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0密码学与信息安全基础1摘要计算机网络飞速发展的同时，安全问题不容忽视。网络安全经过了二十多年的发展，已经发展成为一个跨多门学科的综合性科学，它包括：通信技术、网络技术、计算机软件、硬件设计技术、密码学、网络安全与计算机安全技术等。在理论上，网络安全是建立在密码学以及网络安全协议的基础上的。密码学是网络安全的核心，利用密码技术对信息进行加密传输、加密存储、数据完整性鉴别、用户身份鉴别等，比传统意义上简单的存取控制和授权等技术更可靠。加密算法是一些公式和法则，它规定了明文和密文之间的变换方法。从技术上，网络安全取决于两个方面：网络设备的硬件和软件。网络安全则由网络设备的软件和硬件互相配合来实现的。但是，由于网络安全作为网络对其上的信息提供的一种增值服务，人们往往发现软件的处理速度成为网络的瓶颈，因此，将网络安全的密码算法和安全协议用硬件实现，实现线速的安全处理仍然将是网络安全发展的一个主要方向。在安全技术不断发展的同时，全面加强安全技术的应用也是网络安全发展的一个重要内容。同时，网络安全不仅仅是防火墙，也不是防病毒、入侵监测、防火墙、身份认证、加密等产品的简单堆砌，而是包括从系统到应用、从设备到服务的比较完整的、体系性的安全系列产品的有机结合。总之，网络在今后的发展过程中不再仅仅是一个工具，也不再是一个遥不可及仅供少数人使用的技术专利，它将成为一种文化、一种生活融入到社会的各个领域。关键词：计算机；网络；安全；防范21．密码学的发展历程密码学在公元前400多年就早已经产生了，正如《破译者》一书中所说“人类使用密码的历史几乎与使用文字的时间一样长”。密码学的起源的确要追溯到人类刚刚出现，并且尝试去学习如何通信的时候，为了确保他们的通信的机密，最先是有意识的使用一些简单的方法来加密信息，通过一些（密码）象形文字相互传达信息。接着由于文字的出现和使用，确保通信的机密性就成为一种艺术，古代发明了不少加密信息和传达信息的方法。例如我国古代的烽火就是一种传递军情的方法，再如古代的兵符就是用来传达信息的密令。就连闯荡江湖的侠士，都有秘密的黑道行话，更何况是那些不堪忍受压迫义士在秘密起义前进行地下联络的暗语，这都促进了密码学的发展。事实上，密码学真正成为科学是在19世纪末和20世纪初期，由于军事、数学、通讯等相关技术的发展，特别是两次世界大战中对军事信息保密传递和破获敌方信息的需求，密码学得到了空前的发展，并广泛的用于军事情报部门的决策。例如在希特勒一上台时，德国就试验并使用了一种命名为“谜”的密码机，“谜”型机能产生220亿种不同的密钥组合，假如一个人日夜不停地工作，每分钟测试一种密钥的话，需要约4.2万年才能将所有的密钥可能组合试完，希特勒完全相信了这种密码机的安全性。然而，英国获知了“谜”型机的密码原理，完成了一部针对“谜”型机的绰号叫“炸弹”的密码破译机，每秒钟可处理2000个字符，它几乎可以破译截获德国的所有情报。后来又研制出一种每秒钟可处理5000个字符的“巨人”型密码破译机并投入使用，至此同盟国几乎掌握了德国纳粹的绝大多数军事秘密和机密，而德国军方却对此一无所知；太平洋战争中，美军成功破译了日本海军的密码机，读懂了日本舰队司令官山本五十六发给各指挥官的命令，在中途岛彻底击溃了日本海军，击毙了山本五十六，导致了太平洋战争的决定性转折。因此，我们可以说，密码学为战争的胜利立了大功。在当今密码学不仅用于国家军事安全上，人们已经将重点更多的集中在实际应用，在你的生活就有很多密码，例如为了防止别人查阅你文件，你可以将你的文件加密；为了防止窃取你钱物，你在银行账户上设置密码，等等。随着科技的发展和信息保密的需求，密码学的应用将融入了你的日常生活。2．密码学的基础知识3密码学(Cryptography)在希腊文用Kruptos(hidden)+graphein(towrite)表达，现代准确的术语为“密码编制学”，简称“编密学”，与之相对的专门研究如何破解密码的学问称之为“密码分析学”。