小明的奶茶店出名了，有人偷配方、有人伪造会员卡、有人往系统塞病毒。怎么保护？答案就是信息安全。信息安全4大目标：保密性(不被非法获取)、完整性(不被篡改，最基本)、真实性(身份确认)、占有性(不被盗用)。本章从加密到防火墙到入侵检测，讲透数字世界的护城河。
🎭 本章导读：加密基本流程
🔑 16.1 加密和解密
16.1.1 对称密钥加密算法
加密解密同一密钥，安全性完全依赖密钥保密。N个用户需 N×(N-1)/2 个密钥(10人45个，100人4950个)。
DES算法：1977年美国政府公布。64位数据段+64位密钥生成52(实际16)子密钥→初始置换→16轮迭代→逆初始置换→64位密文。解密与加密相同，子密钥逆序(K16→K1)。1秒1万次破译需200年。实现简单，芯片化。
IDEA算法：64位数据段+128位密钥。更复杂算法。1秒10亿密钥需10^13年破译。8轮迭代+1轮输出变换。至今无有效攻击。
16.1.2 不对称密钥加密算法(RSA)
产生一对密钥：私钥(保密)+公钥(公开)。用公钥加密→只有私钥能解；用私钥加密→只有公钥能解。
RSA(1977年Rivest/Shamir/Adleman)：安全性依赖大数分解。N为两大素数乘积(100位以上)。公钥PK=(N,e)，私钥SK=(N,d)。
RSA是第一个既能加密又能数字签名的算法。安全性未被理论证明，但经历二十多年考验。
✍️ 16.2 数字签名与数字水印
16.2.1 数字签名
目标：确认发送者身份(真实性)+未被篡改(完整性)+不可否认性。签名算法+验证算法。
RSA结合MD5数字签名6步：
- A对信息散列运算得消息摘要H
- A用自己私钥加密H得数字签名S
- A发送信息原文+签名S给B
- B用A公钥解密S得A的消息摘要H
- B对收到的信息同样散列运算得H'
- 比较H与H'，相等则确认来自A且未篡改
数字签名标准(DSS)：NIST标准。指定DSA算法(El Gamal改进，参数小减少存储带宽)+SHA散列(160位摘要)。DSS用私钥SK+全局公钥生成签名，用公钥PK验证。
2004年电子签名法：可靠电子签名与手写签名盖章同等法律效力，2005年4月1日施行。
16.2.2 数字信封
发送方用对称密钥加密信息内容，再用接收方公钥加密此对称密钥(这部分=数字信封)，一起发送。接收方先用私钥打开信封得对称密钥，再解密信息。安全性相当高。
📜 16.3 数字证书与密钥管理
16.3.1 密钥分配中心(KDC)
每个用户只保存自己私钥SK+KDC公钥PK_KDC。通信时经KDC获得对方公钥或临时对称密钥K。
A想与B通信：A向KDC发用SK_A加密的请求(A,B)→KDC生成对称密钥K→向A返用PK_A加密的应答(K, PK_B(A,K))→A解出K，把PK_B(A,K)发给B→B用SK_B解出会话密钥K。
16.3.2 数字证书和PKI
数字证书：公钥和拥有相应私钥的实体间建立关系。最常用格式X.509 v3。内容含：所有者名称、签发者名称、所有者公钥、签发者数字签名、有效期、序列号。
PKI(公开密钥基础设施)：由数字证书+CA证书颁发机构+注册机构组成。引入公认可信第三方。核心=可信第三方。
3类实体：管理实体(CA+RA，CA唯一能发布撤销证书，RA处理用户请求)、端实体(持有者+验证者)、证书库(分布式数据库)。
3层：传输层(可靠传输)+密码学服务层(加密/解密/签名/摘要)+证书服务层(请求/签发/发布/撤销/更新)。
CRL(证书撤销列表)：定期发布已撤销证书号，使用者据此验证。
