CH4 信息安全技术体系与技术
技术总纲 · 按「目标 → 服务 → 机制 → 技术」串一遍 · 配套作业2(安全服务与机制 / 密码 / 鉴别 / 访问控制)
🎯学习目标
读完这一章,你应该能回答:
- 网络空间安全的五重屏障是什么?(进不来/拿不走/改不了/看不懂/跑不掉/打不垮)
- OSI 安全体系结构(GB/T 18794)里,安全服务和安全机制有什么区别?
- 五种安全服务和八种安全机制分别是什么?怎么对应协议层?
- 信息系统安全体系框架的三大体系是什么?为什么说"三分技术七分管理"?
- 核心技术:对称/公钥密码、MAC、数字签名、完整性、鉴别、访问控制怎么工作?
1网络空间安全的五重屏障
国际信息系统安全认证组织 ISC² 把信息安全划分为 5 重屏障、共 10 大领域。课件用一句很口语化的话来记忆——让攻击者:
| 通俗说法 | 对应安全目标 | 对应技术 |
|---|---|---|
| 进不来 | 访问控制 | 身份鉴别、防火墙、访问控制 |
| 拿不走 | 访问控制 + 机密性 | 访问控制、加密 |
| 改不了 | 完整性 | 数据完整性技术(MAC/摘要/签名) |
| 看不懂 | 机密性 | 加密技术 |
| 跑不掉 | 抗抵赖 + 可审计 | 安全审计、抗抵赖(数字签名) |
| 打不垮 | 可用性 | 备份恢复、高可用、容灾 |
2OSI 安全体系结构:服务 vs 机制 ⭐
本章核心标准是 开放系统互连安全体系结构(GB/T 18794)。它提出了两个最容易考、又最容易混的概念:
安全服务
Security Service加强数据处理系统和信息传输安全性的一类服务/功能。目的是利用一种或多种机制保障系统安全。
例:机密性服务、抗抵赖服务
安全机制
Security Mechanism用来保护/保障信息系统安全的一种或一类技术的总称。是落地手段。
例:加密、数字签名、访问控制
| 安全服务(Service) | 安全机制(Mechanism) | |
|---|---|---|
| 本质 | 功能 / 目标 | 技术 / 手段 |
| 回答的问题 | "我要达到什么效果" | "我用什么方法实现" |
| 数量 | 5 种 | 8 种基本 + 5 种普遍 |
| 举例 | 机密性、完整性、抗抵赖 | 加密、签名、访问控制 |
例:机密性服务 → 由"加密机制"实现;完整性服务 → 由"数据完整性机制 / 数字签名"实现。
3五种安全服务(必背)⭐
OSI 安全模型提供 5 种安全服务。记忆口诀:鉴 · 控 · 密 · 整 · 赖(鉴别、访问控制、机密性、完整性、抗抵赖)。
① 鉴别服务
对通信中的对等实体和数据来源进行鉴别,确认身份真实。
对等实体鉴别 / 数据源(数据原发)鉴别② 访问控制
保护以对抗对可访问资源的非授权使用。
合法主体访问合法客体③ 数据机密性
使数据不被非授权泄漏(防偷看)。
连接 / 无连接 / 选择字段 / 业务流机密性④ 数据完整性
对数据做完整性检验;连接状态下被篡改/插入/删除还能补救或恢复。
可恢复/不可恢复连接完整性、选择字段、无连接完整性⑤ 抗抵赖
保留发送证据和交付证据,双方都不能赖账。
数据源证明 / 交付证明的抗抵赖🎮 小练习:把"安全服务"和"它防的事"连起来
先点左边一个服务,再点右边对应的作用。连对会变绿。
4八种安全机制(必背)⭐
OSI 安全体系结构给出 8 种基本安全机制,外加 5 种普遍(其他)安全机制。
| 机制 | 作用 / 要点 |
|---|---|
| ① 加密 | 既为数据提供机密性,也为通信业务流提供机密性,还为其他机制做补充;可配置在多个协议层。 |
| ② 数字签名 | 完成对数据单元的签名,也可验证已有签名;必须不可伪造、不可抵赖。 |
| ③ 访问控制 | 按实体的访问权限访问指定资源;非授权访问应有报警/审计跟踪。 |