密码学是主要研究通信安全和保密的学科，他包括两个分支：密码编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行变换，以保护信息在传递过程中不被敌方窃取、解读和利用的方法，而密码分析学则于密码编码学相反，它主要研究如何分析和破译密码。这两者之间既相互对立又相互促进。密码的基本思想是对机密信息进行伪装。一个密码系统完成如下伪装：加密者对需要进行伪装机密信息（明文）进行伪装进行变换（加密变换），得到另外一种看起来似乎与原有信息不相关的表示（密文），如果合法者（接收者）获得了伪装后的信息，那么他可以通过事先约定的密钥，从得到的信息中分析得到原有的机密信息（解密变换），而如果不合法的用户（密码分析者）试图从这种伪装后信息中分析得到原有的机密信息，那么，要么这种分析过程根本是不可能的，要么代价过于巨大，以至于无法进行。在计算机出现以前，密码学的算法主要是通过字符之间代替或易位实现的，我们称这些密码体制为古典密码。其中包括：易位密码、代替密码（单表代替密码、多表代替密码等）。这些密码算法大都十分简单，现在已经很少在实际应用中使用了。由于密码学是涉及数学、通讯、计算机等相关学科的知识，就我们现有的知识水平而言，只能初步研究古典密码学的基本原理和方法。但是对古典密码学的研究，对于理解、构造和分析现代实用的密码都是很有帮助。以下介绍我们所研究的古典密码学。3．现代密码学的作用现代密码学研究信息从发端到收端的安全传输和安全存储，是研究“知己知彼”的一门科学。其核心是密码编码学和密码分析学。前者致力于建立难以被敌方或对手攻破的安全密码体制，即“知己”；后者则力图破译敌方或对手已有的密码体制，即“知彼”。人类有记载的通信密码始于公元前400年。古希腊人是置换密码的发明者。1881年世界上的第一个电话保密专利出现。电报、无线电的发明使密码学成为通信领域中不可回避的研究课题。随着信息化和数字化社会的发展，人们对信息安全和保密的重要性认识不断提高。如网络银行、电子购物、电子邮件等正在悄悄地融入普通百姓的日常生活4中，人们自然要关注其安全性如何。1977年，美国国家标准局公布实施了“美国数据加密标（DES）”，军事部门垄断密码的局面被打破，民间力量开始全面介入密码学的研究和应用中。现有的密码体制千千万万，各不相同。但是它们都可以分为私钥密码体制（如DES密码）和公钥密码（如公开密钥密码）。前者的加密过程和脱密过程相同，而且所用的密钥也相同；后者，每个用户都有公开和秘密钥。编码密码学主要致力于信息加密、信息认证、数字签名和密钥管理方面的研究。信息加密的目的在于将可读信息转变为无法识别的内容，使得截获这些信息的人无法阅读，同时信息的接收人能够验证接收到的信息是否被敌方篡改或替换过；数字签名就是信息的接收人能够确定接收到的信息是否确实是由所希望的发信人发出的；密钥管理是信息加密中最难的部分，因为信息加密的安全性在于密钥。历史上，各国军事情报机构在猎取别国的密钥管理方法上要比破译加密算法成功得多。密码分析学与编码学的方法不同，它不依赖数学逻辑的不变真理，必须凭经验，依赖客观世界觉察得到的事实。因而，密码分析更需要发挥人们的聪明才智，更具有挑战性。现代密码学是一门迅速发展的应用科学。随着因特网的迅速普及，人们依靠它传送大量的信息，但是这些信息在网络上的传输都是公开的。因此，对于关系到个人利益的信息必须经过加密之后才可以在网上传送，这将离不开现代密码技术。4．几种常用的网络安全技术4.1防火墙技术网络安全所说的防火墙(FireWall)是指内部网和外部网之间的安全防范系统。它使得内部网络与因特网之间或与其它外部网络之间互相隔离、限制网络互访，用来保护内部网络。防火墙通常安装在内部网与外部网的连接点上。所有来自Internet（外部网）的传输信息或从内部网发出的信息都必须穿过防火墙。54.1.1防火墙的主要功能防火墙的主要功能包括：〔1〕防火墙可以对流经它的网络通信进行扫描，从而过滤掉一些攻击，以免其在目标计算机上被执行。