20231326《密码系统设计》第七周预习报告

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目录

学习内容

《Windows C/C++加密解密实战》第 10 章

本章重点介绍了网络身份认证的重要性和面临的威胁，以及主要的身份认证技术和公钥基础设施（PKI）的理论基础。

1. 身份认证概述与重要性

  • 地位： 身份认证是网络安全的 “第一道门槛” 和 “第一道防线”，是其他安全服务（如访问控制、授权、审计）的基础。
  • 网络安全技术基石： 所有网络安全技术（机密性、完整性、身份认证等）都以密码学技术为基础。

2. 网络身份认证面临的威胁

身份认证系统是黑客攻击的主要目标。主要威胁包括：

  • 中间人攻击 (Man-in-the-Middle)： 截获、替换或修改信息，冒充合法用户。
  • 重放攻击 (Replay Attack)： 截获认证信息并在之后重新发送，用于身份伪造或破坏同步性。
  • 密码分析攻击与口令猜测攻击： 针对用户口令进行破译或猜测。
  • 身份信息的暴露： 认证过程中不必要的身份信息暴露可能造成隐私泄露。
  • 对认证服务器的攻击： 认证服务器存储大量敏感信息，一旦被攻破后果严重。

3. 网络身份认证体系和技术

用户身份认证通过以下三种基本方式或其组合实现：

认证方式 描述 示例 存在的问题
所知道的 (What You Know) 基于秘密信息 用户名/密码 极不安全，易受口令猜测、重放攻击、字典攻击。
所持有的 (What You Have) 基于秘密信息或物理介质 智能卡、USB Key 智能卡每次读取数据是静态的，易被截获；USB Key是强双因子认证，安全性高。
所具有的 (What You Are) 基于生物特征 指纹、声音、视网膜 安全性高，但技术不完全成熟，造价高，有局限性。
  • 动态口令 (OTP)： 采用“一次一密”，有效抵抗重放攻击，但同步机制和使用便利性较差。
  • USB Key： 结合软硬件，是基于强双因子认证的主流技术，可以采用“冲击响应模式”或“PKI体系模式”。

4. PKI与Kerberos的比较

特性 PKI (公钥基础设施) Kerberos
基础密码体制 非对称密码体制（公钥体制） 对称密码体制（共享密钥）
认证凭证 数字证书 密钥分发中心（KDC）签发的票据
权威机构参与 CA不需要在线参与认证，可以离线操作 KDC需要在线参与会话密钥协商
数字签名/否认 可以提供严格的数字签名服务和不可否认性 不能直接提供数字签名服务
发展趋势 正逐渐取代共享密钥认证成为网络身份认证的主流。

《Windows C/C++加密解密实战》第 11 章

本章阐述了数字证书的引入背景，PKI的核心组成，并实战介绍了如何使用OpenSSL搭建CA环境。

1. 数字证书的引入（解决公钥归属问题）

  • 核心问题： 简单使用公钥密码算法无法解决公钥归属问题，无法保证获取的公钥就是通信方本人的。攻击者可能利用伪造的公钥进行冒充和窃听。
  • 解决方案： 引入数字证书，由证书认证中心（CA）签发，用于解决公钥归属问题。
  • 证书特点： 包含持有者公钥和身份信息，并由CA用私钥进行数字签名，保证证书不可篡改。依赖方可离线验证CA签名。

2. PKI系统中的核心实体

PKI系统由以下三个基本功能组件构成：

  1. 证书认证中心 (CA)： PKI信任的根源，负责为其他人签发和管理证书，用自己的私钥对证书签名。
  2. 证书持有者 (Certificate Holder)： 拥有数字证书以及与之匹配的私钥（如通信方李四）。
  3. 依赖方 (Relying Party)： 使用其他人的证书来实现安全功能（如通信方张三）。
  • 末端实体 (End Entity)： 证书持有者与依赖方的统称。

3. OpenSSL 实现 CA 的搭建（实战）

  • 工具与环境： 使用开源软件OpenSSL，部署在 CentOS 7 Linux 环境下。
  • 实验拓扑： 采用三台虚拟机扮演：
    • 主机 A： 根 CA (Root CA，自签名)
    • 主机 B： 子 CA (Subordinate CA，向根CA申请授权)
    • 主机 C： 普通用户
  • CA 环境配置： CA的配置文件是 /etc/pki/tls/openssl.cnf，用于定义工作目录、证书存储、密钥文件等。
  • 创建根 CA 的关键步骤：
    1. 创建所需文件： 在CA主机上必须创建：
      • 证书索引数据库文件：touch /etc/pki/CA/index.txt
      • 证书序列号文件：echo 01 > /etc/pki/CA/serial
    2. 生成私钥文件： 使用 openssl genrsa 生成 RSA 私钥（如2048位），通常采用 DES3 加密保护。
    3. 生成自签名证书： 使用 openssl req -new -x509 -key <私钥路径> -days <有效期> -out <证书输出路径> 命令生成根 CA 的自签名证书。
  • 根 CA 签发证书（以签发子CA证书为例，步骤相似）：
    1. 子CA首先生成证书请求文件（CSR）。
    2. 根CA接收到CSR后，使用 openssl ca -in <CSR文件> -out <证书输出文件> -days <有效期> 命令进行签发。

