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在日常生活中#xff0c;在很多场景下我们都需要对当前身份做认证#xff0c;比如使用密码、人脸识别、指纹识别等#xff0c;这些都是身份认证的常用方式。本节介绍的身份认证#xff0c;是在计算机网络安全…哈工大计算机网络课程网络安全基本原理之身份认证
在日常生活中在很多场景下我们都需要对当前身份做认证比如使用密码、人脸识别、指纹识别等这些都是身份认证的常用方式。本节介绍的身份认证是在计算机网络安全中的身份认证从端到端之间通信的角度来看通信双方的两个实体如何来确认另一方通信实体的真实身份。
身份认证Authentication
在介绍身份认证时我们以一个网络安全的拟人模型模拟一个场景来讨论一下身份认证的基本原理。为此假设
目标Bob希望Alice“证明”她的身份。是不是真的Alice还是其他假扮的
为了讨论身份认证的一般性原理和过程这里我们假设去设计几个身份认证的协议来形象化地区分不同协议间在认证过程中的区别并反映身份认证协议的演进。这里假设的协议我们称为AP。
AP 1.0
这里我们首先观察一个最简单的场景在这个场景下Alice为了向Bob证实自己的身份直接向Bob发送一段信息“I am Alice” 作为这样简单的认证方式显然我们很容易想出可能的认证失效场景 在网络中任何另一方Trudy都可以简单的声明自己是“Alice“因为在网络中Bob实际上是看不到Alice的。因此这种简单直接声明的方式是非常不可靠的要进行身份认证还需要一些其他的信息。
AP2.0
为此我们对上述协议做个改进
AP2.0Alice在IP分组中声明“I am Alice“IP分组包含Alice的源IP地址。 然而在现在的Internet网络中上述方式仍然是非常不可靠的因为实际上IP地址也可以有很多方式来伪装和篡改的。 Trudy可以构造一个IP分组来伪装成Alice的IP地址向Bob发送IP分组。
为此再进一步升级协议。
AP3.0
在AP3.0的改进中我们借助于日常生活中分辨对方身份的常用方式之一口令。比如在潜伏者或者间谍对接时都会有一个密令两个人分别有密令的上句和下句。如果碰头时两句话对上了则能够成功辨别对方身份碰头成功。
因此在AP3.0中我们也加入口令这个概念
AP3.0Alice声明“I am Alice的同时发送她的秘密口令进行“证明” 在现在网络使用中我们实际上也会经常用到以上场景比如登陆网站时需要输入用户名和密码等。
但这种方式在一些更严苛的场景来说事实上仍然存在风险。其中最典型的一种失效场景就是嗅探。 比如说Trudy可以利用嗅探工具在Alice或Bob端的网络进行嗅探嗅探Alice给Bob发送的分组。通过对这个分组的分析如果这个口令包含在分组中就可以把口令提取出来。之后Trudy就可以假扮成Alice向Bob发送带有口令的IP分组。
从更简单的结果来说就比如账号被盗这样的结果就是一种上述口令身份认证失效的场景。
为了避免嗅探通常可以不在传输的IP分组中使用明文的口令而是把该口令进行加密再传输Alice与Bob之间共享对称密钥然后按照某个加密算法进行加密。因此基于上面的思想我们对AP3.0协议再改进一下。
AP3.1
协议AP3.1Alice声明“I am Alice“的同时发送她的加密的秘密口令进行“证明”。 在AP3.1中Alice向Bob发送的IP分组中就包含了加密的口令Bob收到后利用对称密钥进行解密后进行身份认证。那么这种方式是否就是绝对安全的了呢
实际上这种方式也无法绝对安全尤其在网络中存在很多攻击其中一种就是所谓的回放攻击playback attack即第三方Trudy可以使用工具截获Alice与Bob间通信的分组。虽然Trudy无法对加密的口令进行解密但是它可以把加密的口令原封不动记录下来。之后它只需要把这个加密的口令放到分组中发送给Bob即可相当于把这个截获的分组“回放”给Bob此时Bob端也会认为这个分组是Alice发送的。
因此即使AP3.1中对口令进行了加密也仍然存在被攻击的漏洞和风险。因此我们还需要进一步地进行改进。而改进的方向来说在协议3.1中之所以会被攻克是因为没有办法预防“回放攻击”为此在改进的协议中就是要找到一种机制能够避免“回放攻击”。
AP4.0
目标避免“回放攻击”
