是xxx”； 2. 接收方為了驗證不是其他人傳送的虛假資料，向傳送方傳送一個隨機數，這個隨機數短時間內不會重複； 3. 傳送方使用它們共享的金鑰，對這個隨機數加密後發回接收方； 4. 接收方接收後，使用金鑰解密，如果確實是自己之前傳送出去的隨機數，即可確認對方身份； 這裡存在的問題是如何讓接收方和傳送方有一個共享金鑰，其實就可以通過``2.3``節中第二個方案提到的，使用非對稱加密的方式同步金鑰。 > 總結： > > 1、由於金鑰只有傳送方和接收方知曉，所以如果傳送方能夠將加密後的隨機數發回，即可確認它的身份； > > 2、為什麼不直接使用加密後的身份資訊傳送，而是使用隨機數？因為如果這個加密後的身份資料被截獲，其他人不需要進行解密，只需要向接收方傳送這個加密後的身份，即可偽造自己的身份；
## 2.7 解決資料完整性的其他方案 假設傳送方和接收方有一個共享的金鑰，則可以使用如下步驟保證資料完整性： 1. 傳送方將原始資料與金鑰拼接，然後計算拼接後的``hash``值，將這個``hash``值與原始資料一同傳送； 2. 接收方接收到後，同樣將原始資料和金鑰拼接，並計算``hash``值，然後與發來的``hash``值比較； 3. 若``hash``值一致，可以保證這個資料沒有修改，否則就是被篡改的資料； > 總結：由於拼接進原始資料的金鑰只有傳輸雙方知道，這個hash值只有它們雙方能計算出來，所以如果hash值不一致，即可認為資料是有問題的。 這個方案叫**報文鑑別碼**，和前面提過的數字簽名有些類似，但是不同的是，這個方案中，並不需要對傳送的資料進行加密，只是計算``hash``作為鑑別碼，只要保證金鑰不被竊取，即可保證資料的完整性。
## 2.8 如何防止傳送方自己傳送虛假資料 需要注意的一點是，我們上面所提出的方案，都是針對第三方侵入的解決方法，也就是防止除傳送方和接收方外，有其他人對資料傳輸做手腳。但是，如果傳送方自己篡改資料，或偽造資料，然後傳送，這應該怎麼解決呢？接收方如何能夠識別出接收到的資料就是原始資料，而不是傳送方自己篡改或傳送的虛假資料呢？這是我最近一直在想的問題。 在這種情況下，我們需要考慮的是，傳送資料的使用者可以做到什麼程度？由於傳送資料的裝置就在傳送者手上，是不是意味著資料傳送過程中的金鑰等資訊，使用者是可以通過一些手段看到的？如果是可以，那上面所說的機制應該就沒法保證安全性了。但是，本人水平有限，並不清楚有戶對於傳送到自己裝置上的資料，可以竊取到什麼程度。希望瞭解這個問題的人能夠為我解答。 當然，上面的機制可能沒辦法保證完全可靠，但是也有很大的效果。比如說報文鑑別碼就能解決使用者自己篡改自己的資料這個問題。如果使用者沒有獲取到金鑰，則它自然無法傳送虛假資料，因為沒有金鑰就沒有辦法計算出虛假資料的``hash``。雖然使用者可能可以通過一些手段，獲取到這個金鑰，但是過程是應該是非常複雜的，這就對竊取的技術要求非常高，所以在大部分情況下可以保證資料不被篡改。 說實話，對於使用者自己傳送虛假資料這個問題，由於我知識水平不足，一直無法想清楚，網上也沒有找到相關的資料，所以上面的描述都是基於我目前的理解。如果有了解這個問題相關知識，以及解決方案的，麻煩告知。
# 三、總結 以上就對資料的安全傳輸方案做了一個大致的介紹，歸根到底，就是基於資料隱祕性，報文完整性以及傳送方鑑別這三個問題，這三者缺一不可，只有全部解決，才能保證傳輸的可靠。 希望上面的內容對需要了解這一方面的人有所幫助，若存在錯誤或不足，也歡迎指正。
