课程体验
【这不是信安的信息安全原理与数学基础】是指软工必修，计科选修课。
授课老师只有HTL，讲课还行，给分还行。教授的内容就是信安密码学入门，还是比较有用的。比较好玩的是有一节课老师迟到了40分钟，不过最后没影响进度。
上课不点名，但需要卷发言占平时分。
发言环节是每节课课前老师统一提问“上节课讲了什么”，占10min左右，举手的同学每个人回答一点就行，不能重复。点人的顺序是从前往后，从面向讲台的左侧到右侧，举手的基本都会给机会。
4个lab,文档清晰，不是很难。Wireshark装好学会用之后不要删，后面计网还要用。
授课老师使用中文授课，ppt与考试卷均为英文。
期末考试是闭卷，98上回忆卷的大题重复度挺高的。
回忆卷去CC98查看
笔记
1. 信安基本概念
1.1 安全系统与威胁
计算机安全的概念：
漏洞(Vulnerabilities)：系统的薄弱处。
威胁(Threats)：是否有可能造成损害的潜质。
攻击(Attacks)：human/another system利用漏洞进行攻击。
控制、对抗措施(Control)：对于漏洞的修复或移除的方式。
补充：
绝对安全不存在：不存在绝对安全的系统，任何系统都可能存在漏洞。
黑客动机：黑客攻击通常是为了获取某些“利益”，而非单纯追求刺激或挑战。
内部威胁：超过80%的攻击来自内部，内部员工因对系统更熟悉，攻击更容易成功。
内部用户定义：内部用户是对环境或系统有合法接触或联系的人，相比外部攻击者，他们有更多的机会和知识。
事件报告与实际发生：有报导的黑客事件比实际发生的少得多。
1.2 密码学发展
早期密码：
太公兵法：中国第一个密码。
豪密：中华人民共和国第一个密码。周总理使用，利用书本加密。
凯撒密码：最早的替换式密码，有25种可能的密钥。
- 每年必考凯撒密码破译，没难度，但是费时间
棒子密码：用棒子粗细作为密钥。
信息隐写术：将信息隐藏在头皮、蜡烛、鸡蛋、微点、电影等中，培根密码使用字体加密。
密码学演化：
第一次：科托夫原则(Kerckhoffs’ Principle)，密码学从经验转向科学，强调加密算法公开，安全性依赖于密钥保密。
第二次：电子计算机出现，密码学从人工转向机器化和电子化，理论基础为香农信息论。
第三次：公钥密码学出现，允许双方在不共享密钥的情况下交换信息，RSA是最广泛使用的公钥密码算法。
第四次：因特网科技拓展了密码学的内涵和外延，应用从军事到民用再到个人，保护范围从简单协议到复杂网络协议。
Kerckhoff规则：
一个系统的安全性不是建立在算法保密上，而是建立在秘钥上
增强安全性：凡是难以改变而且长时间使用的东西都会被对手知道
算法本身不具有保密性，安全依赖与秘钥的保密
太公兵法没有密钥，不符合Kerkhoff原则
豪密难说，书换的话书本身是密钥
凯撒密码若每次移n位的n不确定则符合，定死3则不符合(但n只有25个空间比较小)
棍子：密钥是棍子
头皮/鸡蛋：没有密钥
1.3 计算机安全特征
相比纸质资料
无法区分original原件和copy件的区别
修改可以不留下任何痕迹
容易被彻底删除(easy to delete)
数字签名只依赖于二进制信息
安全特征
综合性：系统安全取决于最弱的一环。
过程性：安全是一个不断上升的螺旋式过程。
动态性：安全系统处于不断进步和更新中。
层次性：需要多层安全技术解决安全风险。
相对性：安全是相对的，不存在绝对安全。
1.4 计算机安全四要素
保密性(Confidentiality)：防止数据被未授权查看。
完整性(Integrity)：防止数据被非法修改。
可用性(Availability)：确保资源可用。(比如银行卡里面的钱是否能取出来)
真实性(Authenticity)：确保信息来源的真实性。
1.5 安全威胁类型
自然威胁：地震、火灾、洪水等。
物理威胁：错误使用、损坏等。
硬件/软件威胁：设计缺陷、后门、逻辑炸弹等。