X.509 5特点：支持多算法、多命名机制、限制用途、定义策略、控制信任传递。11数据项(版本号/序列号/签名算法/发行者/有效期/主体/公钥信息/发行者唯一识别符/主体唯一识别符/扩充域/签名)。
📡 16.4 安全协议
16.4.1 IPSec协议(网络层)
IETF制定，IPv6必备，IPv4可选。以数据包为单位加密(不加密头部尾部)。端到端模式，只发送方接收方掌握加解密。
4组成部分：
- AH(IP认证头部)：完整性和认证，不含保密性。采用MD5(128位)或SHA(160位)。防重放攻击(序列号)
- ESP(封装安全负载)：加密数据(保密性)+可选认证。DES默认，可选3DES/AES/RC5等。先加密后认证(发出)，先认证后解密(收到)
- IKE(Internet密钥交换)：混合协议(ISAKMP+Oakley+SKEME)。两阶段：建安全通道→建IPSec SA。用Diffie-Hellman机制
- 算法
SA(安全关联)：单向关系，32位SPI唯一标识。双向需两个SA。存于安全关联数据库。
2工作模式：传输模式(IP头不加密，省带宽高效，解密=目的端使用者)+隧道模式(整个IP包加密+新IP头，安全隧道，安全性高)。
16.4.2 SSL协议(传输层)
SSL=TCP之上应用层之下。与应用层独立，HTTP等可透明建立在SSL上。不足：不能保证不可否认性。
3基本安全性：通道保密(握手后全加密)、通道被认证(服务器必认证，客户端可选)、通道可靠(MAC完整性检查)。
4组成：SSL记录协议(所有数据封装成记录)+SSL握手协议(身份认证/协商算法/交换密钥，两阶段)+SSL密码变更说明协议+SSL警告协议。
同时用对称(快)+公钥(安全)：握手用RSA公钥，密钥交换后用RC2/RC4/IDEA/DES/3DES+MD5。
SSL记录数据=MAC数据+实际数据+粘贴数据。MAC=HASH(密钥,实际数据,粘贴数据,序号)，序号初始0每记录递增。
16.4.3 PGP协议(应用层)
Phil Zimmermann 1995年提出。电子邮件加密方案。综合多种算法：IDEA(邮件内容)+RSA(加密信息)+消息摘要(签名)+ZIP(压缩)+BASE64(编码)。
加密流程：邮件P→MD5得128位摘要→RSA用A私钥加密摘要得H→P+H=P1→ZIP压缩=P1.Z→IDEA用一次性密钥K加密=P2→RSA用B公钥加密K→P2+加密K→BASE64编码→发送。
解密逆过程。链式加密：RSA保密效果+IDEA快捷。每次IDEA密钥随机(从敲键盘时间间隔取种子)。
密钥管理：公钥介绍机制。D用自己私钥在B公钥上签名担保→A用D公钥验证→D成为A和B的介绍人。权威认证机构作公钥担保。使用前必须认证公钥。
🦠 16.5 计算机病毒与防治
16.5.1 病毒概述
4阶段：潜伏→传染→触发→发作。按链接方式分：源码型/嵌入型/Shell型/宏型/脚本型/操作系统型。按破坏分：良性/恶性。按传播媒介：单机/网络。
4模块：传染(扩散，有传染标记防重复)+触发(检查条件)+破坏(实施破坏)+主控(总体控制，染毒时先运行)。
16.5.2 网络病毒新趋势
数量剧增、传播途径多样(网页/邮件/局域网共享/系统漏洞)、传染速度极快(2-3天传遍世界)。木马(后门程序)最常见，利用系统漏洞或空闲端口监视宿主。
16.5.3 病毒检测6方法
| 方法 | 原理 | 优缺点 |
|---|---|---|
| 特征码检测 | 提取病毒特征码扫描 | 简单准确快速，但只能查已知，滞后 |
| 校验和检测 | 比较文件内容校验和 | 能发现未知，但不识别种类，误报 |
