TCP/IP协议基础之四（TCP/IP的安全性）

TCP/IP的层次不同提供的安全性也不同，例如，在网络层提供虚拟私用网络，在传输层提供安全套接服务。下面将分别介绍TCP/IP不同层次的安全性和提高各层安全性的方法。

一、Internet层的安全性

对Internet层的安全协议进行标准化的想法早就有了。在过去十年里，已经提出 了一些方案。例如，“安全协议3号(SP3)”就是美国国家安全局以及标准技术协 会作为“安全数据网络系统(SDNS)”的一部分而制定的。“网络层安全协议(NLS P)”是由国际标准化组织为“无连接网络协议(CLNP)”制定的安全协议标准。 “集成化NLSP(I-NLSP)”是美国国家科技研究所提出的包括IP和CLNP在内的统一 安全机制。SwIPe是另一个Intenet层的安全协议，由Ioannidis和Blaze提出并实 现原型。所有这些提案的共同点多于不同点。事实上，他们用的都是IP封装技术。 其本质是，纯文本的包被加密，封装在外层的IP报头里，用来对加密的包进行In ternet上的路由选择。到达另一端时，外层的IP报头被拆开，报文被解密，然后 送到收报地点。

Internet工程特遣组(IETF)已经特许Internet协议安全协议(IPSEC)工作组对IP安 全协议(IPSP)和对应的Internet密钥管理协议(IKMP)进行标准化工作。IPSP的主 要目的是使需要安全措施的用户能够使用相应的加密安全体制。该体制不仅能在 目前通行的IP(IPv4)下工作，也能在IP的新版本(IPng或IPv6)下工作。该体制应 该是与算法无关的，即使加密算法替换了，也不对其他部分的实现产生影响。此 外，该体制必须能实行多种安全政策，但要避免给不使用该体制的人造成不利影 响。按照这些要求，IPSEC工作组制订了一个规范：认证头(Authentication Hea der，AH)和封装安全有效负荷(Encapsulating Security Payload，ESP)。简言之， AH提供IP包的真实性和完整性，ESP提供机要内容。

IP AH指一段消息认证代码(Message Authentication Code，MAC)，在发送IP包之 前，它已经被事先计算好。发送方用一个加密密钥算出AH，接收方用同一或另一 密钥对之进行验证。如果收发双方使用的是单钥体制，那它们就使用同一密钥； 如果收发双方使用的是公钥体制，那它们就使用不同的密钥。在后一种情形，AH 体制能额外地提供不可否认的服务。事实上，有些在传输中可变的域，如IPv4中 的time-to-live域或IPv6中的hop limit域，都是在AH的计算中必须忽略不计的。 RFC 1828首次规定了加封状态下AH的计算和验证中要采用带密钥的MD5算法。而与 此同时，MD5和加封状态都被批评为加密强度太弱，并有替换的方案提出。

IP ESP的基本想法是整个IP包进行封装，或者只对ESP内上层协议的数据(运输状 态)进行封装，并对ESP的绝大部分数据进行加密。在管道状态下，为当前已加密 的ESP附加了一个新的IP头(纯文本)，它可以用来对IP包在Internet上作路由选择。 接收方把这个IP头取掉，再对ESP进行解密，处理并取掉ESP头，再对原来的IP包 或更高层协议的数据就象普通的IP包那样进行处理。RFC 1827中对ESP的格式作了 规定，RFC 1829中规定了在密码块链接(CBC)状态下ESP加密和解密要使用数据加 密标准(DES)。虽然其他算法和状态也是可以使用的，但一些国家对此类产品的进 出口控制也是不能不考虑的因素。有些国家甚至连私用加密都要限制。

AH与ESP体制可以合用，也可以分用。不管怎么用，都逃不脱传输分析的攻击。人 们不太清楚在Internet层上，是否真有经济有效的对抗传输分析的手段，但是在 Internet用户里，真正把传输分析当回事儿的也是寥寥无几。

1995年8月，Internet工程领导小组(IESG)批准了有关IPSP的RFC作为Internet标 准系列的推荐标准。除RFC 1828和RFC 1829外，还有两个实验性的RFC文件，规定 了在AH和ESP体制中，用安全散列算法(SHA)来代替MD5(RFC 1852)和用三元DES代 替DES(RFC 1851)。

在最简单的情况下，IPSP用手工来配置密钥。然而，当IPSP大规模发展的时候，就需要在Internet上建立标准化的密钥管理协议。这个密钥管理协议按照IPSP安全条例的要求，指定管理密钥的方法。

因此，IPSEC工作组也负责进行Internet密钥管理协议(IKMP)，其他若干协议的标准化工作也已经提上日程。其中最重要的有：

IBM 提出的“标准密钥管理协议(MKMP)”

Phil Karn 提出的“Photuris密钥管理协议”

Hugo Krawczik 提出的“安全密钥交换机制(SKEME)”

NSA 提出的“Internet安全条例及密钥管理协议”

Hilarie Orman 提出的“OAKLEY密钥决定协议”

在这里需要再次强调指出，这些协议草案的相似点多于不同点。除MKMP外，它们都要求一个既存的、完全可操作的公钥基础设施(PKI)。MKMP没有这个要求，因为它假定双方已经共同知道一个主密钥(Master Key)，可能是事先手工发布的。SK IP要求Diffie-Hellman证书，其他协议则要求RSA证书。