AI对学习内容的总结

1. 身份认证概述

  • 地位与作用

    • 网络安全的“第一道防线”，决定访问控制、授权、审计等的可靠性。
    • 所有安全技术（机密性、完整性、身份认证等）都依赖密码学。

  • 核心目标

    1. 确认通信双方身份真实性。
    2. 防止伪装、重放、篡改等攻击。
    3. 提供身份信息的完整性与可验证性。

2. 网络身份认证威胁

威胁类型 原理 潜在后果
中间人攻击 截获、修改通信 假冒身份、信息篡改
重放攻击 重发截获认证信息 非法登录、破坏同步
密码分析 / 口令猜测 破解用户口令 非法访问
身份信息暴露 认证过程中泄露身份信息 隐私泄露
认证服务器攻击 攻破服务器获取密钥或证书 全局安全风险

补充：

  • 可结合TLS/SSL防止中间人攻击。
  • 使用随机数/时间戳机制防重放攻击。

3. 身份认证方式

认证类型 示例 优缺点
所知道的 用户名/密码 简单，但易被猜测和重放攻击
所持有的 智能卡、USB Key USB Key可实现双因素认证，智能卡静态数据易被截获
所具有的 指纹、虹膜、声纹 高安全性，但成本高、技术局限

补充：

  • 动态口令 (OTP)：基于时间同步（TOTP）或事件同步（HOTP），有效防重放攻击。
  • 多因素认证 (MFA)：结合两种以上方式，显著提高安全性。

4. PKI与Kerberos比较

特性 PKI Kerberos
密码体制 非对称加密 对称加密
认证凭证 数字证书 KDC签发票据
权威参与 CA可离线操作 KDC必须在线
数字签名/不可否认性 支持 不直接支持
应用场景 互联网身份认证（HTTPS、VPN） 局域网内部认证、单点登录

补充：

  • PKI通过证书信任链管理，提高大规模网络的身份验证可信度。
  • Kerberos适合局域网，速度快，但不适合开放互联网。

5. 数字证书与公钥归属

  • 问题：简单公钥无法保证归属，容易被冒充。
  • 解决方案：引入数字证书，由CA签名绑定公钥与身份。
  • 证书内容：持有者身份、公钥、CA签名、有效期、用途。

补充：

  • 证书验证可离线完成，依赖数字签名完整性。
  • 证书用途通过 keyUsage、extendedKeyUsage 限制。

6. PKI核心实体

实体 功能
CA（证书认证中心） 根信任源，签发与管理证书
证书持有者 拥有私钥和证书，用于签名或加密
依赖方 使用他人证书验证身份或加密通信
末端实体 持有者和依赖方统称

补充：

  • 子CA/中间CA实现分层信任管理。
  • 根CA私钥一般离线保存或使用HSM。

7. OpenSSL搭建CA环境（实战）

  • 环境：CentOS 7 + OpenSSL

  • 拓扑：根CA、子CA、用户端三台虚拟机

  • 关键步骤：

    1. 创建索引文件和序列号文件
    2. 生成根CA私钥（2048位RSA，DES3加密）
    3. 生成自签名根CA证书
    4. 子CA生成CSR → 根CA签发证书
    5. 用户证书签发同理

补充：

  • CA系统应有证书吊销机制（CRL、OCSP）
  • 配置文件定义证书存储、策略、扩展字段
  • 签发策略控制证书有效期、用途和权限
  • 私钥安全至关重要，根CA建议严格离线管理

8. 综合补充与实践建议

  1. 多因素认证结合静态密码、USB Key和生物特征，提高安全性。
  2. PKI证书管理应考虑生命周期、吊销、信任链、用途限制。
  3. Kerberos适合局域网，PKI适合互联网应用。
  4. 身份认证系统应结合日志审计与安全监控，及时发现异常。
  5. CA关键操作建议双人控制，防止单点失效或私钥泄露。