介质威胁：硬盘损坏、误删除等。
泄露威胁：电磁泄露、屏幕监视等。
通信威胁：抓包、通信过程中的修改和伪造。
个人威胁：误操作、故意破坏和泄露。
1.6 安全攻击类型
被动攻击：难以探测，预防比探测更有效。
主动攻击：易探测，但难以预防，可以从攻击中恢复。
四种攻击类型：
中断(Interruption)：使系统不可用，如硬件损坏、DOS攻击、remove a program or file。
- 攻击安全要素中的Availability。
截获(Interception)：未授权获取数据，如窃听、抓包。
- 四者中唯一一个被动攻击的类型，很难被检测到，防范比检测更重要。
- 攻击安全要素中的Confidentiality。
修改(Modification)：未授权篡改数据。
- 攻击安全要素中的Integrity。
伪造(Fabrication)：插入虚假信息，如伪造IP、钓鱼。
- 攻击安全要素中的Authenticity。
- 利用数字签名等方式防止伪造。
1.7 对抗安全威胁
目标：
阻止：防止攻击违反安全策略。
检测：发现攻击行为。
恢复：修复系统，恢复正常运行。
安全服务：
认证：确保通信实体身份。
访问控制：阻止未认证用户访问。
数据保密性：防止数据窃听。
数据完整性：确保数据未被修改。
不可抵赖性：防止通信拒绝。
可用性：保证服务可用性。
管理与技术：对抗安全威胁三成靠技术，七成靠管理，人是安全问题的主要来源。
2. 密码学
2.1 基本概念
密码的基础部分：明文、密文、加密算法、解密算法。
字符含义：
plaintext：P
ciphertext：C
encryption method：E()
decryption method：D()
key：K
C = Ek(P)
P = DK(C)
明文、密文、密钥、加密解密算法关系：$C=Ek(P),P=Dk(C)$
加密方式：
替换：用其他字符替换原文字符。
位移：将字符位置移动。
2.2 古典密码
棍子密码：用棒子粗细作为密钥。
凯撒密码：字母替换，有25种密钥。
维吉尼亚密码：使用Vigenere方阵。
书密码：用书籍内容作为密钥。
2.3 机械密码
ENIGMA：齿轮机，多表替代加密算法，密钥是齿轮初始设置和接线板设置。
破解ENIGMA：通过获取机器、滥用密钥重复模式、Bombe机等方式破解。
2.4 计算机密码
对称密码学
对称密码学(Symmetric Cryptography)：
块加密：将长bit流分成多个短bit节，逐节加密。
费斯托密码结构：现代对称密码算法基础，通过扩散和扰乱增加安全性。
DES算法：块大小64bits，密钥长度56bits，雪崩效应强，但如今56bits密钥不够安全。
三重DES：$C=EK_{3}(DK_{2}(EK_{1}(P)))$，向前兼容DES，密钥长度为56*3。
AES算法：块大小128bits，密钥长度128/192/256 bits，免疫已知攻击，全平台计算速度快。
操作模式：
ECB：简单加密(同样的明文数据加密结果相同)，易被重放攻击，不能隐藏数据模式。
CBC：前一个加密块影响后续加密，产生雪崩效应。
流加密：用随机bit序列与明文异或得到密文。
密钥分配问题(Key Distribution Problem)：
- 对称密码学：密钥共享是关键问题，通常通过KDC（Key Distribution Center，密钥分发中心）解决。
非对称密码学
非对称密码学: 又称公钥密码学(Public Key Cryptography)。基于数学函数，非对称加密，解决了密钥分配和数字签名问题。
公钥和私钥：攻击者无法从公钥得到私钥，通信双方无需提前共享私钥。
单向函数：计算容易，反向计算困难。
应用：解密/加密、数字签名、密钥交换。
算法：
Diffie-Hellman算法(DH算法)：用于密钥协商，非加密算法。安全性依赖于离散对数问题，但无认证环节，易受中间人攻击。
