上的非法行為進行主動防禦和有效抑制,是當今亟待解決的重要問題。本期專題就計算機網
絡安全研究的現狀、發展動態以及相關的理論進行了論述,並介紹了幾種計算機安全模型及
開發方法。
1.開放式互聯網絡的安全問題研究 本文介紹了計算機安全研究的現狀和發展動態,並對
公鑰密碼體制和OSI的安全體系結構進行了詳細的分析。
2.計算機安全模型介紹 存取控制模型和信息流模型是計算機安全模型的兩大主流,作者
在文章中對此分別做了介紹。
3.計算機安全策略模型的開發方法 本文涉及兩類安全模型的開發方法,即函數型方法和
關系型方法,文中詳細敘述了這兩類開發方法中的狀態機模型與邊界流方法開發的具體步驟
4.Internet上防火墻的實現 目前,防火墻已成為實現網絡安全策略最有效的工具之壹。
防火墻的體系結構是什麽?防火墻有幾種類型?作者將在文章中做介紹。開放式互聯網絡的安
全問題研究
上海交通大學金橋網絡工程中心 余巍 唐冶文 白英彩
壹、開放系統對安全的需求
當前,我國正處在Internet的應用熱潮中,隨著國民經濟信息化的推進,人們對現代信息
系統的應用投入了更多的關註。人們在享受網絡所提供的各種好處的同時,還必須考慮如何
對待網上日益泛濫的信息垃圾和非法行為,必須研究如何解決Internet上的安全問題。
眾所周知,利用廣泛開放的物理網絡環境進行全球通信已成為時代發展的趨勢。但是,如
何在壹個開放的物理環境中構造壹個封閉的邏輯環境來滿足集團或個人的實際需要,已成為
必須考慮的現實問題。開放性的系統常常由於節點分散、難於管理等特點而易受到攻擊和蒙
受不法操作帶來的損失,若沒有安全保障,則系統的開放性會帶來災難性的後果。
開放和安全本身是壹對矛盾,如何進行協調,已成為我們日益關心的問題。因此,必須對
開放系統的安全性進行深入和自主的研究,理清實現開放系統的安全性所涉及的關鍵技術環
節,並掌握設計和實現開放系統的安全性的方案和措施。
二、計算機安全概論
在現實社會中會遇到各種威脅,這些威脅來自各方面,有些是由於我們自身的失誤而產生
的,有些是各種設施和設備失常而造成的,也有壹些是由各種自然災害引起的。這些危害的壹
個***同特點是"被動的",或者說是帶有偶然性的,它不屬於本文所要研究的範疇。最危險的威
脅是"主動的"。所謂"主動威脅"是指人故意做出的,這些人出於各種各樣的目的,他們的目標
就是要使對手蒙受損失,自己獲得利益。 計算機安全包括:
·計算機實體的安全 如計算機機房的物理條件及設施的安全標準、計算機硬件的安裝
及配置等。
·軟件安全 如保護系統軟件與應用軟件不被非法復制、不受病毒的侵害等 。
·計算機的數據安全 如網絡信息的數據安全、數據庫系統的安全。
·計算機的運行安全 如運行時突發事件的安全處理等。包括計算機安全技術、計算機
安全管理和計算機安全評價等內容。
對於計算機網絡的安全問題,壹方面,計算機網絡具有資源的***享性,提高了系統的可靠
性,通過分散負荷,提高了工作效率,並具有可擴充性;另壹方面,正是由於這些特點,而增加了
網絡的脆弱性和復雜性。資源的***享和分布增加了網絡受攻擊的可能性。現在的網絡不僅有
局域網(LAN),還有跨地域采用網橋(Bridge)、網關(Gateway)設備、調制解調器、各種公用
或專用的交換機及各種通信設備,通過網絡擴充和異網互聯而形成的廣域網(WAN)。由於大大
增加了網絡的覆蓋範圍和密度,更難分清網絡的界限和預料信息傳輸的路徑,因而增加了網絡
安全控制管理的難度。
計算機網絡系統的安全性設計和實現包括以下五個因素:
·分析安全需求 分析本網絡中可能存在的薄弱環節以及這些環節可能造成的危害和由
