1 網際網路的資訊安全 陳以德. 2 Outline(1/2) 密碼學簡介 – 網路傳輸的危險性...

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網際網路的資訊安全

陳以德

2

Outline(1/2)

• 密碼學簡介– 網路傳輸的危險性– 加密與解密– 對稱性加密 (Substitution, Transposition, AES)

– 非對稱性加密 (RSA)

– MAC

– 電子簽章

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Outline(2/2)

• 防火牆 (Firewall)– 簡單交通記錄系統– Packet Filtering

– Application Gateway

– Proxy Server

– Screened Host Firewall

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明文在網路上傳輸的危險性

Sniffer

pw: 天地玄黃 pw: 天地玄黃

pw: 天地玄黃

eavesdropper

A B

E

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其他傳輸 Attack

• Eavesdropping

• OS 漏洞• Password 的竊取• Spoofing, Spam, Intrusion

• Session Hijacking

• 特洛依木馬 Troy 、 virus 、 trapdoor

• Covert Channel

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加密系統的應用

NetXray

pw: 天地玄黃 pw: 天地玄黃

eavesdropper

A B

加密

@#$%&*

解密

@#$%&*

@#$%&*

E

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加 密 與 解 密

Decryption

Encryption

M CeK

dK密文明文

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對稱 ,秘密與公開金匙

對稱金匙 (Symmetric Key) 系統 Ke=Kd

非對稱金匙 (Asymmetric Key) 系統 Ke≠Kd

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表　白 　雖萍水相逢，但覺你是很好的人，仔細思考後，決定向你用以最最笨拙的方式表白，也許我沒有你想要的優點，也許是一廂情願，我卻甘心．我並不需要你的回報，我只願默默的關心你，在背後祝福你，不讓你苦惱，也無意擾亂你生活，要是你深覺不妥，我願意忍住痛苦，裝做不曾為了你而動過心，我不是聰明伶俐的人，但也不至是如此不明理的人．年輕都會有夢想，我的愚昧，使我踏入了情感陷阱，整個人就如斷線風箏，飛向夢想．在這季節裡，天氣正如我的心情，時而愉快，時而感傷．此時，我不抱任何樂觀的態度，但只願你瞭解我的心． ．．．僅以真誠的心．．．

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Substitution Ciphers( 對稱性加密 )

原始文字與加密文字對照表

•那麼 apple 這個字就會變成 bqqmf 了• I love you 變成 j mpwf zpv•加密時向右移一位 , 解密時向左移一位•加解密的 Key 相同

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A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V WX Y ZB C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A

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Transposition Ciphers

這富額代能都一獸貴上表買能個又，打名賣夠人強奴印字。算。迫隸記的這出這所或。數裡獸數有自這字需的字的由印；要數是人人記沒有字六，，就有智，百無在是這慧因六論他那印。為十大們獸記凡這六小的的的是數。，右右，聰字貧手字就明代窮和或不人表

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這富額代能都一　獸貴上表買能個　又，打名賣夠人　強奴印字。算。迫隸記的這出這所或。數裡獸數有自這字需的字的由印；要數是人人記沒有字六，，就有智，百無在是這慧因六論他那印。為十大們獸記凡這六小的的的是數。，右右，聰字貧手字就明代窮和或不人表

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Vigenere 加密法

Jwlmliplopwkjmiplopwkjmzieufvhshhnabhofodqfauiipjaoxabtwlmleffrsnruhloggbnn

Fesnedxabieltmbeevuiqzizjlogoomoziipfvhsslochiewpufiegnykfauuinoozuhhseltnw

brDedotrpdhfpdnoxotdjnvphlhhlucdotnfeslehqmhbwdzazbyisopiivmoyf

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DES(Data Encryption Standard)

• Plaintext M(64 bits)

• Ciphertext C(64 bits)

• Key K(56 bits or 64 bits)

• Round Function F(X, Y) :

X(32 bits) and Y(48 bits)

• Rounds: 16

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DES(Cont.)

• IP: initial permutation IP(M) = (L, R)

• FP: final permutation : IP.FP = FP.IP

• (Ln, Rn) = (Rn-1, Ln-1 F(Rn-1, K))

• F(X, Y) = Perm(S_box( Ext(X) Y))

• C = FP(R, L)

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Plaintext

Plaintext

L0

L16=R15

R15=L14 xor f(R14,K15)

R2=L0 xor f(R0,K1)

R1=L0 xor f(R0,K1)

R0

R16=L15 xor f(R15,K16)

L15=R14

L1=R0

L2=R1

IP

f

f

IP -1

f

K 1

K 2

K 16

DES(Fig.)

