All In One - 第3章 安全工程

系统架构

可信计算基和安全机制

信息安全软件模型

保证评估准则和评级

认证和认可过程

分布式系统安全

隐写术

公钥基础设施

设备的位置、构造与管理

物理安全风险、威胁和相应对策

电力问题和相应对策

火灾的防范、检测与灭火

 

1.系统架构

术语：

• 架构是一个工具，用于通过不同的视角理解一个复杂实体的结构和行为，对系统、系统的内部组件、组件之间的关系、与外部环境间的关系、指导其设计和发展的原则等方面的基本组织结构
• 架构描述是形式化的描述和系统的表述，表述架构的文档集合
• 利益相关者 与系统有利益关系或关注系统的个人、团队、组织
• 视角  关于建设和使用视图的惯例性说明，确立视图产生与分析技巧后开发单个视图的模版
• 视图 视图是相关的一组关注点透视出的整个系统的表述

2.计算机架构

• 计算机架构=操作系统+存储器芯片+逻辑电路+存储设备+输入输出设备+安全组件+总线+联网组件
• 中央处理器CPU

• 寄存器 register
• 算术逻辑单元 ALU
• 控制单元
• 特殊寄存器 程序计数器、栈指针、程序状态字

 

• 多重处理 对称模式和非对称模式
• 存储器类型 

• 随机存取存储器RAM
• 只读存储器ROM
• 高速缓存存储器
• 存储器映射
• 缓冲区溢出
• 堆栈
• 存储器泄漏 导致DOS

 

3.操作系统

• 进程管理

• 多任务处理
• 进程的生命周期
• 线程管理 多线程
• 进程调度
• 进程活动 进程各隔离

• 存储器管理

、

• 大小端
• 虚拟存储器

• 输入/输出设备管理 中断、I/O
• CPU架构集成

• x86-操作系统与CPU通信的语言
• CPU操作模式 特权模式/普通用户模式

• 操作系统架构

• MS-DOS
• 分层操作系统架构

• 微内核架构

• 混合微内核架构

 

• 微服务架构

• 虚拟机

虚拟机-操作系统的实例

• 物理虚拟机
• 云虚拟机

4.系统安全架构

• 安全策略 高级的指导性纲领
• 安全架构要求

• 可信计算基（Trusted Computing Base，TCB）：系统内提供某类安全并实施系统安全策略的所有硬件、软件和固件的组合
• 安全边界（Security Primeter）： 假想的边界，划分可信和不可信的边界
• 引用监控器（Reference Monitor）：抽象概念，主体对客体进行所有访问的中介
• 安全内核(Security Kernel):

进程隔离

完整性

可验证

5.安全模型

• Bell-LaPadula模型

• 多级安全策略模型
• 解决机密性
• 3种规则

简单安全规则：不上读

*属性规则：不下写

强星属性规则：主体只能在同一安全级别上执行读写功能

• Biba模型

• 解决完整性问题
• 3种规则：

*完整性公理：不上写

简单完整性公理：不下读

调用属性：主题不能请求完整性级别更高的主体的服务

• Clark-Wilson模型

• 完整性模型
• 保护信息的完整性
• 实施职责分离
• 需进行审计
• 授权程序访问客体

• 无干扰模型 在一个安全级别内执行的命令和活动不能被位于其他安全级别内的主体或客体看到，也不能影响到他们
• Brewer and Nash 模型 防止利益冲突并提供动态改变访问控制的模型
• Graham-Denning模型 如何创建和删除主体和客体，如何分配具体的访问权限
• Harrison-RUzzo-UIIman模型 一套有限操作用来编辑一个主体的访问权限
• 信息流模型 限制在自己的流中，信息不能以违背安全策略的方式流入或流出实体
• Take-Grant模型 授权在主体间转移权利的模型