此產生的後果。
·確定安全方針 根據上述安全需求分析的結果,確定在網絡中應控制哪些危害因素及
控制程度、應保護的資源和保護程度。
·選擇安全功能 為了實現安全方針而應具備的功能和規定。
·選擇安全措施 實現安全功能的具體技術和方法。
·完善安全管理 為有效地運用安全措施,體現安全功能,而采取的支持性和保證性的技
術措施,包括有關信息報告的傳遞等。
本文主要討論網絡資源的安全性,尤其是網絡在處理、存儲、傳輸信息過程中的安全性
,因此,衡量網絡安全性的指標是可用性、完整性和保密性。
·可用性(Availability) 當用戶需要時,就可以訪問系統資源。
·完整性(Integrity) 決定系統資源怎樣運轉以及信息不能被未授權的來源替代和破壞
·機密性(Confidentiality) 定義哪些信息不能被窺探,哪些系統資源不能被未授權的
用戶訪問。
任何信息系統的安全性都可以用4A的保密性來衡量,即:
·用戶身份驗證(Authentication) 保證在用戶訪問系統之前確定該用戶的標識,並得
到驗證(如口令方式)。
·授權(Authorization) 指某個用戶以什麽方式訪問系統。
·責任(Accountablity) 如檢查跟蹤得到的事件記錄,這是業務控制的主要領域,因為
它提供證據(Proof)和跡象(Evidence)。
·保證(Assurance) 系統具有什麽級別的可靠程度。
三、計算機安全研究的現狀與發展動態
60年代以前,西方註意的重點是通信和電子信號的保密。60年代中期,美國官方正式提出
計算機安全問題。1981年美國成立了國防部安全中心(NCSC),1983年正式發布了《桔皮書》
,此書及以後發布的壹系列叢書,建立了有關計算機安全的重要概念,影響了壹代產品的研制
和生產,至今仍具有權威性。 ISO在提出OSI/RM以後,又提出了ISO/7498-2(安全體系結構)。
另外,從80年代中期開始,CEC(Commission of European Communications)以合作***享成果
的方式進行了壹系列工作,探討和研究了適用於開放式計算機系統的環境和可集成的安全系
統。 隨著Internet網上商業應用的發展,發達國家開始了防火墻的研究和應用工作。
近年來,國內外在安全方面的研究主要集中在兩個方面:壹是以密碼學理論為基礎的各種
數據加密措施;另壹是以計算機網絡為背景的孤立的通信安全模型的研究。前者已更多地付
諸於實施,並在實際應用中取得了較好的效果;而後者尚在理論探索階段,且不健全,特別是缺
乏有機的聯系,僅局限於孤立地開展工作。ISO在1989年提出了壹個安全體系結構,雖然包括
了開放式系統中應該考慮的安全機制、安全管理以及應提供的安全服務,但只是壹個概念模
型,至今仍未能有真正適用於實際的形式化的安全模型。盡管如此,眾多的學者和科研機構在
此基礎上還是進行了許多有益的探索。
對於分布式安全工程的實施,MIT於1985年開始進行Athena工程,最終形成了壹個著名的
安全系統Kerb-deros。這個系統是壹個基於對稱密碼體制DES的安全客戶服務系統,每個客戶
和密鑰中心公用壹個密鑰。它的特點是中心會記住客戶請求的時間,並賦予壹個生命周期,用
戶可以判斷收到的密鑰是否過期。它的缺點在於,網上所有客戶的時鐘必須同步。另外,它忽
略了壹個重要的問題———安全審計。在網絡環境下,必須考慮多級安全的需要,如美國軍用
DDN網的多級安全性研究。此外,還應考慮不同域之間的多級安全問題。由於各個域的安全策
略有可能不同,因此,必須考慮各個域之間的協調機制,如安全邏輯和壹致性的訪問控制等。
