网络与协议安全复习 - 密钥分配和用户认证

网络与协议安全复习 - 密钥分配和用户认证

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/infinity_heaven/article/details/139607313

网络安全是当今数字化时代的重要议题，其中密钥分配和用户认证是保障信息安全的关键环节。本文将从对称加密和非对称加密两个角度，详细探讨密钥分配的实现方法，并重点介绍NS协议、Kerberos协议等主流的身份认证机制。此外，还将深入解析X.509认证服务和PKI（公钥基础设施）的工作原理，帮助读者全面了解网络与协议安全的核心内容。

密钥分配

基于对称加密的密钥分配

密钥分发能用很多种方法实现。A和B的可选方法：

• A 选择一个密钥后以物理的方式传递给 B（适合小范围）；
• 第三方选择密钥后物理地传递 A 和 B（适合小范围）；
• 如果 A 和 B 先前或者最近使用过一个密钥，则一方可以将新密钥用旧密钥加密后发送给另一方（如果一个密钥泄露，随后所有密钥全部不再安全）；
• 如果A和B到第三方C有加密连接，则C可以在加密连接上传送密钥给A和B(A与C、B与C共享主密钥，C通过与A、B的共享主密钥分发A、B通信的临时会话密钥。 C是密钥分发中心)。

基于非对称加密的密钥分配

见下方非对称密钥分配部分。

身份认证

NS 协议

典型的基于密钥分配中心KDC的方法：Needham-Schroeder 协议。其中 KDC 负责为用户 A 和 B 之间的通信产生会话密钥。具体流程如下图：

• 算法流程：
  （1）A 向 KDC 发送附加随机数N 1 N_1N1 的I D A , I D B ID_A, ID_BIDA ,IDB （个人理解N 1 N_1N1 是为了加密 ID），KDC验证 A 和 B 的身份；
  （2）A 安全获得 KDC 返回的新会话密钥K s K_sKs ，通过接收到的N 1 N_1N1 验证不是重放。
  （3）A 将 KDC 加密后的部分发送给 B，此时该加密部分只能被 B 解密。B 通过解密后得到的I D A ID_AIDA 认证 A。
  （4）B 取随机数N 2 N_2N2 用会话密钥K s K_sKs 加密发送给 A，此时说明 B 已知道会话密钥K s K_sKs 。
  （5）使 B 确信 A 也知道K s K_sKs ，同时f ( N 2 ) f(N_2)f(N2 )使 B 确信这是一条新的消息。

• 问题
  可能遭受重放攻击。
  在第三步，如果一个过时的会话密钥被掌握，则在这一步可能会被重放以欺骗 B 使用旧的会话密钥K s K_sKs ，使得 B 遭到破坏。

• 解决方案
  （1）加入时间戳；
  （2）使用一个额外的临时会话号。

Kerberos 协议

Kerberos 协议通过提供一个集中的授权服务器来负责用户对服务器的认证和服务器对用户的认证，而不是对每个服务器提供详细的认证协议。

• 特点
  （1）允许用户通过网络访问分布的服务器；
  （2）不需要信任所有的工作站和服务器，只要信任集中式的认证服务器即可；
  （3）Kerberos仅依赖于对称加密体制而未使用公钥体制；
  （4）Kerberos 实现时采用的是基于 Needham-Schroeder(NS) 的认证协议。

• 算法流程
  为保证认证会话的安全，增加了票据授权服务器 TGS(Ticket-Granting Server)。认证服务器 AS 中存储分别与用户和 TGS 共享的密钥，专门负责识别用户身份，然后将TGS(Ticket-Granting Ticket)用 与 TGS 共享的密钥 加密交给用户，用户据此获得 TGS 的服务。TGS 产生 SGT(Service-Granting Ticket)，用户据此获得其他服务器的服务。
  上述一大段话，实际就是：用户通过 AS 和 TGS 认证，再通过 TGS 和其他服务器认证。
  具体流程如下图所示：
  在这张图中，（1）和（2）是用户识别和 TGT 颁发；（3）和（4）是 SGT 颁发；（5）是获取目标服务器认证和服务。对于要认证的不同服务器，重复（3）（4）步骤；对于相同服务器的通信回合，重复（5）步骤。
  在认证流程中，所发送的票据内容以下方方式组成：
  T G T → T i c k e t t g s = E K t g s [ I D C , A D C , I D t g s , T S 1 , L i f e t i m e 1 ] TGT → Ticket_{tgs} = E_{Ktgs}[ID_C, AD_C, ID_{tgs}, TS_1, Lifetime_1]TGT→Tickettgs =EKtgs [IDC ,ADC ,IDtgs ,TS1 ,Lifetime1 ]；
  S G T → T i c k e t v = E K v [ I D C , A D C , T S 2 , L i f e t i m e 2 ] SGT→Ticket_v = E_{Kv}[ID_C, AD_C, TS_2, Lifetime_2]SGT→Ticketv =EKv [IDC ,ADC ,TS2 ,Lifetime2 ]；
  变量解释：
  I D C ID_CIDC ：用户 C 的 ID；
  I D t g s ID_{tgs}IDtgs ：TGS 的 ID；
  A D C AD_CADC ：用户C的网络地址；
  K V K_VKV ：服务器 V 与 AS 共享的密钥；
  K t g s K_{tgs}Ktgs ：服务器 V 与 TGS 共享的密钥；
  T S TSTS：时间戳。