6.系统评估方法

• 通用准则CC

• ISO/IEC 15408
• 评估保证级别EAL

EAL1 功能测试

EAL2 结构测试

EAL3 系统地测试和检查

EAL4 系统地设计、测试和复查

EAL5 半正式地设计和测试

EAL6 半正式地验证设计和测试

EAL7 正式地验证设计和测试

• 保护样板 所需的安全方案

• 评估目标 提供所需安全的安全解决方案的产品

• 安全目标 供应商的书面说明

• 安全功能要求 产品必须提供每一个安全功能

• 安全保证要求 在对产品开发和评估过程中，为保证河湖所声称的安全功能的规定而采取的措施

• 数据包（即EAL）把功能和需求封装起来，以便今后使用

• ISO/IEC 15408 

ISO/IEC 15408-1 入门和通用评估模型

ISO/IEC 15408-2 安全功能组件

ISO/IEC 15408-3 安全保证组件

• 对产品进行评估的原因：通过CC评估可以给产品带来竞争优势

7.认证与认可C&A （Certification vs. Accreditation ）

• 认证：出于认可的目的而对安全组件及其一致性进行全面的技术评估
• 认可：管理层对系统整体安全和功能的充分性的正式认定

8.开发系统与封闭系统

• 开放系统：构建在已公布了的标准、协议和接口之上，提供互操作性
• 封闭系统：并未遵守业界标准

9.分布式安全

• 云计算：IaaS、PaaS、SaaS，安全性依赖于规定和合同，数据遗留问题
• 并行计算 在千万亿字节的网络中寻找恶意软件信号
• 数据库安全：聚合和推理
• Web应用：应用WAF
• 移动设备

• 网络物理系统

• 嵌入式系统
• 物联网
• 工业控制系统
• 管理控制与数据采集（SCADA）
• ICS安全性

 

10.对安全模型和架构的威胁

• 维护陷阱

对策 ：删除维护陷阱、代码审查、单元及质量保证测试

• 检查时间/使用时间攻击

对策：应用软件锁

11.密码学背景

• 公元前2000年，古埃及象形文字
• 希来伯人，替代密码
• 公元前400年，斯巴达人，密码棒密码
• 罗马人，凯撒密码
• 多字母表替代密码
• 转子密码机
• 对称密码学
• 非对称密码学
• 密码分析学：研究和破解加密过程，破坏身份验证方案以及对算法和密钥进行逆向工程的学科

12.密码学的定义与概念

明文plaintext：可读的数据

密文ciphertext：看似随机和不可读的数据

密码系统：提供加密或解密的系统或产品，由硬件或应用程序中的程序代码构成

算法：一组被称为密码的规则，规定如何加密和解密

密钥：一串随机位序列构成的值，包含密钥keyspace

• Kerckhoffs原则 一个密码系统唯一需要保密的部分就是密钥
• 密码系统的强度

加密方法源自算法的复杂程度、密钥的机密度、密钥的长度、初始化向量以及他们如何在密码系统内协同工作

密码学强度称为工作因数（work factor），即对攻击者破译一个密码系统所付出的努力和资源进行估计

保护机制的强弱程度取决于别保护数据的敏感程序。

• 密码系统的服务

• 机密性
• 完整性
• 身份验证
• 授权
• 不可否认性

• 一次性密码本 one-time pad

• 由真正的随机数组成
• 只使用一次
• 安全分发至目的地
• 在发送方和接收方出都是安全的
• 至少与消息一样长

• 滚动密码和隐藏密码

• 滚动密码
• 隐藏密码-消息的消息

• 隐写术-将数据隐藏在另一种介质中以藏匿数据的方法

• 载体
• 隐写介质
• 有效载荷 要隐藏和传输的信息

13.密码的类型

• 替代密码-使用不同的位、字符或字符分组来替换原来的位、字符或字符分组
• 换位密码-对原有的值进行置换，即重新排列原来的位、字符或字符分组以隐藏原有意义
• 频率分析
• 密钥衍生函数（Key Derivation Function，KDF）用于生成由随机值构成的密钥