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DES(One round)

L i-1 R i-1

R iL i

E-box Permutation

P-box Permutation

S-boxes Substitution

K e y

Left Shift Left Shift

Compression Permutation

32 位 元32 位 元48 位 元

subkey: 48 位 元

28 位 元28 位 元

32 位 元

f fu n c tio n

su b k ey s ª º² £¥ Í

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Triple DES

Plaintext Ciphertext

DES

DES DESDES-1

DES-1 DES-1

K1 K3K2

Encipher

Decipher

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RSA 密碼系統 ( 非對稱加密 )

產生兩把鑰匙的步驟：• 隨機取兩個很大的質數 p, q 。（最好大於 2512）• 計算出 n = p * q 及 (n)=(p-1)*(q-1)• 隨機找一個與 (n) 互質的數目 : e 。 （意即 gcd (e, (n))=1）• 利用歐幾里得演算法得出 : d such that

　 d 滿足 e * d ≡1 mod (n) 。• 以 (e, n) 為 Public key ， d 為 Private key 。

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RSA ( 原理 )

(Cd mod n)

= ((Me mod n)d mod n)

= Me*d mod n

= M(k * (p-1) * (q-1)) + 1 mod n

= M1 mod n=M

( 因為 e * d ≡1 (mod ((p-1) * (q-1))) 。 )

Fermat’s Theorem (n) mod n =1

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RSA 密碼系統• 取兩個質數 p=101, q=53, n=101*53=5353

• 明文 =4657

• 設 A 的公開金匙 (eA,NA)=(7,5353)

• 利用歐幾里得演算法得出秘密金匙 dA=743,

[Where eA, dA=1 mod (100*52)]

• 得到密文為 4657743 mod 5353 = 1003

• 密文用的公開金匙 (eA,NA ) 解開得回明文 10037mod 5353=4657

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RSA 例子 1,BA

• 取兩個質數 p=3, q=5

• n=3*5=15

• Φ(n)= (3-1)*(5-1)=8

• 明文 m=13

• 任取一數 11得 A’s Public key (eA,NA)=(11,15)

• 利用歐幾里得演算法得出 Private key dA=3,

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11 與 Φ(n) 輾轉相除11 8 8 6 3 2 2

1

1=3-2 =3-(8-6) =3-8+6 =(11-8)-8+2(11-8) =3(11-8)-8 =3(11)-4(8)取 Public key 11 與 Φ(n) 輾轉相除最後 (11)旁的係數 3, 為另一支key

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RSA 例子 1,BA(Cont.)

• eA*dA=11*3=1 mod Φ(n)

• B 用 A’s Public key 加密得密文為 :1311 mod 15 = 7

• A 用自己的 Private key 解開密文得回明文 73mod 15=13

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RSA (例子 2, 驗證 )

• Example(承上例 , p=3, q=5, n=15, e=11, d=3)– A將文件 (m=13) 用 A 的 Private key 加密

133 mod 15=7– B 用 A’s Public key 解密得回明文

711 mod 15 =13– 可用來做電子簽章驗證

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RSA 特性及其運用• RSA運用 exponential algorithm

• RSA執行速度較 DES等對稱加密慢• 硬體的 RSA比硬體的 DES慢 1000倍• 軟體的 RSA則比軟體的 DES慢 100倍• 故 RSA 其主要的用途：

– digital signature– protocol中的 key exchange 。

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單向函數 One-way Function• 定義：一函數滿足下列條件則稱 f 為 One-way Function

• 1. 對於所有屬於 F域之 x, 很容易計算出 f(x)=y.• 2. 對於幾乎所有屬於 f 之範圍的任一 y, 在計算上不可

能求出 x 使得 y=f(x)

• Example:• y = f(x) =xn+an-1 xn-1+…+a1x+a0 mod p

X Y易 ｆ

難

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Message Authentication Codes (MAC)

• MAC is an authentication tag (also called a checksum) derived by appying an authentic-ation scheme, together with a secret key, to a message.

• There are four types of MACs:(1) unconditionally secure

(2) hash function-based

(3) stream cipher-based or

(4) block cipher-based.

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MAC

• Hash function H(m1, m2, …, mt)=m

• 現有的 Hash function: MD5, SHA-1, ...

• MAC is key-dependent one-way hash function– MAC are computed and verified with the same key– A & B 共同擁有 key K– A send H(K, M) to B– B can reproduce A’s result

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現有對稱與非對稱加密法• 對稱加密法

– DES, IDEA, AES(MARS, RC6, Rijndael, Serpent, and Twofish), ...

• 非對稱加密法– RSA, ElGamal, …

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總結 (1/)

• 對稱式加密

I am

YiterDES

Asd$#v#$h DES

Session Key

Session Key

I am

Yiter

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總結 (2/)

• 非對稱式加密

RSA@#SDFGSASDF

RSA

對方的

Public key自己的 Priv

ate Key

I am

Yiter

I am

Yiter

第三公正者

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總結 (3/)

• 對稱與非對稱式加密交互運用

Session Key RSA

^%$(*&#$ RSA

Session Key

I am

陳水扁DES

Dthfgb$shgzxcv

DES

Session Key

Session Key

I am

陳水扁

Bdve$%^@dgrse

對方的

Public key

自己的 Private Key

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總結 (4/) 電子簽章• Example(承上例 , p=3, q=5, n=15, e=11, d=3)