# 四、參考 - 《計算機網路——自頂向下方法（原書第七
# 二、正文 ## 2.1 安全傳輸需要解決的問題 先有問題，才有解決方案，所以我們先來討論一下，網路傳輸中，需要解決哪些問題，才能保證安全。需要解決的問題大致有如下三個： 1. **傳送方鑑別**：確保接收到的資料，確實是由我們認為的那個人（或主機）傳送來的，而不是其他人以虛假身份傳送的； 2. **報文完整性**：確保我們接收到的報文就是傳送方傳送的初始報文，而沒有被第三方進行篡改； 3. **資料機密性**：確保報文即使被其他人截獲，也無法讀出其中的資訊，也就是要對資料加密； 如果上面三個問題都得到了解決，那我們基本上就可以保證資料傳輸是安全的。下面我們就針對上面三個問題，來談一談解決方案。
## 2.2 非對稱加密與對稱加密 在網路安全中，有兩個非常重要的概念，就是**對稱加密**和**非對稱加密**，後面要談的所有方案，都離不開這兩種機制。所以，在瞭解具體解決問題的方案前，我們先來了解這兩個概念。 **（一）對稱加密** 對稱加密的原理很簡單，就是資料的傳送方和接收方共享一個加密資料的金鑰，使用這個金鑰加密的資料，可以使用這個金鑰進行解密。而這個金鑰是隱私的，只有資料的傳送方和接收方知道，這也就意味著，其他人如果截獲了資料，由於這個資料使用了金鑰加密，而它沒有這個金鑰，所有無法解析出原始資料。 **（二）非對稱加密** 非對稱加密系統中，參與加密解密的共有兩個——**公鑰**和**私鑰**，使用私鑰加密的資料，只能用公鑰解密，而使用公鑰加密的資料，只能用私鑰解出。在非對稱加密系統中，每一臺主機都有自己的私鑰和公鑰，私鑰只有自己知道，而公鑰是公開的，可以讓所有主機知道。傳送方在傳送資料時，使用接收方的公鑰進行加密，而接收方使用自己的私鑰進行解密，即可完成隱私的資料傳輸。如果資料被其它人截獲，但是因為它沒有接收方的私鑰，所以無法解析出資料。 非對稱加密能夠工作的一個前提是，必須確保傳送方拿到的公鑰，就是接收方的公鑰，而不是其他人傳送來的假公鑰，如果公鑰是假的，那麼這個機制也就失去了意義。在實際應用中，解決這個問題的方式就是，每一臺主機的公鑰和私鑰，都是由官方機構所分配的，這些機構被稱為**認證中心**（``CA``）。``CA``在分配公鑰私鑰時，會嚴格地驗證身份，然後對身份進行繫結，而我們在獲取公鑰時，通過``CA``獲取，即可保證獲取到的公鑰就是接收方的。 需要注意的一點是，**非對稱加密的效率一般比較低，而對稱加密的效率相對較高**。下面，開始正式討論解決上面三個問題的方案。
## 2.3 解決資料機密性 **（一）非對稱加密** 1. 傳送方獲取接受方的公鑰，使用公鑰對需要傳送的資料進行加密，然後傳送； 2. 接受方接收到後，使用自己的私鑰進行解密，解析出資料； > 總結：因為只有接受方知道自己的私鑰，所以只有接受方能讀出資料。但是，非對稱加密的執行效率比較低，所以每一次資料傳輸都使用非對稱加密，**響應速度將會比較慢**；
**（二）非對稱加密 + 對稱加密（多次傳輸）** 為了解決非對稱加密效率較低的問題，我們可以使用對稱加密，但是同步對稱加密的金鑰，卻需要依賴於非對稱加密： 1. 傳送方隨機生成一個金鑰，然後獲取接受方的公鑰，使用公鑰加密這個金鑰，傳送給接受方； 2. 接收方接收到加密的金鑰後，使用自己的私鑰解析出金鑰，此時雙方就完成了金鑰同步； 3. 之後雙方傳送的所有資料，都可以使用這個金鑰進行加密解密； > 總結：由於私鑰只有接收方自己知道，所以這個金鑰不會被其他人截獲；同時使用對稱加密的速度，要高於非對稱加密，所以解決了上一個方案效率不高的問題；**需要注意，一般金鑰都比較短，所以使用非對稱加密對金鑰進行加密，一般比直接加密資料更快，而且只需要進行一次，所以速度能夠顯著提高**。 ``HTTPS``依賴於``SSL``保證資料傳輸的安全性，而``SSL``就是使用類似機制。
**（三）非對稱加密 + 對稱加密（單次傳輸）** 如果傳送方只是需要向接收方傳送一次資料，那先進行一次金鑰同步可能有些浪費時間，可以使用如下方案解決： 1. 傳送方隨機生成一個金鑰，然後使用這個金鑰對資料進行加密； 2. 傳送方使用接收方的公鑰對資料金鑰進行加密，然後將加密的資料和加密的金鑰傳送； 3. 接收方首先使用自己的私鑰解析出金鑰，然後使用解析出的金鑰將資料解析出來； > 總結：此方案適合於進行單次資料傳送，因為不需要進行金鑰的同步，而是將金鑰與資料一同傳送；同時，這個金鑰使用了接收方的公鑰加密，所以這個金鑰只有接收方自己能解析出來，而其他人解析不出金鑰，自然無法解析資料；
## 2.4 同時解決傳送方鑑別和報文完整性 下面我們來說說解決傳送方鑑別和報文完整性的方案。有一個經典的方案能夠同時解決這兩個問題，其過程如下： 1. 傳送方使用一個``hash``演算法（如``MD5``、``SHA-1``），計算需要傳送的資料的``hash``值； 2. 使用自己的私鑰，對計算出的``hash``值進行加密； 3. 將原始資料和加密後的``hash``值傳送到接收方； 4. 接收方使用傳送方的公鑰解析出加密後的``hash``值； 5. 使用與傳送方相同的``hash``演算法，計算接收到的資料的``hash``值，與解析出的``hash``值進行比較； 6. 若這兩個``hash``值一致，表示這個資料並沒有被篡改； > 總結： > > 1、首先，hash值是用傳送方的私鑰加密，私鑰只有傳送方自己知道，如果接收方能夠使用傳送方的公鑰解密，那就說明這個資料就是預期中的傳送方發的，不可能是其他人發的，於是完成了傳送方鑑別； > > 2、接收方使用同樣的hash演算法，計算原始資料的hash值，如果這個hash值與解密後的hash值一致，則就能保證這個資料沒有被篡改； > > 上面兩步中，但凡有一步出現了錯誤，就認為這是一個髒資料； 這個方案被稱為**數字簽名**。為什麼是計算出``hash``值，對``hash``值加密，而不是直接使用私鑰對資料加密？這是因為``hash``值比較小，加密解密比較快。
## 2.5 同時解決三個問題的方案 上面提到的三個問題中，但凡有一個沒有解決，資料傳輸都是不可靠的，這裡我們就通過上面提到的幾個辦法，來同時解決三個問題。辦法很簡單，直接將上面解決方案進行整合即可： 1. 首先，我們使用``2.4``中所提出的辦法，對資料進行處理，也就是計算``hash``，然後使用自己的私鑰加密``hash``； 2. 然後，將第一步計算出的``hash``與原始資料組合，使用``2.3``中提出的非對稱加密 + 對稱加密的方式，進行加密，加密之後再進行傳送，保證資料的隱祕性； 3. 接收方接收到資料後，使用``2.3``中的過程對資料解密，得到原始資料和加密後的``hash``； 4. 使用``2.4``中的方式完成傳送方鑑別以及資料完整性校驗； > 總結：上面的方式非常簡單，就是將我們之前提過的加密，以及2.4中的方案組合，以此來同時解決三個問題。這是一個非常常用的方案，比如安全的郵件傳輸協議的實現就使用了類似方案。
## 2.6 解決傳送方鑑別的其他方案 假設接收方和傳送方有一個共享的金鑰，則可以使用以下方式進行身份鑑別： 1. 傳送方向接收方傳送自己的身份，比如傳送一個“我是xxx”； 2. 