14.加密的方法

• 对称算法与非对称算法

• 对称密码学：发送方和接收方使用相同的密钥实例来加密和解密，该密钥也被成为秘密密钥

对称密钥系统的优缺点：

优点：

1.比非对称系统快得多

2.在使用大密钥时很难攻破

缺点：

1.需要一个恰当分发密钥的安全机制

2.每对用户都需要唯一的密钥，密钥数指数增长，密钥管理困难

3.能够提供机密性，但不能提供真实性或不可否认性

• 非对称密码学：两个实体中的每个实体都具有不同的密钥或非对称密钥（asymmetric key），公钥和私钥

优点：

1.具有比对称系统更好的密钥分发功能

2.具有比对称系统更好的扩展性

3.能提供身份验证和不可否认性

缺点：

1.比对称系统运行慢

2.数学密集型任务

• 对称系统和非对称系统的差异

• 分组加密和流密码

• 分组加密 作用于分组

强密码属性：扰乱（替代实现）和扩散（换位实现）、雪崩效应

• 流密码 作用于位

在位分组上执行数学函数，密钥流生成器（keystream generator）

有效而强大的流密码特征：

1.容易在硬件中实现

2.密钥流值具有长周期无重复模式

3.密钥流与密钥线性无关

4.统计平衡的密钥流

• 初始化向量（Initialization Vector）用于算法，确保加密过程中不会产生某种模式的随机值

• 密码转换技术

压缩 在加密明文前减少冗余

扩张 复制值来扩张明文

填充 在加密明文数据前添加材料

密钥混合 用密钥的一部分来限制对密钥的暴露

• 混合加密方法（数字信封）

• 对称与非对称算法结合使用

公钥密码学使用由非对称算法为保护加密密钥和密钥分发而生成的两个密钥（公私钥）+对称算法位加密批量数据而生成的秘密密钥

• 会话密钥-只使用一次的对称密钥，用于对通信会话期间两个用户之间的消息进行加密

15.对称系统的类型

• 数据加密标准DES

• 使用64位密钥，8位用于奇偶校验，56位的有效密钥
• 5种模式

1. 电子密码本（ECB）

2. 密码分组链接（CBC）

3. 密码反馈（CFB）

4. 输出反馈（OFB）

5. 计数器模式（CTR）

• 三重DES

• DES-EEE3 3个密钥，3次加密
• DES-EDE3 3个密钥，加密解密加密
• DES-EEE2 2个密钥，3次加密，1、3次加密密钥相同
• DES-EDE2 2个密钥，加密解密加密，1、3次加密密钥相同

• 高级加密标准AES

• 128位，10轮
• 192位，12轮
• 256位，14轮

• 国际数据加密算法IDEA 密钥128位，64位分组，分组密码
• Blowfish 64位分组，分组密码
• RC4（流密码）、RC5（分组密码）、RC6（分组密码）

16.非对称系统的类型

• Diffie-Hellman算法 解决对称密钥安全分发问题，基于有限域内计算对数的困难性
• RSA 

• 分解大因素为原始质数的困难性
• c、q、p、e、d （n，e）、（n，d）n=qp

• 单向函数

一个方向容易计算（加密和数字签名），反方向难以计算

• EI Gamal

• 基于有限域内计算对数的困难性
• 数字签名、加密和密钥交换的公钥算法

• 椭圆曲线密码系统（ECC）

• 基于椭圆曲线的离散对数
• ECC效率最高

• 背包算法
• 零知识证明

• 告诉某人需要的信息，不会提供重要的信息

17.消息完整性

• 单向散列 将可变长的字符串或消息压缩变换成固定长度的值（散列值）
• MAC 通过某种形式对消息应用秘密密钥而派生的一种身份验证机制

• HMAC

• CBC-MAC

• CMAC 超纲，基于分组密码的消息身份验证代码算法
• 比较差异

• 各种散列算法
• MD4 单向函数，128位的散列值
• MD5 单向函数，128位的散列值，用于文件完整性校验和法医证据完整性校验，已被王小云教授证明可破解
• SHA