| ④ 数据完整性 | 发送端产生与数据单元相关的附加码,接收端验证。 |
| ⑤ 鉴别交换 | 用密码技术,发送方提供、接收方验证;通过"握手"协议防重放。 |
| ⑥ 通信业务流填充 | 填充无用流量,对抗业务量(流量)分析;只有受机密服务保护时才有效。 |
| ⑦ 路由选择控制 | 动态/预选安全可靠的路由;发现非法处理可另选安全路由。 |
| ⑧ 公证 | 由第三方公证数据的完整性、原发性、时间、目的地等。 |
5服务 × 机制 × 协议层 的对应关系
课件用矩阵描述"哪种服务能用哪些机制实现",以及"哪种服务在 TCP/IP 哪一层提供"。下面是简化的服务—机制对应矩阵(✔表示该机制可实现该服务):
| 安全服务\机制 | 加密 | 数字签名 | 访问控制 | 数据完整性 | 鉴别交换 | 业务流填充 | 路由控制 | 公证 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 对等实体鉴别 | ✔ | ✔ | ✔ | |||||
| 数据源鉴别 | ✔ | ✔ | ||||||
| 访问控制 | ✔ | |||||||
| 数据机密性 | ✔ | ✔ | ✔ | |||||
| 数据完整性 | ✔ | ✔ | ✔ | |||||
| 抗抵赖 | ✔ | ✔ | ✔ |
安全服务与 TCP/IP 协议层的关系(部分)
不同服务在不同层实现。抗抵赖、选择字段相关服务只在应用层提供;连接/无连接机密性各层都能做。
| 安全服务 | 网络接口层 | 网络层 | 传输层 | 应用层 |
|---|---|---|---|---|
| 对等实体鉴别 | - | Y | Y | Y |
| 数据源鉴别 | - | Y | Y | Y |
| 访问控制服务 | - | Y | Y | Y |
| 连接机密性 | Y | Y | Y | Y |
| 选择字段机密性 | - | - | - | Y |
| 流量保密性 | Y | Y | - | Y |
| 源发方抗抵赖 | - | - | - | Y |
| 接收方抗抵赖 | - | - | - | Y |
6信息系统安全体系框架(技术/组织/管理三体系)
信息系统安全的总需求 = 物理安全 + 网络安全 + 信息内容安全 + 应用系统安全 + 安全管理 的总和;最终目标是确保信息的机密性、完整性、可用性、可控性和抗抵赖性。完整的安全体系由三大体系共同构建:
安全体系框架
🧱 安全技术的五个层次
安全防范技术体系划分为五个层次(从底到顶):
7加密机制(核心技术)
加密是 8 大机制之首:既提供机密性,也为其他机制做补充。分两大体制:
7.1 对称密码
- 加解密用同一把密钥;使用方便、速度快、错误扩散小。
- 最大缺陷:密钥分发问题—— n 个人两两通信需要
n(n-1)/2把密钥。 - 两类:序列密码(流密码)逐比特加密、错误扩散低;分组密码固定长度分组加密、扩散性好、对插入/修改有免疫性,但加密速度慢。
7.2 公钥(非对称)密码
- 一对密钥:公钥(公开)+ 私钥(保密)。
- RSA(1977):一个算法实现签名和加密。私钥→签名/解密;公钥→验证/加密。
- ECC(椭圆曲线,1985):更小的密钥长度、更快,功能同 RSA。
- 两种用法:公钥加密→私钥解密(保密);私钥签名→公钥验证(身份鉴别)。
| 对比项 | 对称密码 | 公钥密码 |
|---|---|---|
| 密钥 | 收发同一把 | 公钥 + 私钥一对 |
| 速度 | 快 | 慢 |
| 密钥分发 | 难(n(n-1)/2 把) | 易(公钥可公开) |
| 典型用途 | 大量数据加密 | 密钥分发、数字签名 |
| 典型算法 | DES/AES、流密码 | RSA、ECC |
100×99/2 = 4950 把——这就是为什么需要公钥来解决密钥分发。8消息鉴别 MAC(Message Authentication Code)