Internet的基礎協議TCP/IP協議集中有壹系列缺陷,如匿名服務及廣播等,因此,可能會
導致路由攻擊、地址欺騙和假冒身份所進行的攻擊。為此,提出了大量的RFC文檔,表明了TC
P/IP協議和Internet之間密不可分的關系。隨著應用的深入,TCP/IP中的各種問題首先在In
ternet上發現,並在實際中得到了解決。有的學者考慮到Unix環境下的遠程過程調用中,采用
UDP方式易受到非法監聽,以及DES算法密鑰傳輸的困難性,建議采用公鑰體制。
有關Internet的安全應用,已有大量的文獻報導。如采用壹個能提供安全服務並適用於
開放式環境的企業集成網EINET,它根據Internet的服務是采用Client/Server結構的特點,向
用戶提供壹個"柔性"的安全框架,既能兼顧安全性又能兼顧開放性,使用戶不會因為安全機制
的提供而影響對網上數據的正常訪問。它以OSI的安全體系為基礎,構造了壹個三層的安全體
系結構,即安全系統、安全操作和安全管理。最後,將安全系統集成到Internet上的各種應用
中,如FTP、Telnet、WAIS和E-mail等。又如,對Internet上的各種瀏覽工具Gopher、WAIS和
WWW的安全性提出了建議,像末端用戶認證機制、訪問控制、數據安全及完整性,等等。考慮
到Client/Server結構的特點,可以運用對象管理組(Object Management Group)實施多級分
布式安全措施,並提出壹個基於OSI考慮的通用的安全框架,將安全模塊和原有的產品進行集
成。
在有的文獻中討論了公用交換電信網在開放環境下所面臨的威脅,並在政策措施方面提
出公司應與政府合作,通過OSI途徑,開發實用的工具,進行公用網的安全管理。同時指出了在
分布式多域的環境下,建立壹個國際標準的分布式安全管理的重要性,並著重從分布式管理功
能服務的角度進行了闡述。由於網絡的開放性和安全性是壹對矛盾,所以,必須對在網絡通信
中,由於安全保密可能引起的壹系列問題進行探討。現在,網絡上采用的安全信關設備只能保
證同壹級別上保密的有效性,對於不同級別的用戶必須進行協議安全轉換,因此而形成網絡通
信的瓶頸。因此,采用保密信關設備進行互聯只是權宜之計。要解決這個問題,就必須從網絡
的安全體系上進行考慮。目前,高速網的安全問題已經逐漸被人們所重視,如ATM和ISDN網絡
安全性研究等。主要的研究問題有:高性能快速加密算法的研究、信元丟失對密碼系統的影
響等。
在壹個安全系統中,除了加密措施外,訪問控制也起很重要的作用。但是,壹般的訪問控
制技術,如基於源、目的地址的網關節點上的濾波技術,由於處於網絡層,不能對應用層的地
址信息進行有意義的決策,因而不能對付冒名頂替的非法用戶。另外,由於常見的訪問控制矩
陣比較稀疏,增加用戶項時效率不高,而且不能進行有效的刪除操作。因此,應該研究壹種有
效的動態訪問控制方法。
四、公鑰密碼體制
計算機網絡安全的發展是以密碼學的研究為基礎的。隨著密碼學研究的進展,出現了眾
多的密碼體制,極大地推動了計算機網絡安全的研究進程。
1.對稱密碼體制
壹個加密系統,如果加密密鑰和解密密鑰相同,或者雖不相同,但可以由其中壹個推導出
另壹個,則是對稱密碼體制。最常見的有著名的DES算法等。其優點是具有很高的保密強度,
但它的密鑰必須按照安全途徑進行傳遞,根據"壹切秘密寓於密鑰當中"的公理,密鑰管理成為
影響系統安全的關鍵性因素,難於滿足開放式計算機網絡的需求。
DES是壹種數據分組的加密算法,它將數據分成長度為64位的數據塊,其中8位作為奇偶校