解决方案即使第三方记录了某次传输分组中的加密口令但在将来再次使用时是无效的。换句话说口令只在当前传输分组中有效下次同样的口令就无效了。
为此在协议AP4.0中引入这样 “一次性随机数nonce“概念一个生命期内只用一次的数R。
协议AP4.0为了证明是“真实的”AliceBob向Alice发送一个随机数RAlice必须返回R并利用共享密钥进行加密。过程如下所示 Alice向Bob声明自己的身份发送“I am Alice“。但是Bob仅以此无法判断Alice身份在AP4.0协议中Bob会返回一个不重复的随机数RAlice在接收到返回的随机数R后为了证明她是真实的Alice会利用Alice与Bob间共享的对称密钥对随机数R进行加密然后返回给BobBob接收到这个加密随机数R后会利用共享的对称密钥进行解密解密后与之前发送给Alice的明文随机数R进行比对如果匹配成功则Bob可以确认Alice的真实身份。
上述流程的关键在于只有Alice和Bob之间才拥有一对共享的对称密钥并以此来对随机数R进行加解密。
但这也正是AP4.0协议仍然存在的不足其实也是对称加密方法的不足。在对称加密方法中两端之间需要一个共享密钥而这个共享密钥在网络传输中是可能被截获的一旦这个密钥被截获那剩下的通信过程一定都是不再安全的。
为此更进一步的自然会想到在对称加密的方式上进行改进使用非对称加密方式利用公钥技术来进行加密。
AP 5.0
协议AP5.0利用一次性随机数以及公钥加密技术。
使用公钥加密技术后认证过程变成以下过程
Alice向Bob发送身份认证“I am Alice“Bob为了证实Alice的真实身份且不是“回放攻击”的会向Alice返回一个随机数RAlice会利用自己的私钥对收到的随机数R进行加密将密文发送给BobBob接收到后需要再次向Alice发送请求申请获取Alice的公钥Alice将公钥返回给BobBob根据该公钥对加密的随机数R进行解密再与之前的明文随机数R进行比对如果匹配则能够证实Alice的身份。 上述方式私钥是唯一保存在Alice身上的其他第三方是没有该私钥的因而也就无法构成出相同的使用该私钥加密的密文。而私钥是不会在网络中进行传输的减轻了被截获的风险。
但但是…是的即使如此协议AP5.0还是仍然存在风险悲伤…这个风险漏洞就是中间人攻击man in the middle attach。
什么是中间人攻击问题呢
假设Alice与Bob之间进行通信作为第三方入侵者Trudy介入两者通信之间对于Alice她扮演Bob对于Bob她扮演Alice。所有Alice和Bob之间的通信全部被Trudy进行截获使得Alice和Bob分别都以为他们实际上是与对方在通信。 中间人攻击这整个过程可以如上图所示过程大致如下 Alice在向Bob声明自己身份时发送“I am Alice“然后被中间人Trudy截获了Trudy把这个信息转发给Bob。 按照协议AP5.0Bob会返回一个随机数R给Alice同样被Trudy截获。 此时Trudy会用它自己的私钥对随机数R加密后返回给Bob。同时Trudy又会把R发送给Alice。 Alice会用自己的私钥加密后返回给Bob同样被Trudy截获。 由于Bob收到的加密随机数R是由Trudy返回的Trudy可能通过修改包含R的IP分组的源IP地址等方式让Bob把Trudy的IP地址当成了Alice因为Bob会向Trudy请求公钥来解密。 作为Trudy会把她自己的公钥返回给Bob。同时由于上面Alice用自己的私钥加密后被Trudy截获所以Trudy也会向Alice所要公钥。 Alice把公钥返回给Trudy。 由于Bob利用Trudy返回的公钥解密后与之前发送的明文随机数R比对后发现匹配则通过认证。此时Bob就完全认为Trudy就是Alice了。 此后如果Bob和Alice之间通信的话Bob就会用之前Trudy的公钥Bob以为是Alice的公钥实际上是Trudy的公钥加密数据后发送。Bob以为发送给Alice实际上发送给了Trudy。 Trudy用自己的私钥解密后获取了明文再用之前Alice返回的公钥进行加密再返回给Alice。
这一过程我们看到Bob和Alice之间的所有通信信息都已经被一个中间入侵者Trudy截获了而且Bob和Alice还无法感知仍然以为是与对方在安全通信。因此事实上这种中间人攻击也确实存在着很难被检测的问题。