MAC 同时验证消息完整性和消息来源。双方共享密钥 K:
- 攻击者改了 M0 但不知道 K,无法生成匹配的 MAC,篡改会被发现。
- 也能防止消息被整体替换(攻击者不知 K,造不出正确 MAC)。
- 缺点:没有保密作用,且需要共享密钥(有密钥分发问题)。
9数字签名机制(重点)⭐
9.1 签名 + 验证全过程(鲍勃 & 苏珊)
- 鲍勃有公钥+私钥,把公钥发给朋友们。
- 回信时先用 Hash 函数对信件生成摘要。
- 用私钥对摘要签名(注意:是签名,不是加密),生成"数字签名 DS"。
- 把 DS 附在信后一起发给苏珊。
- 苏珊用鲍勃的公钥验证签名得到摘要 MD1 → 证明信确实是鲍勃发的。
- 苏珊再对信件本身算 Hash 得 MD2,与 MD1 对比,一致说明没被改。
9.2 数字签名的 5 个作用
① 身份鉴别
能用 A 公钥解开 → 一定是 A 用私钥签的。
② 防假冒
C 没有 A 私钥,无法假冒 A 签名。
③ 抗抵赖
私钥只有 A 有,A 不能否认发过。
④ 防篡改
C 改了消息但没私钥重签,验证不过。
⑤ 法律效力
多数国家承认与手工签名同等效力(如 U 盾转账)。
9.3 先签名后加密 vs 数字信封
10访问控制机制
访问控制的作用涉及机密性、完整性和可用性。其核心是:合法的主体访问合法的客体。
- 目标:防止对任何资源(计算/通信/信息资源)进行未授权访问,使资源在授权范围内使用,决定"用户能做什么"。
- 最小特权原则:用户和代表用户的进程只应拥有完成其职责所需的最小权限集合,不给超出任务所需的特权。
- 两类未授权访问:① 非法用户使用系统资源;② 合法用户对资源的非法使用。
(S, A, O) = 主体 Subject、访问操作 Access、客体 Object。模型分类(详见 CH6):DAC(自主,含 ACL/能力表/访问矩阵)、MAC(强制,含 BLP保密性 / Biba完整性 / Clark-Wilson / Chinese Wall)、RBAC(基于角色)。11数据完整性机制
11.1 四种提供完整性的方式
① 密码学
对称→密封(密码检验值);非对称→数字签名。
② 上下文
数据重复(多份拷贝比对)+ 预共识上下文(特定时间/地点)。
③ 探测和确认
正馈等幂运算反复执行直到确认;不适用于数据存储。
④ 阻止
通过访问控制阻止对存储/传输媒体的物理访问。
11.2 技术实现基本思路(信息验证码)
- 发送方对原信息 M0 产生验证码 C0;
- 把 M0 和 C0 一起发送;
- 接收方分离出 M1、C1;
- 接收方对 M1 用同样函数算出 C2;
- 比较 C2 与 C1:相等→完整,不等→被篡改。
11.3 六种典型实现机制(逐步改进)
| 机制 | 要点 / 缺点 |
|---|---|
| ① 基于数据校验(CRC) | 缺点:攻击者可同时改数据和 CRC,检测不出。 |
| ② 校验码 + 对称加密 | 密钥只有双方知道,解决①;但有密钥分发问题。 |
| ③ 非对称 + 对称结合 | 用对方公钥包装一次性对称密钥 K1,解决密钥分发、防重放。 |
| ④ 基于 RSA 数字签名 | 私钥加密整条消息,靠"解密后是否有意义"判断;无保密作用、速度慢。 |
| ⑤ 基于 MAC | 共享密钥算 MAC;无保密作用。 |
| ⑥ 基于消息摘要(Hash) | 不需共享密钥、有效率高,是常用方案;与加密结合可同时防"改消息+改摘要"。 |
12鉴别交换机制
鉴别机制以交换信息的方式确认实体真实身份,用来对抗假冒威胁。所有其他安全服务都依赖于该服务。
你所知道的
What you know口令、密码、知识
你所拥有的
What you have身份证、智能卡、令牌、钥匙
你的个人特征
What you are指纹、虹膜、声音、脸型、视网膜