– 將簽署文件 (m=13) 用 A 自己的 Private key 加密後得到密文 133 mod 15=7

– A 將簽署文及密文 (m=13, c=7) 一齊送給 B

– B 可拿 A 的 Public key (eA,NA)驗證得回簽署文

– m’=711 mod 15 =13

– 若 m=m’ 則驗證正確

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訊息摘要 電子簽章

Hashing

原文

電子簽章

電子簽章 訊息摘要

PublicKey

訊息摘要Hashing

比對

　原文

　原文

總結 (5/) 電子簽章圖示

Secret Key

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總結 (6/)

• 對稱 ; 非對稱式加密加電子簽章

Session Key RSA

^%$(*&#$ RSA

Session Key

Rijndael Dthfgb$shgzxcv

Rijndael

Session Key

Session Key

原文

電子簽章

原文

電子簽章

對方的

Public key

自己的 Private Key

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定義 :

只讓具備特殊身分的外在使用者才能連上一個被保護的網站 , 使用其軟體或硬體A firewall system is used to control access to or from a protected network ( a site ).

小問題 : pcanywhere

Firewall

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Firewall圖示

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Firewall 的種類•簡單交通記錄系統•封包過濾 (Packet Filtering)

• Application Gateway (Dual-homed Gateway)

• Proxy Server

• Screened Host Firewall

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簡單交通記錄系統• 將網路上傳輸記錄在稽查記錄檔案 (.log)

• 記錄的資料– 被存取的檔案– 使用者何時由何地用什麼程式進來– 使用者存取及上傳的位元數

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封包過濾 (Packet Filtering)

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封包過濾常用審查法則• 根據協定 (ICP, UDP, ICMP)來控制及過濾

• 對某些應用做限制性取用 (port 80, 443...)

• 對己知來源的 IP 位置做限制 (.edu)

Block or filter protocols「 ports」 and「 addresses」IP header Source IP address TCP header Source port

Destination IP address Destination port

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封包過濾優缺點•優點

– Most Common ,easy and cheap

– Fully transparency, no impact to user

•缺點– Little or no logging capability– Complex filtering rules may become unmanageable– Rules are difficult to test thoroughly

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Application GatewayDual-homed Gateway

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Application Gateway圖示

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Application Gateway

• 外界使用者在做進一步連結前 , 先連接到受信賴的應用程式上

• 系統管理注意事項– 除 Firewall必須帳戶外 , 刪除所以使用者帳戶– 刪除不必要的檔案及程式 (FTP, Telnet)– 將記錄 (.log)和監控延伸到可以檢查遠端存取– 關閉 IP轉寄的功能

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Proxy Server

Client

Proxy Server 位於 Internet 和內部網路之間 , 提供中間人的服務 支援「 extra logging」 and「 advanced authentication」 Proxy

ServerRemote Server

Cache

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Screened Host Firewall

Site Systems

Internet

Bastion Host(Application Gateway)

IP FilteringRouter

Screened Host Firewall 為封包濾器 (packet filter) 與應用閘道器 (application gateway) 的組合

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Screened Host Firewall

•允許外界封包輸至內部閘道器 •不允許外界封包輸至內部其它主機 •允許閘道器的封包輸出至外界網路 •不允許其它內部主機的封包輸出至外界網路

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Screened Host Firewall

優點 More flexibility. Router filtering rules are simplified .

缺點 Less security. (packet can go directly i

nside)

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Screened Subnet Firewall

Site Systems

Internet

Bastion Host

IP FilteringRouter

IP FilteringRouter

InfoServer

MailServer

(1) From bastion host to outside(2) E-mail from mail server to outside(3) From outside to bastion host(4) E-mail From outside to mail server(5) WWW , Gopher from outside to info server(6) REJECT all other traffic

(1) From bastion host to inside(2) E-mail from mail server to inside(3) From inside to bastion host(4) E-mail From inside to mail server(5) WWW , Gopher from inside to info server(6) REJECT all other traffic

DMZ/Perimeter Network

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“Subnet v.s. Host” Screened Gateway• Subnet 將 Host中的單部 Gateway擴展成數部，並將風險及效能的負擔分散至數部主機，所以較有彈性、安全、且有效率。

• 缺點– More expensive– complex management– Less security if permit special「 trusted」 servi

ce.

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What Can’t a Firewall Protect Against

• Firewalls can’t protect against attacks that don’t go through the firewall , or rules that make a leak.

• Firewalls can’t protect against 「 data driven 」 attacks , like 「 Virus 」 .

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Firewall 的安全策略• 管理者工作

– 對機構內的安全策略必須十分清楚– 知道 Firewall功能中監視 , 複製 , 控制的程度– Firewall反應整體安全程度

• 不能允許不受限制的 modem 上線• 機密資料就不該連到 Internet

• 私人資料系統與公司網路的其它部分分開– Firewall 非萬能

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Firewall管理問題• 自己建立或買現成的

– 買現成的貴又怕 Trapdoor– 自行設計要考慮支援和系統更新等後續維修

• 容量管理問題– Bottleneck

• 內容管理和控制問題– MIS部門 , 行銷通訊部門或功能部門的工作

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參考資料• Electronic Commerce : A Manager’s Guide Kalakota & Whinston

•碁峰 :網際網路安全手冊•網站

– http://www.rsasecurity.com/– http://khchu.virtualave.net/index.htm