驗,有效的密碼長度為56位。首先,將明文數據進行初始置換,得到64位的混亂明文組,再將其
分成兩段,每段32位;然後,進行乘積變換,在密鑰的控制下,做16次叠代;最後,進行逆初始變
換而得到密文。
對稱密碼體制存在著以下問題:
·密鑰使用壹段時間後就要更換,加密方每次啟動新密碼時,都要經過某種秘密渠道把密
鑰傳給解密方,而密鑰在傳遞過程中容易泄漏。
·網絡通信時,如果網內的所有用戶都使用同樣的密鑰,那就失去了保密的意義。但如果
網內任意兩個用戶通信時都使用互不相同的密鑰,N個人就要使用N(N-1)/2個密鑰。因此,密
鑰量太大,難以進行管理。
·無法滿足互不相識的人進行私人談話時的保密性要求。
·難以解決數字簽名驗證的問題。
2.公鑰密碼體制
如果將壹個加密系統的加密密鑰和解密密鑰分開,加密和解密分別由兩個密鑰來實現,並
且,由加密密鑰推導出解密密鑰(或由解密密鑰推導出加密密鑰)在計算上是不可行的,壹般系
統是采用公鑰密碼體制。采用公鑰密碼體制的每壹個用戶都有壹對選定的密鑰,壹個可以公
開,壹個由用戶秘密保存。公鑰密碼體制的出現是對現代密碼學的壹個重大突破,它給計算機
網絡的安全帶來了新的活力。
公鑰密碼體制具有以下優點:
·密鑰分配簡單。由於加密密鑰與解密密鑰不同,且不能由加密密鑰推導出解密密鑰,因
此,加密密鑰表可以像電話號碼本壹樣,分發給各用戶,而解密密鑰則由用戶自己掌握。
·密鑰的保存量少。網絡中的每壹密碼通信成員只需秘密保存自己的解密密鑰,N個通信
成員只需產生N對密鑰,便於密鑰管理。
·可以滿足互不相識的人之間進行私人談話時的保密性要求。
·可以完成數字簽名和數字鑒別。發信人使用只有自己知道的密鑰進行簽名,收信人利
用公開密鑰進行檢查,即方便又安全。
由於具有以上優點,在短短的幾十年中,相繼出現了幾十種公鑰密碼體制的實現方案。如
:W·Deffie和M·E·Hellmanbit提出了壹種稱為W·Deffie和M·E·Hellman協議的公鑰交換
體制,它的保密性是基於求解離散對數問題的困難性;Rivest、Shamir和Adleman提出了基於
數論的RSA公鑰體制,它的依據是大整數素因子的分解是十分困難的;我國學者陶仁驥、陳世
華提出的有限自動機密碼體制,是目前唯壹的以壹種時序方式工作的公鑰體制,它的安全性是
建立在構造非線性弱可逆有限自動機弱逆的困難性和矩陣多項式分解的困難性上的;Merkle
和Herman提出了壹種將求解背包的困難性作為基礎的公鑰體制。此外,在上述基礎上還形成
了眾多的變形算法。
五、ISO/OSI安全體系結構
安全體系結構、安全框架、安全模型及安全技術這壹系列術語被認為是相互關聯的。安
全體系結構定義了最壹般的關於安全體系結構的概念,如安全服務、安全機制等;安全框架定
義了提供安全服務的最壹般方法,如數據源、操作方法以及它們之間的數據流向;安全模型是
表示安全服務和安全框架如何結合的,主要是為了開發人員開發安全協議時采用;而安全技術
被認為是壹些最基本的模塊,它們構成了安全服務的基礎,同時可以相互任意組合,以提供更
強大的安全服務。
國際標準化組織於1989年對OSI開放互聯環境的安全性進行了深入的研究,在此基礎上提
出了OSI安全體系,定義了安全服務、安全機制、安全管理及有關安全方面的其它問題。此外
,它還定義了各種安全機制以及安全服務在OSI中的層位置。為對付現實中的種種情況,OSI定
義了11種威脅,如偽裝、非法連接和非授權訪問等。
1.安全服務
在對威脅進行分析的基礎上,規定了五種標準的安全服務:
·對象認證安全服務 用於識別對象的身份和對身份的證實。OSI環境可提供對等實體認