结合两个/多个因素即双因素 / 多因素认证。鉴别可分:单向/双向/第三方鉴别;本地/远程鉴别。
13其他机制(业务流填充 / 路由控制 / 抗抵赖 / 公证 / 审计)
| 机制 | 要点 |
|---|---|
| 通信业务流填充 | 填充无用流量,提供不同级别保护,对抗业务量分析;只有受机密服务保护时才有效。 |
| 路由选择控制 | 动态/预选物理上安全可靠的子网/链路;发现连续性非法处理时另选安全路由并告警。 |
| 抗抵赖 | 生成、收集、维护证据,解决"做没做过"的争议。两种思路:直接数字签名法(凭自身特性)vs 仲裁数字签名(借可信第三方公证)。 |
| 公证 | 由第三方公证完整性、信源、通信时间和目的地、密钥分配、数字签名等;可仲裁或判决方式。 |
| 安全审计和报警 | 事后审计检测安全策略执行情况与遭破坏情况;审计跟踪的存在对攻击有威慑作用。日志=安全机制,分析报告=安全管理功能。 |
⭐重点例题精讲(来自作业2)
下面把作业2中与本章直接相关的高频考点,逐一拆解讲透。
例题1 · 安全服务 vs 安全机制的区别(作业2·简答1)
安全机制是实现这些服务的技术手段("用什么方法"),有 8 种基本机制:加密、数字签名、访问控制、数据完整性、鉴别交换、通信业务流填充、路由选择控制、公证。
关系:二者多对多——一个服务可由多个机制实现,一个机制可支撑多个服务。例:机密性服务由加密机制实现;完整性服务由数据完整性机制和数字签名机制共同支撑。
例题2 · 对称 vs 公钥密码体制比较(作业2·简答2)
密钥管理:对称密钥需安全分发,n 人需
n(n-1)/2 把,分发困难;公钥的公钥可公开,分发容易。应用场景:对称→数据加密;公钥→密钥分发和数字签名。实际常结合使用(数字信封:对称加密数据 + 公钥加密对称密钥)。
例题3 · MAC 的主要作用(作业2·选择7)
例题4 · 数字签名不能直接提供什么(作业2·选择4)
例题5 · 先签名后加密(作业2·案例3 电子合同)
② 用一次性对称密钥 K1 加密 M(机密性,速度快);
③ 用接收方公钥加密 K1(数字信封,解决密钥分发);
④ 顺序须先签名后加密,防止攻击者换签名。
各部分分工:消息摘要=完整性指纹;数字签名=抗抵赖+来源;对称加密=快速加密正文;公钥加密=安全分发对称密钥。引入可信第三方/时间戳可进一步解决"私钥被盗抵赖""消息时间先后"等争议。
例题6 · 访问控制原则(作业2·选择5)
例题7 · 业务流填充对抗什么(作业2·选择8)
15本章小结
- 五重屏障:进不来 / 拿不走 / 改不了 / 看不懂 / 跑不掉 / 打不垮。
- OSI 安全体系(GB/T 18794):5 种服务(鉴别、访问控制、机密性、完整性、抗抵赖)+ 8 种机制,服务与机制多对多。
- 安全体系框架 = 技术 + 组织 + 管理三体系,"三分技术七分管理";安全技术分物理/系统/网络/应用/管理五层。
- 核心技术:对称/公钥密码(密钥分发 n(n-1)/2)、MAC、数字签名、完整性、鉴别、访问控制。
- 数字签名 = 私钥签名 + 公钥验证 + Hash 摘要,5 个作用,先签名后加密,数字信封提速。
📄 配套作业2 📘 继续:CH5 鉴别技术 📗 继续:CH6 访问控制
🎯自测(点击展开参考要点)
安全服务和安全机制有什么区别?举例说明二者关系。
五重屏障分别对应哪些安全目标?
对称密码和公钥密码各有什么优缺点?
简述数字签名的签名与验证过程。
为什么要"先签名后加密"而不是"先加密后签名"?
数据完整性的四种提供方式是什么?
鉴别交换的三种途径?鉴别和认证的区别?
抗抵赖的两种基本思路?
📝强化题库(32 选择 + 32 填空 = 64 题)
覆盖本章全部知识点,含【作业举一反三】变体题。选择题点选即时判分;填空题输入后点"检查"或"显示答案"。