1996年9月，IPSEC决定采用OAKLEY作为ISAKMP框架下强制推行的密钥管理手段， 采用SKIP作为IPv4和IPv6实现时的优先选择。目前已经有一些厂商实现了合成的 ISAKMP/OAKLEY方案。

Photuris以及类Photuris的协议的基本想法是对每一个会 话密钥都采用Diffie-Hellman密钥交换机制，并随后采用签名交换来确认Diffie --Hellman参数，确保没有“中间人”进行攻击。这种组合最初是由Diffie、Oos chot和Wiener在一个“站对站(STS)”的协议中提出的。Photuris里面又添加了一 种所谓的“cookie”交换，它可以提供“清障(anti-logging)”功能，即防范对 服务攻击的否认。 Photuris以及类Photuris的协议由于对每一个会话密钥都采用Diffie-Hellman密 钥交换机制，故可提供回传保护(back-traffic protection，BTP)和完整转发安 全性(perfect-forward secrecy，PFS)。实质上，这意味着一旦某个攻击者破解 了长效私钥，比如Photuris中的RSA密钥或SKIP中的Diffie-Hellman密钥，所有其 他攻击者就可以冒充被破解的密码的拥有者。但是，攻击者却不一定有本事破解 该拥有者过去或未来收发的信息。

值得注意的是，SKIP并不提供BTP和PFS。尽管它采用Diffie-Hellman密钥交换机 制，但交换的进行是隐含的，也就是说，两个实体以证书形式彼此知道对方长效 Diffie--Hellman 公钥，从而隐含地共享一个主密钥。该主密钥可以导出对分组 密钥进行加密的密钥，而分组密钥才真正用来对IP包加密。一旦长效Diffie-Hel lman密钥泄露，，则任何在该密钥保护下的密钥所保护的相应通信都将被破解。 而且SKIP是无状态的，它不以安全条例为基础。每个IP包可能是个别地进行加密 和解密的，归根到底用的是不同的密钥。

SKIP不提供BTP和PFS这件事曾经引起IPSEC工作组内部的批评，该协议也曾进行过 扩充，试图提供BTP和PFS。但是，扩充后的SKIP协议版本其实是在BTP和PFS功能 的提供该协议的无状态性之间的某种折衷。实际上，增加了BTP和PFS功能的SKIP 非常类似于Photuris以及类Photuris的协议，唯一的主要区别是SKIP(仍然)需要 原来的Diffie-Hellman证书。这一点必须注意:目前在Internet上，RSA证书比其 他证书更容易实现和开展业务。

大多数IPSP及其相应的密钥管理协议的实现均基于Unix系统。任何IPSP的实现都 必须跟对应协议栈的源码纠缠在一起，而这源码又能在Unix系统上使用，其原因 大概就在于此。但是，如果要想在Internet上更广泛地使用和采纳安全协议，就 必须有相应的DOS或Windows版本。而在这些系统上实现Internet层安全协议所直 接面临的一个问题就是，PC上相应的实现TCP/IP的公共源码资源什么也没有。为 克服这一困难，Wagner和Bellovin实现了一个IPSEC模块，它象一个设备驱动程序 一样工作，完全处于IP层以下。

Internet层安全性的主要优点是它的透明性，也就是说，安全服务的提供不需要 应用程序、其他通信层次和网络部件做任何改动。它的最主要的缺点是: Intern et层一般对属于不同进程和相应条例的包不作区别。对所有去往同一地址的包， 它将按照同样的加密密钥和访问控制策略来处理。这可能导致提供不了所需的功 能，也会导致性能下降。针对面向主机的密钥分配的这些问题，RFC 1825允许(甚 至可以说是推荐) 使用面向用户的密钥分配，其中，不同的连接会得到不同的加 密密钥。但是，面向用户的密钥分配需要对相应的操作系统内核作比较大的改动。

虽然IPSP的规范已经基本制订完毕，但密钥管理的情况千变万化，要做的工作还 很多。尚未引起足够重视的一个重要的问题是在多播 (multicast)环境下的密钥 分配问题，例如，在Internet多播骨干网(MBone)或IPv6网中的密钥分配问题。

简而言之，Internet层是非常适合提供基于主机对主机的安全服务的。相应的安 全协议可以用来在Internet上建立安全的IP通道和虚拟私有网。例如，利用它对 IP包的加密和解密功能，可以简捷地强化防火墙系统的防卫能力。事实上，许多厂商已经这样做了。RSA数据安全公司已经发起了一个倡议，来推进多家防火墙和 TCP/IP软件厂商联合开发虚拟私有网。该倡议被称为S-WAN(安全广域网)倡议。其 目标是制订和推荐Internet层的安全协议标准。

二、传输层的安全性

在Internet应用编程序中，通常使用广义的进程间通信(IPC)机制来与不同层次的 安全协议打交道。比较流行的两个IPC编程界面是BSD Sockets和传输层界面(TLI)， 在Unix系统V命令里可以找到。

在Internet中提供安全服务的首先一个想法便是强化它的IPC界面，如BSD Socke ts等，具体做法包括双端实体的认证，数据加密密钥的交换等。Netscape通信公 司遵循了这个思路，制定了建立在可靠的传输服务(如TCP/IP所提供)基础上的安 全套接层协议(SSL)。SSL版本3(SSL v3)于1995年12月制定。它主要包含以下两个 协议：