单向函数： 计算大整数的整数次幂比较容易，但是计算离散对数很困难
密钥生成：A生成自己的秘钥 $X_a$，B生成自己的秘钥 $X_b$，原根 $g=2$ 或者 $3$ 或者 $5$（较小的数），再约定一个素数 $p$
计算密钥：A计算出KeyA = $g^{X_a} \ mod \ p$，B计算出KeyB = $g^{X_b} \ mod \ p$，将计算出的结果分别发给对方
计算密钥：B将拿到的A的传过来的数字KeyA，再进行$(KeyA)^{X_b} \ mod \ p$，同时A将拿到的B的传过来的数字KeyB，再进行$(KeyB)^{X_a} \ mod \ p$，这计算出的两个数字是相同的，由此交换得以确定了秘钥
RSA算法：一种广泛使用的非对称加密算法，它基于数论中的模运算和大整数分解的困难性。
单向函数：大质数乘法容易，质因数分解困难。
密钥生成：选择大质数p和q，计算$n=p*q$，选择e和d满足$e∗d≡1 \ mod\ (p−1)(q−1)$，(e,n)为公钥，d为私钥。
加密：$c=m^e \ mod \ n$。
解密：$m=c^d \ mod \ n$。
安全性：依赖于大数分解难度，但需注意私钥保护和数字签名防止中间人攻击。
椭圆曲线算法(Elliptic Curve Cryptography)：一种基于椭圆曲线数学理论的公钥密码体系。
- 相比RSA，椭圆曲线算法在相同安全强度下，密钥长度更短，计算速度更快。
对称与非对称密码学比较：
对称密码学(Symmetric Cryptography)：速度快、成本低，但密钥分配困难。
非对称密码学(Asymmetric Cryptography)：解决了密钥分配问题，但速度慢、成本高。
实际应用：通常使用公钥密码学进行密钥交换，对称密码学进行加密解密。
3. 安全服务
3.1 数字签名
特点：
与签名文档绑定。
接收者可验证签名，其他人无法伪造。
签名者不可否认。
需第三方确认解决争端。
要求：
依赖于内容，防止修改。
使用发送者独有信息，防止否认和伪造。
认证和校验简单。
算法：
公钥密码学支持：DSS/DSA、RSA、椭圆曲线算法。
签名过程：A用私钥签名文档，B用A的公钥验证。
哈希函数：用于处理大文件签名，将文件哈希值签名，接收者验证哈希值一致性。
为什么需要单向哈希函数？
当文档比较长的时候，不能对整份文档签名(即直接对整份文档进行RSA，成本太高)。
但是依然要求一旦文档出现变化，签名就要失效。
所以解决办法是：对文档用单向hash函数缩小体积，之后对hash值进行签名以完成数字签名的要求。
单向哈希函数特点：
易计算。
难以反向计算。
难以寻找碰撞。
安全性：
原象攻击(Preimage Attack)：给定哈希值，找到原文件。
第二原象攻击(Second Preimage Attack)：给定文件，找到另一个哈希值相同的文件。
碰撞攻击(Collision Attack)：寻找两个哈希值相同的文件。
消息验证码MAC
消息验证码(Message Authentication Code)，又称消息认证码。
特点：
带密钥的哈希函数，用于确认消息完整性。
与数字签名区别：MAC需共享密钥，不提供不可否认服务；数字签名无需共享秘密，可被任何接收者确认，提供不可否认服务。
使用原因：MAC比数字签名更快，不可否认服务不总是必须的。
PGP
PGP(Pretty Good Privacy)：
广泛用于数字签名、完整性校验、信息加密、数据压缩、邮件格式兼容。
多平台兼容，基于密码安全算法。
3.2 认证
基于：
你有什么（身份证、密码、密钥）。
你知道什么（密码、生日、预设问题答案）。
你在哪（IP地址）。
你是谁（生物认证、行为认证）。
基于密码的认证：
缺陷：密码传输易被窃听(vulnerable to eavesdropping)，密码文件难保密，易被猜测。