学习思维导图

mindmap root((Windows C/C++加密解密实战)) 第10章_网络身份认证 身份认证概述 地位("第一道门槛 / 防线") 基石("密码学为网络安全技术基础") 面临威胁 中间人攻击 重放攻击 密码分析/口令猜测 身份信息暴露 认证服务器攻击 认证方式 所知道的("用户名/密码") 所持有的("智能卡/USB Key") 所具有的("生物特征") 动态口令("一次一密，防重放") USB Key("强双因子认证") PKI_vs_Kerberos PKI("非对称密码体制, 数字证书, 离线CA, 支持数字签名") Kerberos("对称密码体制, KDC票据, 在线参与, 不支持签名") 第11章_数字证书与PKI实战 数字证书引入 核心问题("公钥归属问题") 解决方案("CA签发数字证书") 特点("包含公钥与身份信息, CA私钥签名, 可离线验证") PKI核心实体 CA("证书认证中心, 负责签发证书") 证书持有者("拥有证书及私钥") 依赖方("使用他人证书实现安全功能") 末端实体("证书持有者与依赖方统称") OpenSSL搭建CA 工具环境("OpenSSL, CentOS 7") 实验拓扑 主机A("根CA, 自签名") 主机B("子CA, 向根CA申请") 主机C("普通用户") 配置文件("/etc/pki/tls/openssl.cnf") 根CA步骤 创建文件("index.txt, serial") 生成私钥("openssl genrsa, DES3加密") 自签证书("openssl req -new -x509") 签发子CA证书 子CA生成CSR 根CA签发("openssl ca -in CSR -out 证书")

基于AI的学习

原对话链接：https://chatgpt.com/share/68ff5c2e-2abc-800b-9d05-f7349ca61c3f

问题 1

ChatGPT: 你能用自己的话说明一下为什么身份认证被称为网络安全的“第一道门槛”和“第一道防线”吗？

Roshein: 身份认证决定了“谁可以进入”，是网络活动合法性的源头。没有可靠的身份认证，所有的加密、完整性检查、访问控制和审计都将失去意义，因为无法信任正在执行这些操作的主体。

分析与补充:

  • 理解到位，身份认证是安全基石。
  • 补充：没有身份认证，其他安全机制如访问控制、加密验证、审计等都失去可信基础。

问题 2

ChatGPT: 在网络身份认证中，攻击者通常会采取哪些手段来破坏认证过程？

Roshein: 重放攻击、中间人攻击、口令猜测

分析:

  • 回答准确，涵盖了主要威胁。
  • 补充说明：身份信息暴露、认证服务器攻击也常见。

问题 3

ChatGPT: 选择中间人攻击或重放攻击，详细描述攻击流程并列出防护措施。

Roshein: 中间人攻击：攻击者插入通信双方的连接从中拦截发方消息，并经过监听、备份、修改等等操作后发送给听方

分析与补充:

  • 核心描述准确，抓住“拦截、篡改、转发”。
  • 补充：攻击方式包括 ARP 欺骗、DNS 劫持、恶意 Wi‑Fi 等。防护措施可用 TLS/HTTPS、VPN、双向认证、HSTS、OCSP Stapling、双因素认证。

问题 4

ChatGPT: 列出并解释两种可以有效防御中间人攻击的措施。

Roshein:

  • TLS/HTTPS：使用密钥交换（非对称+对称）保证双方受信，密文安全
  • VPN：建立独立通信隧道，通过加密保持隧道安全

分析与补充:

  • 理解核心正确。
  • 补充防护措施：
    • 证书验证：防止伪造公钥
    • 双向 TLS：双方互相验证身份
    • HSTS：防止降级攻击
    • OCSP Stapling：验证证书是否被吊销
    • 双因素认证：即使密码被窃取也无法登录

问题 5

ChatGPT: 为什么单纯使用用户名/密码方式安全性低？

Roshein: 口令认证属于单因素认证，很容易受到监听与重放；用户在创建口令时可能不够高强度

分析与补充:

  • 优点：抓住了单因素、弱口令及监听风险
  • 补充：暴力破解、凭证复用、钓鱼、数据库泄露风险，以及用户管理、可用性和密码策略问题。

问题 6

ChatGPT: MFA（或 2FA）是如何提高安全性的，并举例两种实现方式及优缺点。

Roshein:

  • MFA主要从所知道、所拥有、所持有中使用多种因素
  • OTP：手机 SMS 验证码，需要口令 + 验证码
  • TOTP：客户持有一次性密钥生成器，基于时间计算，有效期短

分析与补充:

  • 理解核心正确。
  • 补充 MFA 方法：
    • 硬件 Key（FIDO2）：安全高，成本高
    • 推送确认：体验好，依赖手机安全
    • 生物识别：用户体验好，但技术有局限

问题 7

ChatGPT: 为什么单纯使用公钥算法无法解决公钥归属问题？

Roshein: 公钥是公布的，所以任何人都可以声明公钥归属；公钥又是验签的关键，所以需要另一种公认的公钥对当前公钥验签

分析与补充:

  • 抓住问题核心：公钥归属需要第三方信任
  • CA 的数字证书通过签名验证公钥归属，建立信任链

问题 8

ChatGPT: PKI 核心实体分别是什么，它们的职责是什么？

Roshein: 证书持有者向 CA 申请证书，该证书是 CA 对持有者身份的认证；依赖方在获得证书时，先确信 CA 是可信的，则 CA 认证的持有者用户也是可信的

