一般做网站需要多少钱,手机端网站开发的意义,网站自行备案,个人网站建设发布信息哈工大计算机网络课程网络安全基本原理详解之#xff1a;消息完整性与数字签名
这一小节#xff0c;我们继续介绍网络完全中的另一个重要内容#xff0c;就是消息完整性#xff0c;也为后面的数字签名打下基础。
报文完整性
首先来看一下什么是报文完整性。
报文完整性…哈工大计算机网络课程网络安全基本原理详解之消息完整性与数字签名
这一小节我们继续介绍网络完全中的另一个重要内容就是消息完整性也为后面的数字签名打下基础。
报文完整性
首先来看一下什么是报文完整性。
报文完整性也称为消息完整性message integrity有时也称为报文/消息认证或报文鉴别目标 证明报文确实来自声称的发送方 比如接收端在收到报文时能够确认报文是由指定发送方发送的。这一过程也是与我们上一节中介绍的身份认证相关的。 验证报文在传输过程中没有被篡改。 预防报文的时间、顺序被篡改。 预防报文持有期被修改。 比如Bob给Alice发报文还应该预防Alice在持有报文时有意或无意修改报文。 预防报文在发送/接收时对报文本身的抵赖 发送方否认。比如发送方否认发送过这个报文或否认发送报文的内容。接收方否认。比如接收方否认收到过这个报文或否认接收报文的内容。
密码散列函数
在解决报文完整性的问题中需要使用到一个非常重要的概念就是密码散列函数。
密码散列函数Cryptographic Hash FunctionH(m)。
用H(m)来表示利用密码散列函数对报文m进行的散列运算。
作为密码散列函数与我们一般性的散列函数具有以下一些特征 散列算法公开 H(m)能够快速计算 对任意长度报文进行多对一映射均产生定长输出 对于任意报文无法预知其散列值 不同报文不能产生相同的散列值 单向性无法根据散列值倒推出报文 即对于给定散列值h无法计算找到满足hH(m)的报文m 抗弱碰撞性Weak Collision Resistence-WCR 对于给定报文x计算上不可能找到y且y不等于x使用H(x) H(y) 抗强碰撞性Strong Collision Resistence-SCR 在计算中不可能找到任意两个不同报文x和y(x≠y)使得H(x) H(y)。
密码散列函数对报文完整性的校验是至关重要的。
作为与一般性的散列函数的对比我们来看一个例子。
在之前讲解IP协议中会有一个16比特的checksum校验和来在接收端判断数据报是否有修改。在这种校验和的计算中其实也具备散列函数的某些属性
多对一映射对于任意报文产生固定长度的散列值16-bit校验和
但是它并不能作为密码散列函数因为对于给定的报文及其散列值很容易找到另一个具有相同散列值的不同报文。比如下面这个例子 散列函数算法
通过上面的介绍可以看出密码散列函数的要求是比较严格的需要经过精心设计。目前在网络安全领域使用的比较常见的有以下两个函数
MD5被广泛应用的散列函数RFC 1321 通过4个步骤对任意长度的报文输入计算输出128位的散列值。MD5不是足够安全。在1996年Dobbertin找到了两个不同的512-bit块在MD5计算下产生了相同的散列值。 SHA-1Secure Hash Algorithm 另一个相对更安全的散列函数US标准SHA-1要求输入消息长度264SHA-1的散列值为160位速度慢于MD5安全性优于MD5
报文摘要
报文摘要实际上是利用上面的密码散列函数作用于某一任意长度的报文m得到一个固定长度的散列值通常把这个散列值称为报文摘要message digest记为H(m)。 这个报文摘要对原报文来说是具有非常重要的意义的。重要的意义在于报文摘要可以作为报文m的数字指纹fingerprint。
报文认证
有了上面的基础概念后接下来我们就着重讨论下如何实现报文完整性的认证。
简单方案
简单方案报文报文摘要—扩展报文m, H(M)
上述简单方案利用了密码散列函数和报文摘要来实现。实际上就是在给对方发送报文时利用密码散列函数根据该报文内容计算出一个报文摘要。此时发送的报文内容除了其本身原有内容外还包含一个报文摘要。两者构造出一个扩展报文发送给对方。
接收方在收到该扩展报文后根据同样的密码散列函数根据报文内容计算得到一个散列值然后跟报文摘要进行比对。如果一致说明报文在传输过程中没有被修改如果不一致则说明已经被修改。
整体的大致过程如下所示 为了在报文认证中除了确保报文在传输过程中没有发生过改变外还要认证报文的发送方确实是指定的真实发送方而不是第三方入侵者或伪造的身份认证还需要对上述方案进行改进。
报文认证码MAC
报文认证码MACMessage Authentication Code
实现原理
引入了一个报文认证密码的概念此时一个扩展报文(m, H(ms))包括了原始报文m 认证密钥s 密码散列函数H
在使用这种方案下报文认证过程大致如下所示