證和信源認證等安全服務。對等實體認證是用來驗證在某壹關聯的實體中,對等實體的聲稱
是壹致的,它可以確認對等實體沒有假冒身份;而數據源點鑒別是用於驗證所收到的數據來源
與所聲稱的來源是否壹致,它不提供防止數據中途修改的功能。
·訪問控制安全服務 提供對越權使用資源的防禦措施。訪問控制可分為自主訪問控制
和強制型訪問控制兩類。實現機制可以是基於訪問控制屬性的訪問控制表、基於安全標簽或
用戶和資源分檔的多級訪問控制等。
·數據保密性安全服務 它是針對信息泄漏而采取的防禦措施。可分為信息保密、選擇
段保密和業務流保密。它的基礎是數據加密機制的選擇。
·數據完整性安全服務 防止非法篡改信息,如修改、復制、插入和刪除等。它有五種形
式:可恢復連接完整性、無恢復連接完整性、選擇字段連接完整性、無連接完整性和選擇字
段無連接完整性。
·訪抵賴性安全服務 是針對對方抵賴的防範措施,用來證實發生過的操作。可分為對發
送防抵賴、對遞交防抵賴和進行公證。
2.安全機制
壹個安全策略和安全服務可以單個使用,也可以組合起來使用,在上述提到的安全服務中
可以借助以下安全機制:
·加密機制 借助各種加密算法對存放的數據和流通中的信息進行加密。DES算法已通過
硬件實現,效率非常高。
·數字簽名 采用公鑰體制,使用私有密鑰進行數字簽名,使用公有密鑰對簽名信息進行
證實。
·訪問控制機制 根據訪問者的身份和有關信息,決定實體的訪問權限。訪問控制機制的
實現常常基於壹種或幾種措施,如訪問控制信息庫、認證信息(如口令)和安全標簽等。
·數據完整性機制 判斷信息在傳輸過程中是否被篡改過,與加密機制有關。
·認證交換機制 用來實現同級之間的認證。
·防業務流量分析機制 通過填充冗余的業務流量來防止攻擊者對流量進行分析,填充過
的流量需通過加密進行保護。
·路由控制機制 防止不利的信息通過路由。目前典型的應用為IP層防火墻。
·公證機制 由公證人(第三方)參與數字簽名,它基於通信雙方對第三者都絕對相信。目
前,Internet上的許多Server服務都向用戶提供此機制。
3.安全管理
為了更有效地運用安全服務,需要有其它措施來支持它們的操作,這些措施即為管控。安
全管理是對安全服務和安全機制進行管理,把管理信息分配到有關的安全服務和安全機制中
去,並收集與它們的操作有關的信息。
OSI概念化的安全體系結構是壹個多層次的結構,它本身是面向對象的,給用戶提供了各
種安全應用,安全應用由安全服務來實現,而安全服務又是由各種安全機制來實現的。如圖所
示。
@@05085000.GIF;圖1 OSI安全系統層次結構@@
OSI提出了每壹類安全服務所需要的各種安全機制,而安全機制如何提供安全服務的細節
可以在安全框架內找到。
壹種安全服務可以在OSI的層協議上進行配置。在具體的實現過程中,可以根據具體的安
全需求來確定。OSI規定了兩類安全服務的配置情況:即無連接通信方式和有連接通信方式。
4.安全層協議擴展和應用標準
國際標準化組織提出了安全體系結構,並致力於進行安全層協議的擴展和各種應用標準
的工作。
為了把安全功能擴展到層協議上,目前,有兩個小組負責這方面的工作。壹是ISO/IEC分
委會中的JTC1/SC6,主要負責將安全功能擴展到傳輸層及網絡層的服務和協議上;另壹個是J
TC1/SC21,負責把安全功能擴展到表示層和應用層上。目前,在建立會話(相當於應用層連接
)的同時,可以進行經過登記的雙向驗證交換,這使任何OSI應用在進行會話時均可采用公鑰密
碼驗證機制。此外,保密交換應用服務單元也是OSI/IEC和CCITT正在研究的問題。如果這壹