• 问题与解决
  攻击者可以截获 TGT 和 SGT，在有效的时间内实施重播攻击。解决办法是在提交 TGT 或 SGT 的同时必须向服务器证明其身份仍同前面取得 TGT 和 SGT 时的用户相同。
  长话短说：提交票据加入身份认证。

• Kerberos V4
  这部分貌似不是很关键，简单提一句。
  对比上方的流程，V4 在认证过程中大量使用了时间戳 TS 和 ID，并在（3）加入了用户身份证明 Authenticator。
  A u t h e n t i c a t o r C = E K c , t g s [ I D C , A D C , T S 3 ] Authenticator_C = E_{Kc,tgs}[ID_C, AD_C, TS_3]AuthenticatorC =EKc,tgs [IDC ,ADC ,TS3 ]

• Kerberos V5
  也是看个概念，不涉及算法内容。
  （1）Kerberos 的安全性问题
  使用时间戳防止重放攻击；
  使用口令做密钥，不安全；
  集中式管理，使用 AS 和 TGS，容易出危险。
  （2）Kerberos V5 的改进
  增加代理功能，委托授权与有限授权；
  改进安全机制；
  在鉴别符A u t h e n t i c a t o r C Authenticator_CAuthenticatorC 中增加子密钥，可用于群通信；
  增加域名，名字的结构分为两部分；
  PDU 描述改为 ASN.1（高级数据描述语言），方便变长字段和可选字段的处理。

非对称密钥分配

下方列出一些存在的方法。

公钥的公开发布

用户分发自己的公钥给接收者或广播给通信各方。这种方式存在一个很大的缺陷：伪造。任何人都可以产生一个冒充真实发信者的公钥来进行欺骗。

公开可访问的目录

通过使用一个公共的公钥目录可以获得更大程度的安全性。目录应该是可信的，特点如下：
（1）包含 {姓名，公钥} 目录项；
（2）通信方只能安全的注册到目录中；
（3）通信方可在任何时刻进行密钥更替；
（4）目录定期发布或更新。
但是这样仍然存在缺点：存在被篡改伪造的风险，需在线服务。

公钥授权

通过更加严格的控制目录中的公钥分配，可使公钥分配更加安全。
人话：加入一个可信机构作为公钥授权第三方。
这种方式有下面两个缺点：
（1）用户与其他用户通信，就要向目录管理员申请对方公钥，公钥管理员成为系统的瓶颈；
（2）用户需要周期性的请求当前公钥信息来确保通信中的公钥是当前的公钥。
有一些改进方法：
（1）通信双方可以使用证书来交换密钥，这种方案与直接从公钥管理员处获取密钥的可靠性相同。
（2）证书包含公钥和公钥拥有者的标志并由可信的第三方进行签名。用户以安全的方式将公钥交给管理员，从而获得证书。对于证书的认证流程，可以参考下图。

X.509认证服务/证书机制

X.509 标准

• 一般表达：
  证书机构 Y 颁发给用户 X 的证书表示为：Y<>；Y 对信息 I 进行的签名表示为 Y{ I }。
  示例：CA<> =C A { V , S N , A I , C A , U C A , A , U A , A p , T A } CA{V, SN, AI, CA, UCA, A, UA, A_p, T^A}CA{V,SN,AI,CA,UCA,A,UA,Ap ,TA}表示由 CA 签字的 A 公钥证书。

• 变量说明：
  V VV：版本号，S N SNSN：证书序列号，A I AIAI：算法标识，C A CACA：签署证书机构，U C A UCAUCA:签署证书机构的标识，A AA：用户名称，U A UAUA：用户标识，T A T^ATA：有效期,A p A_pAp ：用户A的公钥

（1）任何可以获得 CA 公钥的用户均可获得证书中用户公钥
（2）只有 CA 可以修改证书
（3）由于证书不可伪造，因此证书可以放在目录中而不需要特别的保护
（4）如果两个 CA 能够安全地交换各自的公钥，如下的过程可以使 A 获得 B 的公开密钥：A 获取 X1签名的 X2 的证书从而获取 X2 的公钥；A 获取 X2 签名的 B 的证书从而获取 B 的公钥，记作X1<>X2<>。B 也可以反向获取 A 的公钥 X2<>X1<>。
人话：
A 获取 B：先获取 X2 的公钥，再获取 B 的公钥。
B 获取 A：先获取 X1 的公钥，再获取 A 的公钥。
一级一级的获取。