| 行为监测 | 监测病毒特有行为(写可执行文件/写引导区等) | 能查未知，但可能误报不识别名称 |
| 启发式扫描 | 分析指令序列统计知识判断 | 概率方法，可查未知变种 |
| 虚拟机 | 软件模拟系统让病毒运行自动还原 | 对付多态变形病毒最强 |
| 广谱特征码 | 特征码的扩展 | 弥补变形病毒缺陷 |
16.5.4 病毒预防10条
装反病毒软件+不轻易用来历不明软件+邮件附件先查毒+定期扫描+保持病毒库最新+做应急启动盘+定期备份重要文件+定时扫描漏洞+先查毒再杀毒+建立防治管理制度和培训。
🪪 16.6 身份认证与访问控制
16.6.1 身份认证6方式
3类认证方式：①秘密信息(口令/密钥/PIN) ②持有物品(磁卡/IC卡) ③生理生物特征(声音/指纹)。
6种认证：
- 口令认证：唯一标识+口令安全存储传输+先确认认证者真实身份
- 公钥签名认证：随机数做数字签名验证，私钥不网络传送，每次请求都验证
- 持卡认证：磁卡→IC卡(容量大/可靠/一卡多用)，配合PIN使用
- 生物特征认证：指纹/笔迹/脸像/视网膜/手形/掌纹。不遗忘丢失+防伪+随时可用。广泛性/唯一性/稳定性/可采集性
- 动态口令(一次性口令)：双运算因子(用户私钥固定+变动因子变化)，每次登录口令不同
- PPP认证协议：PAP(明文，安全性差)+CHAP(加密挑战，防重放)+EAP(通用，支持多种方法)
CHAP优点：可变挑战口令防重放、密钥不通过链路发送、可双向认证、支持多用户名密钥对。要求：密钥≥1字节、挑战口令唯一且不可预计。
RADIUS协议：客户/服务器安全认证，UDP传输(1812认证授权/1813计费)。支持PAP/CHAP/UNIX Login，认证转接，扩展性好，认证信息加密。AAA协议(Authentication/Authorization/Accounting)。
16.6.2 访问控制3策略+3授权
| 策略 | 特点 | 适用 |
|---|---|---|
| 自主访问控制(DAC) | 主体自主授权，用户决定 | Windows/UNIX，最常见但安全性不高 |
| 强制访问控制(MAC) | 系统统一强制，按级别(绝密/机密/秘密/无密级) | 军事安全特殊领域，安全但麻烦 |
| 基于角色(RBAC) | 权限取决于角色，非用户自己 | 面向企业，最有优势前景好 |
3种访问许可授权：等级型(树形，超级管理员→部门领导→…)、拥有型(拥有者全控制但不能转授分配权，UNIX用此)、自由型(可转授分配权，安全性差)。
🌐 16.7 网络安全体系
16.7.1 OSI安全架构
5类安全服务：①对象认证(对等实体/信源) ②访问控制(防越权) ③数据保密性(信息/选择段/业务流) ④数据完整性(防篡改) ⑤禁止否认(防抵赖)。
8种安全机制：加密、数字签名、访问控制、数据完整性、鉴别交换、业务流填充(发伪随机序列防监听分析)、路由控制(选安全路径)、公证(可信第三方)。
服务与机制非一一对应，一服务可多机制实现，一机制可多服务。
16.7.2 VPN(虚拟专用网络)
利用不安全公共网络(Internet)通过安全技术实现专用网络安全性能。4优点：网络通信安全(RSA+Diffie-Hellman)、方便扩充性、方便管理、节约成本显著。
3关键技术：安全隧道技术(加密+协议封装)、用户认证技术、访问控制技术。
2平面：安全传输平面(STP，安全隧道代理+管理中心)+公共功能平面(CFP，认证管理中心+密钥分配中心)。
🛡️ 16.8 系统的安全性设计