問題解決,將能把保密信息交換(如公鑰驗證交換)綜合到應用層協議中。
在應用方面,OSI大都包含了安全功能,如MHS(文電作業系統)和目錄驗證應用協議均對安
全性進行了綜合的考慮,而且兩者都應用了公鑰密碼體制。
(1)公鑰密碼技術的安全標準
ISO/IEC分委會下的JTC1/SC27小組負責制定整個信息安全技術領域的標準,其中也包括
OSI。該小組主要以公鑰密碼技術為基礎制定安全標準,其中包括雙方、三方、四方的公鑰驗
證技術。
(2)網絡層公鑰密碼技術
網絡層可以提供端到端加密和子網保密。這不僅可以使尋址信息和高層協議信息受到保
護,而且對網絡管理人員控制以外的應用也可進行保護。網絡安全協議(NLSP)標準由ISO/IE
C的JTC1/SC6小組負責。該協議采用了公鑰和對稱密碼相混合的方式來實現安全任務,采用對
稱式密碼體制(如DES)來保證機密性,而用公鑰系統(如RSA)進行驗證。對於在大型網絡系統
中建立保密呼叫來說,這壹混合體制很有前途。
(3)目錄驗證框架
OSI目錄標準(CCITT X.500)為計算機/通信系統的互聯提供了邏輯上完整、物理上分散
的目錄系統。目錄涉及互聯系統復雜的配置關系和數量上眾多的用戶,因此,在目錄環境中的
機密性證書和簽名證書的分發,有著極為重要的作用。
目錄驗證框架包括:
·驗證機制的描述;
·目錄中用戶密鑰的獲取方法;
·RSA算法描述;
·解釋材料。
(4)用於文電作業系統的公鑰密碼
CCITT 1984年版的MHS(X.400)中未提出安全要求,但1988年版增加了以下安全內容:驗證
、完整性、機密性、訪問控制和防復制性。這些服務可用混合方式由公鑰密碼加以保護。
六、存在的問題及解決方法
1.加密的效率及可靠性問題
在網絡中引入安全服務和安全管理後,如同等實體鑒別及訪問控制等機制,網絡的安全性
加強了,但是,網絡的通信效率下降,實時性變差。效率下降的主要原因是由於加密算法的復
雜性而引起計算量的增大。因此,應該研究簡單、適用且效率高的加密算法。為了提高加密
的速度,還應該對加密算法的硬件實現進行研究。
2.安全保密和網絡互通問題
安全保密的特性決定了網絡加密會損害網絡的互通性。目前,流行的做法是在網絡中引
入保密網關設備,即在網關設備上設置安全功能,實現安全協議的轉換。但是,這種做法存在
著許多問題,它會造成網絡通信的瓶頸,引起通信效率的下降。因此,采用保密網關設備只是
權宜之計,還必須從整個網絡的安全體系結構出發,采取措施。現有的OSI安全體系只是針對
網絡通信的安全而言,而開放式系統的安全不僅與網絡通信有關,還和參與通信的末端系統有
關。目前,這兩者只是孤立地進行研究。要實現不同域內的系統中不同級別用戶之間的安全
互通,我們應將兩者結合起來。
3.網絡規模和網絡安全問題
由於網絡規模擴大了,相應地,網絡的薄弱環節和受到攻擊的可能性也就增加了,密鑰的
分配和安全管理問題也就比較突出。因此,必須對鑒別機制、訪問控制機制和密鑰的分發機
制進行研究。
4.不同安全域內的多級安全問題
由於不同安全域內的安全政策不同,且每壹個安全域的用戶不同,其相應的安全級別也不
同。因此,要實現不同域內不同級別的用戶之間的安全互通,必須對中間的協調機制進行研究
。應對OSI安全體系結構進行研究,理清安全需求、安全服務和安全機制在OSI各層中的位置
與作用, 並通過對安全管理數據庫(SMIB)和安全管理模塊的分析, 研究SMIB分配和使用的安
全管理協議及各管理Agent之間的相互協作和通信問題, 從而進壹步研究OSI安全設施的集成
（計算機世界報 1997年 第5期）