安全性因素：密码输入频率、存储方式（哈希存储较安全）、传输过程（哈希后较安全）、修改过程、生命周期、显示保护、长度和格式、重新输入频率、错误尝试限制等。
实现方式：
明文存储：不安全。
哈希存储：较安全，但需防止字典攻击。
加盐（Salting）：向密码添加随机盐后哈希存储，增加字典攻击难度。
隐密码（Shadow Passwords）：将哈希密码存储在受限文件中，如Unix系统的
/etc/shadow。
保护方法：使用复杂密码、定期检查安全性、使用安全工具、不同网站使用不同密码、不信任第三方密码管理软件、避免在不安全环境下登录。
生物认证：
优点：不易被盗窃、忘记或丢失。
缺点：设备和维护成本高、准确性问题、隐私问题。
错误率：
False Accept Rate(FAR)：接收恶意用户。
False Reject Rate(FRR)：拒绝合法用户。
等错误率(Equal Error Rate, EER)：当两种错误率相等时的阈值。
风险：信息记录不符合要求、使用留存记录进行攻击。
网络认证：
协议版本：
Protocol v1.0：直接声明。
Protocol v2.0：声明+IP地址。
Protocol v3.0：声明+IP地址+密码。
Protocol v4.0：声明+IP地址+加密密码。
Protocol v5.0：挑战响应认证，使用共享密钥。
Protocol v6.0：使用挑战码和公钥。
KERBEROS：
目标：在分布式环境下，客户在服务器上安全获取服务，服务器限制授权用户访问并区分服务。
实现：基于传统加密，不使用公钥加密。
基本概念：
C：客户端。
AS：认证服务器。
TGS：票据授予服务器。
V：应用服务器。
IDc：用户标识。
IDv：服务器标识。
Pc：用户密码。
ADc：客户端网络地址。
Kv：AS与V共享密钥。
版本：
v4基础版：C访问AS获取访问V的票据，但需频繁输入密码，密码明文传输，票据泄露易受重放攻击。
v4改进版：引入TGS，C先获取TGS票据，再获取访问V的票据，减少密码输入频率，防止重放攻击，不传输明文密码。
v4最终版：依赖时间服务，需可信第三方。
v5：改进v4，支持多种算法，适用于多种网络地址，无lifetime限制，允许身份认证传输。
缺点：依赖时间、易受猜测攻击、密码存储问题。
3.3 授权
授权(Authorization)：与访问控制基本相同，认证提供基本授权，授权用于更深层次控制。
三要素：
主体(Subject)：可访问客体的实体，如用户、进程。
客体(Object)：被访问的对象，如文件、程序、数据。
权限(Permission)：主体访问客体的方式，如读、写、删除、运行等。
3.4 访问控制
安全访问控制：
主要功能：授权 (Authorization)，撤销 (Revoke)，检查 (Checker)
两个方面：制定政策 (make policy) 和执行政策 (execute policy)
安全访问控制原则：
模型固定，策略灵活：适当的安全策略是安全的核心。
授权管理：
MAC：访问完全基于主体和客体的安全等级，由管理员和创造者决定。
DAC：多种授权管理方法，如集中管理、分级管理、所有权管理、协同管理、分布式管理。
RBAC：提供类似自我管理策略的访问控制，管理权限分配是重要特性。
最小权限原则：即使用户被分配高级身份，也只在必要时赋予权限，以防止事故。
权力分立：将超级用户权利分配给不同特权用户，如系统管理员、安全管理员、审计管理员，彼此履行职责和约束。
模型
DAC
DAC（Discretionary Access Control，自主访问控制）：
特性：根据主体身份和权限决定访问，特权主体可自主授予其他主体访问权。
缺陷：访问权限可能在信息传输中改变。
实现：
访问控制矩阵(Access Control Matrix)：表示主体与客体的访问关系。