16.8.1 物理安全
重要设备放专门区域严格限制来访+冗余备份(热备份实时切换)+限制网络信息点线缆访问+环境因素(温度/湿度/灰尘/振动/雷电/电力/自然灾害/电磁泄漏)。
16.8.2 防火墙
网络分隔手段。3种方式：
| 方式 | 原理 | 优缺点 |
|---|---|---|
| 包过滤 | 据规则检查网络层/传输层数据包(源/目的地址/端口号) | 透明性能高，但只初步控制，无法感知应用层 |
| 状态检测 | 建状态连接表维护连接，后续包查状态表 | 性能好+透明+改进不关心状态缺点 |
| 应用网关 | 检查所有应用层信息，打破C/S(两个连接) | 安全性高，但麻烦通用性差 |
3优点：隔离网络限制扩散+集中管理+记录活动。
5局限：①难防内部攻击(大多数攻击来自内部) ②不能完全阻挡所有入侵 ③不能防病毒 ④只能防已知威胁 ⑤不能防不通过它的链接。
16.8.3 入侵检测系统(IDS)
防火墙后的第二道安全闸门。在不影响网络性能下对网络监听，提供内部攻击/外部攻击/误操作的实时保护。
4阶段：数据采集→数据处理及过滤→入侵分析及检测(核心)→报告及响应。
2检测技术：基于标识(类似杀毒特征码，已知攻击详细准确，但需更新知识库)+基于异常(定义"正常"数值比较，可查未知但不识别手法)。
2种类：主机型(系统日志/应用日志为源，保护所在主机，需每台装)+网络型(数据包为源，监听网段，一个保护整段，但不跨多网段)。
📋 16.9 安全性规章
16.9.1 安全管理制度
设安全委员会/小组/员。12制度：机房/系统运行/人员/软件/数据/密码口令/病毒防治/用户登记信息/工作记录/数据备份/审计/安全培训。制度必须贯彻执行才有用。
16.9.2 计算机犯罪与法规
计算机犯罪：针对或利用计算机系统，非法操作造成危害。两阶段：单机时代(50-80年代，诈骗/窃取破坏)→网络时代(80年代至今，国际化/全社会蔓延/群体组织化/低龄化/后果严重/网络窃密)。
刑法3条：第285条(非法侵入计算机信息系统罪，3年以下)、第286条(破坏计算机信息系统罪，5年以下或以上)、第287条(利用计算机实施各类犯罪依相关规定处罚)。
相关法规含：宪法/刑法/国家安全法/保密法/计算机信息系统安全保护条例/计算机信息网络国际联网管理暂行规定/治安管理处罚条例/专利法/反不正当竞争法/商标法/标准化法/计算机软件保护条例/商用密码管理条例/计算机病毒防治管理办法/信息安全等级保护管理办法等。
🏆 本章总结：数字护城河全图
- 加密：对称(DES 64位16轮/IDEA 128位)+不对称(RSA c=m^e mod N)。N用户对称需N(N-1)/2密钥
- 签名：散列函数(MD5=128位/SHA=160位)+RSA结合MD5 6步+DSS(DSA+SHA)+数字信封
- 证书：KDC+数字证书(X.509 v3)+PKI(3类实体+3层+CRL)
- 协议：IPSec(AH/ESP/IKE+2模式)+SSL(记录/握手+MAC+不能防抵赖)+PGP(IDEA+RSA+MD5+ZIP+BASE64+介绍机制)
- 病毒：4特征4阶段4模块+6检测方法(特征码/校验和/行为/启发式/虚拟机/广谱)+10预防
- 认证控制：6认证(口令/公钥/持卡/生物/动态口令/PPP)+3策略(DAC/MAC/RBAC)+3授权+RADIUS
- 网络安全：OSI 5服务8机制+VPN(3技术2平面)
- 系统安全：物理+防火墙(3方式3优点5局限)+IDS(4阶段2技术2种类)
- 规章：12制度+刑法3条+众多法规