发送端在发送报文中利用密码散列函数H对原始报文内容m和认证密码s一般就是一个字符串或比特串一起共同生成一个报文摘要H(ms)。该报文摘要与原始报文一起构成一个扩展报文(m ,H(m,s))接收端收到该报文后分离出原始报文和报文摘要两部分。对于原始报文利用相同的密码散列函数和认证密钥s得到一个散列值H(m,s)同样的将该散列值与报文摘要的值比对如果匹配则报文完整性成功认证。否则认证失败。 这里为什么就能够确认报文是来自指定的真实发送方而不是伪造或第三方入侵者呢因为这里引入了密钥的概念而这对密钥只有发送方和接收方所持有。由于密码散列函数的特殊性只有该密钥才能生成相应的报文摘要从而保证了报文认证的可靠性。
报文验证码MAC在一定程度上解决了报文完整性校验和身份认证问题但是报文完整性里涉及的其他问题还很难解决。比如接收端在持有报文时由于它有密码s因此它可以任意构造一个报文内容m’并利用该密钥s生成相应的报文摘要然后伪造说这是发送方发送的报文。这里的问题就涉及到我们开篇报文完整性要求中说的预防报文持有期被修改和预防抵赖。
为了解决这些问题就需要引入我们接下来介绍的数字签名概念。
数字签名
上面我们最后说到作为报文验证码MAC实际上有一些其他的报文完整性问题还未解决。比如涉及到下面这些问题。
Q如何解决下列与报文完整性相关的问题
否认发送方不承认自己发送过某一报文。伪造接收方自己伪造一份报文并声称来自发送方冒充某个用户冒充另一个用户接收后发送报文篡改接收方对收到的信息进行篡改。
这些问题简单依赖单一的报文认证码是很难解决的。目前比较有效的也是在网络安全中使用比较广泛的解决方案就是数字签名Digital signatures。
数字签名技术是实现安全电子交易的核心技术之一。可验证性verifiable验证报文是否被修改过。不可伪造性unforgeable不可抵赖性non-repudiation
数字签名的简单实现原理
显然我们很容易想到**签名的主要目的是为了预防修改即签名本身是不能被修改的被签名的内容是不能被修改的。**就跟我们日常生活中对一个文件的签名往往就是签上自己的姓名甚至手印而且要保存原件就是为了签名后签名和文件内容都是不能被修改的。
因此与日常生活中的签名行为联系起来的话网络安全中的数字签名技术实际上就是在发送的报文相当于文件签上一个数字名称这个名称保证了报文的完整性同时也标识着身份认证。同时这个签名一定是唯一特殊不可被修改的从而保证不可伪造和不可抵赖性。
因此为了实现数字签名就需要借助于上面介绍的加密技术。报文加密技术是数字签名的基础。
同时对于加密技术首先不能选取对称加密算法因为对称加密算法接收和发送双方使用的是同一个密钥也就是说接收方是可以利用这个密码对接收报文进行修改的也就是我们上面说的报文验证码的问题。
因此对于加密算法的算法一定需要选择非对称加密算法公钥技术。此时假设Bob要想Alice发送带有数字签名的信息就可以利用其私钥对报文m进行加密创建签名报文KB-(m)。
整体流程如下所示 作为Alice实际上接收了两份报文一份是明文原始报文m另一份是Bob用私钥加密的签名报文。之后Alice的响应帧流程大致如下所示 Alice利用Bob的公钥KB解密KB-(m)并检验KBKB-(m) m来证实报文m确实是由Bob签名的。 如果KBKB-(m) m成立则签名m的一定是Bob的私钥 于是 Alice可以证实 Bob签名了m没有其他人签名m的可能Bob签名的是报文m而不是其他报文m‘ 不可抵赖 Alice可以持有报文m和签名KB-(m)必要是可以提交给法院证明是Bob签名的报文m。
实际上通过上面的介绍我们细想就能发现实际上报文验证码MAC和数字签名技术的实现区分实际上也就是对称加密算法和非对称加密算法实现原理的区别。因为有了非对称加密算法使得每个用户都可以保留自己的私钥同时公开一个公钥来进行解密。而这个私钥就成了身份认证的唯一标识比如身份证ID或指纹。从而保证了报文传输过程中的消息完整性和身份认证。
签名报文摘要
上述简单数字签名的方案有一个较大的缺点就是在利用私钥对报文加密后签名后该签名要跟着报文一起发送给接收端。一来传输的报文量相当于是两倍的报文造成信道资源消耗。二来接收方在对签名解密时原始报文往往比较大解密速度也会比较慢。因此可以设计一些方案来改进这个签名过程。
怎么做呢可以联想到上面提到过的报文摘要对于报文摘要来说它可以作为报文的数字指纹这样一个特征也就是可以唯一标识一个报文。换句话说报文摘要其实就与原始报文一一对应。
因此显而易见我们在签名的时候可以不对整个原始报文进行签名而改为对这个报文摘要进行签名也可以实现同样的效果。
因此目前大部分的数字签名使用的都是报文摘要签名的方法。
接下来我们来看一下利用报文摘要数字签名的实现流程
Bob发送数字签名的报文
Bob在发送报文时利用密码散列函数对报文生成报文摘要H(m)Bob利用自己的私钥对报文摘要进行签名得到签名后的报文摘要KB-(H(m))把该签名后的报文摘要和报文一起组成扩展报文m, KB-(H(m))发送给接收端。
Alice核实签名以及数字签名报文的完整性
Alice分离出原始报文本身和签名报文摘要Alice利用相同的密码散列函数根据原始报文生成报文摘要再利用Bob的公钥对签名报文摘要进行解密将解密后的报文摘要与刚刚生成的报文摘要进行比对判断两者是否相同。