访问控制表（ACL）(Access Control List)：为每个客体列出可访问的主体。
能力表（CL）(Capability List)：为每个主体列出可访问的客体。
Unix OS 使用访问控制列表管理文件
MAC
MAC（Mandatory Access Control，强制访问控制）：
**【注意区分】**这里又出现了MAC，之前MAC是消息认证码，这里是强制访问控制。在计算机网络领域MAC还有MAC地址的含义。
应用领域：军事等高安全需求领域。
安全等级：主体和客体被标记为不同安全等级，如绝密(Top Secret)、机密(Secret)、秘密(Confidential)、未分类(Unclassified)。
模型：
Bell-LaPadula模型：保证保密性，规则为“不读上”（主体只能读同级或低级对象）、“不写下”（主体只能写高级或同级对象）。
No Read Up：主体只能读同级或低级的对象
No Write Down：主体只能写高级或同级的对象
Biba模型：保证完整性，与Bell-LaPadula模型相反。
隐通道
隐通道(Covert Channel)：
资源耗尽型隐通道(Resource Exhaustion Channel)：用低级别进程申请资源成功与否来判断高层进程是否运行
负载感知型隐通道(Load Sensing Channel)：用低级别进程执行需要高级别进程所需资源的任务，观察其完成速度确定高级别进程的运行情况
应对隐通道的方法：关闭或者降低通道速度；检测企图使用隐通道的进程；忍受他的存在
隐通道无法完全被避免：限制资源共享，例如资源共享仅可以发生在相同安全级别的进程之间；限制带宽 (bandwidth)
RBAC
RBAC（Role-Based Access Control，基于角色的访问控制）：
背景：DAC安全性弱，MAC过于严格且不灵活，RBAC旨在减少管理负担。
特性：
职责分离：不同角色执行不同任务。
角色分层：角色之间有层级关系。
角色激活：用户根据需要激活角色。
用户成员资格约束：限制用户所属角色。
数据客体：
用户：系统使用者。
角色：用户所属角色，与操作权限相关。
客体：被访问的对象。
操作：可执行的操作。
许可：角色被赋予的权限。
优势：
授权管理简单：易于根据工作需求分类，实现最小权限原则。
便于任务分配：不同角色执行不同任务。
易于文件管理：文件可按角色分级管理。
实现：RBAC可用于实现DAC和MAC。
3. 互联网与安全
3.1 网络结构与攻击
（努力背吧，反正未来计网也要背）
网络结构
TCP/IP协议栈：
数据链路层：帧（ARP、PPP等）。
网络层：包（IP、ICMP等）。
传输层：段（TCP、UDP）。
应用层：信息（HTTP、FTP、DNS等）。
IP和TCP：
IP：负责数据传输。
TCP：负责源到目的的可靠性和流控制，通过滑动窗口控制流量，序列号和确认保证可靠性。
三次握手：建立TCP连接，确保双方准备好并分配资源。
常见端口：
21：FTP。
53：DNS。
80：HTTP。
443：HTTPS。
IP和UDP：
IP：提供路由，通过IP地址获取数据报。
UDP：用端口区分传输，无确认、流控制和消息继续保证。
DNS服务：
根服务器：负责顶级域名解析。
级联查询：本地DNS失败时，逐级向上查询至根服务器。
网络攻击
网络攻击：
窃听(Eavesdropping)：许多传输未加密，如FTP、Telnet、HTTP，攻击者可通过混杂模式网络接口卡读取数据。
ARP欺骗(ARP Spoofing)：
原理：攻击者发送假ARP数据包，误导流量至攻击者控制的地址。
应用：截获攻击、中间人攻击、DOS攻击。
IP欺骗(IP Spoofing)：伪造源IP地址，隐藏发送方身份或冒充其他系统。
TCP SYN Flooding：
原理：攻击者伪造IP地址发送大量SYN请求，耗尽服务器资源，导致正常客户端无法连接。