接收方為了驗證不是其他人傳送的虛假資料，向傳送方傳送一個隨機數，這個隨機數短時間內不會重複； 3. 傳送方使用它們共享的金鑰，對這個隨機數加密後發回接收方； 4. 接收方接收後，使用金鑰解密，如果確實是自己之前傳送出去的隨機數，即可確認對方身份； 這裡存在的問題是如何讓接收方和傳送方有一個共享金鑰，其實就可以通過``2.3``節中第二個方案提到的，使用非對稱加密的方式同步金鑰。 > 總結： > > 1、由於金鑰只有傳送方和接收方知曉，所以如果傳送方能夠將加密後的隨機數發回，即可確認它的身份； > > 2、為什麼不直接使用加密後的身份資訊傳送，而是使用隨機數？因為如果這個加密後的身份資料被截獲，其他人不需要進行解密，只需要向接收方傳送這個加密後的身份，即可偽造自己的身份；
## 2.7 解決資料完整性的其他方案 假設傳送方和接收方有一個共享的金鑰，則可以使用如下步驟保證資料完整性： 1. 傳送方將原始資料與金鑰拼接，然後計算拼接後的``hash``值，將這個``hash``值與原始資料一同傳送； 2. 接收方接收到後，同樣將原始資料和金鑰拼接，並計算``hash``值，然後與發來的``hash``值比較； 3. 若``hash``值一致，可以保證這個資料沒有修改，否則就是被篡改的資料； > 總結：由於拼接進原始資料的金鑰只有傳輸雙方知道，這個hash值只有它們雙方能計算出來，所以如果hash值不一致，即可認為資料是有問題的。 這個方案叫**報文鑑別碼**，和前面提過的數字簽名有些類似，但是不同的是，這個方案中，並不需要對傳送的資料進行加密，只是計算``hash``作為鑑別碼，只要保證金鑰不被竊取，即可保證資料的完整性。
## 2.8 如何防止傳送方自己傳送虛假資料 需要注意的一點是，我們上面所提出的方案，都是針對第三方侵入的解決方法，也就是防止除傳送方和接收方外，有其他人對資料傳輸做手腳。但是，如果傳送方自己篡改資料，或偽造資料，然後傳送，這應該怎麼解決呢？接收方如何能夠識別出接收到的資料就是原始資料，而不是傳送方自己篡改或傳送的虛假資料呢？這是我最近一直在想的問題。 在這種情況下，我們需要考慮的是，傳送資料的使用者可以做到什麼程度？由於傳送資料的裝置就在傳送者手上，是不是意味著資料傳送過程中的金鑰等資訊，使用者是可以通過一些手段看到的？如果是可以，那上面所說的機制應該就沒法保證安全性了。但是，本人水平有限，並不清楚有戶對於傳送到自己裝置上的資料，可以竊取到什麼程度。希望瞭解這個問題的人能夠為我解答。 當然，上面的機制可能沒辦法保證完全可靠，但是也有很大的效果。比如說報文鑑別碼就能解決使用者自己篡改自己的資料這個問題。如果使用者沒有獲取到金鑰，則它自然無法傳送虛假資料，因為沒有金鑰就沒有辦法計算出虛假資料的``hash``。雖然使用者可能可以通過一些手段，獲取到這個金鑰，但是過程是應該是非常複雜的，這就對竊取的技術要求非常高，所以在大部分情況下可以保證資料不被篡改。 說實話，對於使用者自己傳送虛假資料這個問題，由於我知識水平不足，一直無法想清楚，網上也沒有找到相關的資料，所以上面的描述都是基於我目前的理解。如果有了解這個問題相關知識，以及解決方案的，麻煩告知。
# 三、總結 以上就對資料的安全傳輸方案做了一個大致的介紹，歸根到底，就是基於資料隱祕性，報文完整性以及傳送方鑑別這三個問題，這三者缺一不可，只有全部解決，才能保證傳輸的可靠。 希望上面的內容對需要了解這一方面的人有所幫助，若存在錯誤或不足，也歡迎指正。
# 四、參考 - 《計算機網路——自頂向下方法（原書第七