• SHA 160位散列值
• SHA-1
• SHA-256
• SHA-384
• SHA-512

• 针对单向散列函数的攻击

• 冲突 两个不同的消息生成相同的散列值
• 生日攻击

• 数字签名

• 数字签名-式使用发送方的私钥加密的散列值
• 不同算法的不同功能

• 数字签名标准 DSS

18.公钥基础设施

PKI = 使用公钥密码学+X.509标准的ISO身份验证框架，提供身份验证、机密性、不可否认以及消息交换的完整性

• 认证授权机构（Certificate Auththority，CA）

• 位于组织内部
• 负责创建和分发证书，保管证书和必要时取消证书
• 被取消的证书的信息存储在证书取消列表（Certificate  Revocation List，CRL）
• 在线证书状态协议（Online Certificate Status Protocol，OCSP），仍要使用CRL

• 证书

• 将公钥和唯一标识其所有者所需的组成部分关联起来的机制
• X.509  V3包含SSL

• 注册授权机构RA

• 执行证书注册任务
• 不能发行证书，可以作为用户和CA之间的中间人

• PKI步骤

• 步骤

• PKI组成：CA+RA+证书存储库+证书撤消系统+密钥备份和恢复系统+自动密钥更新+密钥历史记录管理+时间标记+客户端软件
• PKI提供的安全服务：机密性+访问控制+完整性+身份验证+不可否认性

19.密钥管理

• 密钥管理原则

• 以非明文形式保存在密码学设备之外
• 密钥分发和维护应自动完成
• 密钥恢复选项或将密钥副本放在一个安全的地方

• 密钥和密钥管理的规则

20.可信平台模块

• TPM（微芯片）的使用

• TPM
• TPM的使用

• 持久性内存

签注密钥（EK）

存储根密钥（SRK）

• 通用内存

身份密钥（AIK）

平台配置寄存器（PCR）

存储密钥

21.针对密码学的攻击

• 唯密文攻击 攻击者有若干消息的密文
• 已知明文攻击 1或多条消息的明文和对应密文
• 选定明文攻击 拥有明文和密文，可选择已加密的明文来查看相应的密文
• 选定密文攻击 选择将要解密的密文，可以获得解密后的明文
• 差分密码分析 特定差应的明文进行加密而生成的密文对，分析这些差异的影响和结果 
• 线性密码分析 执行函数来确定使用分组算法的加密过程中利用某个特定密钥的概率
• 旁路攻击 监视密码设备如何运行和了解其机制
• 重放攻击 攻击者捕获某些类型的数据并重新提交它，欺骗接收设备误以为是合法信息
• 代数攻击 分析算法内使用的数学原理存在的脆弱性，并利用其内在的代数结构
• 分析式攻击 分析算法的弱点和缺陷
• 统计式攻击 确定算法中统计弱点并对其加以利用 
• 社会攻击攻击  使用社会工程诱使人们提供加密密钥材料
• 中间相遇攻击 尝试从两端突破数学题的数学分析方法

22.站点和设施安全

未授权人员无法在物理方面获得访问

生命安全是最重要的考虑因素

分层防御模型：栅栏、墙、访问控制卡设备、保安、IDS、加锁的计算机箱和保险箱

• 自然环境威胁 供水、地震、暴风雨和龙卷风、火灾、极端的气候条件
• 供应系统威胁 停电、通信中断、其他自然资源（水、汽油）中断
• 人为威胁 未授权访问、爆炸、员工的错误和事故、故意破坏、欺诈、盗窃和其他威胁
• 以政治为动机的威胁 罢工、暴乱、不合作主义、恐怖攻击和爆炸等

23.站点规划

站点和设施安全计划的目标取决于各种资产和公司所需的保护级别，所需保护级别又依赖于组织可接受的风险级别

物理安全是保护资源的人员、过程、措施和设备的结合，可靠物理安全计划的设计要求：系统，衡量计划的目标与可用的资源

共谋（collusion）是一种两个或多个人联合实施欺诈行为，职责分离导致共谋

程序化保护机制：职责分离、雇佣前的背景调查、岗位轮换以及监管

物理安全涉及的目标：

1. 通过震慑预防犯罪和破环 栅栏、保安、警示标志
2. 通过使用延迟机制来减少损失 延缓对手行动的防御层，如锁、安全人员和屏障
3. 犯罪或破环检测 烟雾检测器、运动检测器、CCTV
4. 事故评估 保安检测到事故的反应以及破环级别的确定
5. 响应措施 灭火机制、应急响应过程、执法通告、外部安全专家咨询