防御方法：
随机删除：SYN队列满时随机删除请求，正常连接可快速重试。
SYN Cookies：服务器不存储状态，将socket信息存储在cookie中，客户端需返回cookie进行二次请求，服务器验证后建立连接。
TCP SYN Prediction Attack：
原理：攻击者预测TCP序列号，伪造数据包，可能引发TCP欺骗、连接劫持、重置等攻击。
防御方法：使用随机初始序列号（ISN）防止预测。
TCP拥塞控制(TCP Congestion Control)：
原理：丢包意味着网络拥塞，TCP降低传输速度，直到不再丢包或速度降至0。
改进方法：增加ACK非对称验证，防止欺骗。
DNS欺骗(DNS Spoofing)：
原理：修改DNS服务器或本地DNS缓存，将请求重定向至错误IP地址。
防御方法：使用DNSSEC（域名系统安全扩展），所有响应均经过认证，防止伪造。
IPSEC(IP Security)：
功能：在IP层提供网络传输的加密和认证。
核心部分：
AH（认证头）：提供数据完整性和认证服务。
ESP（封装安全载荷）：提供安全性、保密性和认证服务。
SA（安全关联）：定义加密和认证算法及参数，双向通信需两个SA。
操作模式：
传输模式：仅保护IP包内容，不保护IP头，适用于点对点传输。
隧道模式：加密整个IP包，隐藏原始IP数据包，适用于网络间VPN、主机到网络通信等。
优点：
增强防火墙/路由器安全性，保护边界数据。
对最终用户透明，应用程序无需特殊处理。
SSL/TLS(Secure Sockets Layer/Transport Layer Security)：
概念：
SSL连接：临时点对点关系，与会话相关联。
SSL会话：客户端与服务器之间的关联，由握手协议创建，共享安全参数。
协议栈：
握手层：定义Handshake、Change Cipher Spec、Alert子协议，用于服务器和客户端相互认证、协商加密算法和密钥。
记录层：接收应用层数据，进行碎片化、压缩、MAC计算、加密，然后发送至传输层。
应用：广泛用于保护网络通信安全，如HTTPS。
3.2 恶意代码与攻击
恶意代码(Malicious Code)：
木马(Trojan)：具有公开和隐蔽目的的程序，可自我复制，难以检测。
病毒(Virus)：
定义：将自身插入文件并执行操作的程序。
传播方式：通过感染其他文件传播，需启动文件被感染才会插入自身。
隐藏方法：通过跳转等方式隐藏在执行文件内，或通过加密、多态等方式躲避杀毒软件检测。
蠕虫(Worm)：
定义：独立可运行程序，自我复制或自动传播至其他系统。
区别：与病毒不同，蠕虫是独立程序，木马不自我复制。
检测方法：杀毒软件通过代码匹配、行为检测（如修改注册表、浏览器主页等）识别恶意代码。
僵尸网络(Botnet)：
定义：由大量受远程控制的僵尸系统组成的自治程序网络，主人不知情。
控制方式：通过IRC或P2P协议控制和升级。
攻击应用：作为DDOS攻击、垃圾邮件和点击欺诈等攻击的平台。
检测方法：
IRC检测：查找执行扫描的主机或高比例主机的IRC频道。
DNS检测：查找多次DNS查询但未收到自身查询结果的主机。
规避方法：使用加密和P2P技术避开检测。
DOS攻击(Denial of Service Attack)：
目的：使受害者机器过载，拒绝为合法客户提供服务。
DDOS攻击：
原理：建立僵尸网络，多层架构控制僵尸机对受害者发起协同攻击。
特点：与DOS不同，DDOS攻击来自不同来源，流量来自真实请求，难以通过SYN Cookies等方法防御。
邮件欺骗(Email Spoofing)：
原理：SMTP服务无认证，发件人可随意设置邮件来源地址。
目的：避免被邮件系统拉黑，减少垃圾邮件被拦截的概率。
对抗方法：
政策性对抗：制定和执行相关政策。
科技型对抗：使用过滤器、发件人校验、质询认证等技术手段。