分析与补充:

  • 核心正确
  • 补充实体角色：
    1. 证书持有者：生成密钥对，使用私钥签名/解密
    2. CA：验证身份，签发证书，管理证书生命周期
    3. 依赖方：验证证书签名并决定是否信任

问题 9

ChatGPT: 在 OpenSSL CA 搭建中，index.txt 和 serial 文件作用？

Roshein: 不清楚（由讲解补充）

讲解补充:

  • index.txt：证书登记簿，记录每个证书状态
  • serial：证书序列号计数器，每次签发自动+1
  • 实践步骤：
  touch /etc/pki/CA/index.txt
  echo 01 > /etc/pki/CA/serial

签发证书时 CA 会读取 serial 分配序列号，并更新 index.txt 记录信息

问题 10

ChatGPT: 如果 CA 私钥泄露，会造成什么影响？

Roshein: 获知 CA 私钥的人可以随意对来历不明的公钥以 CA 名义签名，使其被认可信

分析与补充:

  • 核心正确

  • 补充影响：

    1. 可伪造任意证书，冒充域名或用户
    2. 滥发子 CA，扩大信任范围
    3. 信任链崩溃，需大规模撤销证书
    4. 历史合法证书难以区分伪造
    5. 信用与合规风险

问题 11

ChatGPT: 根 CA 私钥泄露，应立即采取哪些应急措施？

Roshein: 结束提问（由总结补充）

补充应急措施:

  1. 吊销 CA 证书和下属所有证书
  2. 生成新的根 CA 密钥对并重新签发证书
  3. 通知所有依赖方更新受信任 CA
  4. 检查和撤销所有受泄露 CA 签发的可疑证书
  5. 审计系统与日志，追踪潜在攻击

总体分析

优点

  • 抓住核心概念，逻辑清晰
  • 自主表述能力强，多数回答用自己的话表达
  • 对攻击手段、认证方式和 PKI 基本原理理解准确

不足

  • 实践细节掌握不足（OpenSSL CA 文件作用、不同 MFA 实现）
  • 对部分防护措施理解不够深入
  • 风险场景细化欠缺（CA 私钥泄露带来的连锁效应）

补充建议

  • 熟悉实战配置与操作（OpenSSL CA、证书签发流程）
  • 进一步了解 MFA 各种技术及优缺点
  • 深入掌握防护措施及安全实践（TLS/HTTPS、HSTS、OCSP、双向认证、VPN）

学习实践过程遇到的问题与解决方式

根CA的证书如何保证信任？ 根CA的证书是自签名的，那么我们对根CA的信任是如何建立起来的？它不像普通证书那样可以被上级CA验证，这种“自我证明”的机制在安全上如何保障？

  1. 操作系统或浏览器预装根证书
  2. 离线或手动导入根CA
  3. 根CA的私钥通常 严格离线保存
  4. 根签发证书时通过严格流程

X.509 属性证书与公钥证书的区别和关联？ 资料提到了授权管理基础设施（PMI）和X.509属性证书。它们的出现是为了解决PKI的哪些不足？在实际应用中，用户在认证和授权时，是如何同时使用公钥证书和属性证书的？

AI：

特性 X.509 公钥证书 X.509 属性证书（AC / PMI）
核心内容 用户公钥 + 用户身份信息 用户属性/权限信息
用途 认证：验证通信方身份 授权：授予用户操作权限或角色
签发方 证书认证中心 CA 属性管理中心（PMI）或授权机构
有效期 通常较长（1~3年） 通常较短（小时~几天），可频繁更新
与私钥的关系 公钥对应私钥，持有者可用于签名/解密 与私钥无直接关系，仅描述属性
标准 X.509 v3 X.509 v3 属性扩展（Attribute Certificate, RFC3281）
  • 解决PKI的不足
    • PKI只解决身份认证问题
    • PKI不管理权限/角色
    • 认证与授权是分开管理，需要独立更新和撤销权限

假设用户 Alice 访问一个受控资源（如机密数据库）：

  • 认证阶段（PKI）
    • Alice 提交 X.509 公钥证书。
    • 系统通过 CA 公钥验证 Alice 的身份签名。
    • 认证成功 → 确认 Alice 的身份。
  • 授权阶段（PMI + 属性证书）
    • Alice 提交 X.509 属性证书，里面包含权限信息（如“角色=管理员”或“可读表A”）。
    • 系统验证属性证书是否有效（PMI 签名、有效期、撤销列表）。
    • 授权成功 → 系统允许 Alice 执行对应操作。

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参考资料

posted @ 2025-10-27 20:00  GisliW  阅读(12)  评论(0)    收藏  举报