性能基线：

物理安全团队制订物理安全计划流程：

• 通过环境设计来预防犯罪（Crime Prevention Through Environment Design，CPTED）

• 自然访问控制（Natural Access Control ）
• 自然监视（Natural Surveillance ）
• 自然区域加固（Natural Territorial Reinforcement ）

• 目标强化 门上加锁、报警器和摄像头
• 制订物理安全计划

评估现有设施的保护级别

• Construction materials of walls and ceilings

• Power distribution systems

• Communication paths and types (copper, telephone, fiber)

• Surrounding hazardous materials

• Exterior components:

• Topography

• Proximity to airports, highways, railroads

• Potential electromagnetic interference from surrounding devices

• Climate

• Soil

• Existing fences, detection sensors, cameras, barriers

• Operational activities that depend upon physical resources

• Vehicle activity

• Neighbors

物理安全计划示例

• 设施 隐蔽和伪装
• 建造 防火和加固

• 入口

门

玻璃

• 内部分隔

• 计算机机房和设备房

数据中心、服务器房和配线柜应当位于建筑物的核心区域，在近配线中心

两道门通向数据中心和服务器房（日常出入和紧急情况）

数据中心必须为正气压，不会将污染物吸入房间和计算机风扇中

数据中心应保持适当的温度和湿度，湿度过高，易腐蚀；湿度过低，易产生静电

数据中心必须又后备电源或者不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）或发电机

数据中心要防火灾（烟雾探测器和火灾传感器）和水灾（水探测器）

24.保护资产

物理安全所应对的主要威胁包括：盗窃、服务中断、物理破坏、、对系统和环境完整性的损害以及未授权访问

• 保护移动设备 详见第2章
• 使用保险柜 详见第2章

25.内部支持系统

• 电力

• 智能电网：应对高峰需求、使用可循环能源、应对攻击和部署有效节约能源的解决方案
• 电源保护

UPS、电源线连接器和备用电源

• 电源问题

电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI）

电压过高： 尖峰-瞬间高压、浪涌-长时间的高压

电力供应停止：故障-瞬间停电、断电-长时间停电

电力降低：衰变-瞬间低压，持续一个周期到几秒、电压过低-供电电压长时间低于正常电压、浪涌电源启动负载时所需要的电流初始浪涌

稳压器 和 线路调节器

• 预防性措施和最佳实践

• 环境问题

• 正向气压(其中的容纳物智能流出不能流入)
• 温度和湿度

• 火灾的预防、检测和扑灭

• 火灾预防 培训员工应对火灾和使用火灾设备
• 火灾探测

烟雾激发探测器 应安装在吊顶上、架空的地板下和通风口中 

光电探测器可以探测光线强度的变化，发出一束光，穿过受保护的区域，光束阻碍发出警报

热激发探测器 探测温度的变化

• 火灾扑灭 使用灭火剂来扑灭火灾

火灾的发生需要温度、氧气和可燃物

4种火灾类型和扑灭方法

灭火剂种类：水、哈龙（FM-200）、泡沫和CO2

• 喷水装置

喷水种类：

湿管式（封闭喷头系统） 水管中总有水，通过温度传感器控制喷水过程，缺点是在寒冷气候下可能结冰，

干管式  水管中没有水，水在储水槽里，水管中为高压气体，气压在火灾或烟雾报警后降低，水阀在水压作用下打开

提前作用式 水管中没有水，水在储水槽里，水管中为高压气体，气压在火灾后降低，水阀在水压作用下打开，但不会立即放出来，直到喷头处的热溶解链接头融化，水才放出来

泛滥式 喷头总是打开的，短时间喷出大量水，不用用于数据处理环境