〔2〕防火墙可以关闭不使用的端口，而且它还能禁止特定端口的输出信息。〔3〕防火墙可以禁止来自特殊站点的访问，从而可以防止来自不明入侵者的所有通信，过滤掉不安全的服务和控制非法用户对网络的访问。〔4〕防火墙可以控制网络内部人员对Internet上特殊站点的访问。〔5〕防火墙提供了监视Internet安全和预警的方便端点。4.1.2防火墙的主要优点防火墙的主要优点包括:〔1〕可作为网络安全策略的焦点防火墙可作为网络通信的阻塞点。所有进出网络的信息都必须通过防火墙。防火墙将受信任的专用网与不受信任的公用网隔离开来，将承担风险的范围从整个内部网络缩小到组成防火墙系统的一台或几台主机上。从而在结构上形成了一个控制中心，极大地加强了网络安全，并简化了网络管理。〔2〕可以有效记录网络活动由于防火墙处于内网与外网之间，即所有传输的信息都会穿过防火墙。所以，防火墙很适合收集和记录关于系统和网络使用的多种信息，提供监视、管理与审计网络的使用和预警功能。〔3〕为解决IP地址危机提供了可行方案由于Internet的日益发展及IP地址空间有限，使得用户无法获得足够的注册IP地址。防火墙则处于设置网络地址转换NAT的最佳位置。NAT有助于缓和IP地址空间的不足。4.1.3防火墙的主要缺陷由于互联网的开放性，防火墙也有一些弱点，使它不能完全保护网络不受攻击。防火墙的主要缺陷有：〔1〕防火墙对绕过它的攻击行为无能为力。6〔2〕防火墙无法防范病毒，不能防止感染了病毒的软件或文件的传输，对于病毒只能安装反病毒软件。〔3〕防火墙需要有特殊的较为封闭的网络拓扑结构来支持。网络安全性的提高往往是以牺牲网络服务的灵活性、多样性和开放性为代价。4.1.4防火墙的分类防火墙的实现从层次上大体可分为三类：包过滤防火墙，代理防火墙和复合型防火墙。〔1〕包过滤防火墙包过滤防火墙是在IP层实现，它可以只用路由器来实现。包过滤防火墙根据报文的源IP地址，目的IP地址、源端口、目的端口和报文传递方向等报头信息来判断是否允许有报文通过。包过滤路由器的最大优点是：对用户来说是透明的，即不需要用户名和密码来登陆。包过滤路由器的弊端是明显的，由于它通常没有用户的使用记录，我们不能从访问中发现黑客的攻击记录。它还有一个致命的弱点，就是不能在用户级别上进行过滤，即不能识别用户与防止IP地址的盗用。如果攻击者将自己的主机设置为一个合法主机的IP地址，则很容易地通过包过滤防火墙。〔2〕代理防火墙代理防火墙也叫应用层网关防火墙，包过滤防火墙可以按照IP地址来禁止未授权者的访问。但它不适合单位用来控制内部人员访问外部网络，对于这样的企业，应用代理防火墙是更好的选择。代理服务是设置在Internet防火墙网关上的应用，是在网管员允许下或拒绝的特定的应用程序或者特定服务，一般情况下可应用于特定的互联网服务，如超文本传输、远程文件传输等。同时还可应用于实施较强的数据流监控、过滤、记录和报告等功能。应用层网关包括应用代理服务器、回路级代理服务器、代管服务器、IP通道、网络地址转换器、隔离域名服务器和邮件技术等。〔3〕复合型防火墙复合型防火墙是将数据包过滤和代理服务结合在一起使用，从而实现了7网络安全性、性能和透明度的优势互补。随着技术的发展，防火墙产品还在不断完善、发展。目前出现的新技术类型主要有以下几种：状态监视技术、安全操作系统、自适应代理技术、实时侵入检测系统等。混合使用数据包过滤技术、代理服务技术和一些新技术是未来防火墙的趋势。4.1.5防火墙的部署防火墙是网络安全的关口设备，只有在关键网络流量通过防火墙的时候，防火墙才能对此实行检查，防护功能。〔1〕防火墙的位置一般是内网与外网的接合处，用来阻止来自外部网络的入侵。〔2〕如果内部网络规模较大，并且设置虚拟局域网（VLAN），则应该在各个VLAN之间设置防火墙。〔3〕通过公网连接的总部与各分支机构之间应该设置防火墙。〔4〕主干交换机至服务器区域工作组交换机的骨干链路上。〔5〕远程拨号服务器与骨干交换机或路由