【文章內(nèi)容簡介】 說 ， VPN 就 是 通 過 Inter 實(shí) 現(xiàn) 低 成 本 通 訊 的一 種 技 術(shù) [16]。從客觀上可以認(rèn)為 VPN 就是一種具有私有和專用特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境。它是通過虛擬的組網(wǎng)技術(shù)，而非構(gòu)建物理的專用網(wǎng)絡(luò)的手段來達(dá)到的 [17]。 VPN 的構(gòu)成一個(gè)典型 VPN 的組成部分如圖 21 所示 [18,19]。華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文7圖 21 VPN 的組成VPN 服務(wù)器： 接受來自 VPN 客戶機(jī)的連接請(qǐng)求，對(duì)客戶機(jī)進(jìn)行身份驗(yàn)證。VPN 客戶機(jī)： 發(fā)出連接請(qǐng)求的設(shè)備，可以是終端計(jì)算機(jī)也可以是路由器。隧道： 由隧道協(xié)議形成的數(shù)據(jù)傳輸通道，在其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須經(jīng)過封裝。VPN 連接： 在 VPN 連接中，數(shù)據(jù)必須經(jīng)過加密。隧道協(xié)議： 封裝數(shù)據(jù)、管理隧道的通信標(biāo)準(zhǔn)。傳輸數(shù)據(jù)： 經(jīng)過封裝、加密后在隧道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。公共網(wǎng)絡(luò)： 如 Inter，也可以是其他共享型網(wǎng)絡(luò)。 VPN 工作原理虛擬專網(wǎng) VPN 采用了一種稱之為隧道的技術(shù)，使得企業(yè)網(wǎng)內(nèi)一個(gè)局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)透明地穿過公用網(wǎng)到達(dá)另一個(gè)局域網(wǎng)。其基本過程是在原局域網(wǎng)與公用網(wǎng)的接口處將局域網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)作為負(fù)載封裝在一種可以在公用網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式中，在目的局域網(wǎng)與公用網(wǎng)的接口處將公用網(wǎng)的數(shù)據(jù)解封裝后，取出負(fù)載在目的局域網(wǎng)傳輸。由于封裝與解封裝只在兩個(gè)接口處由設(shè)備按照隧道協(xié)議配置進(jìn)行，在此過程中，被封裝的數(shù)據(jù)包在隧道的兩個(gè)端點(diǎn)之間通過公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路郵，而被封裝的數(shù)據(jù)包在公共互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上傳遞時(shí)所經(jīng)過的邏輯路徑就被稱為隧道 [20]。華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文8 VPN 關(guān)鍵技術(shù)VPN 具有專線連接的安全、保密、專用、高性能等特點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè) VPN，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括隧道技術(shù)(Tunneling) 、加解密技術(shù) (Encryption amp。 Decryption)、密鑰管理技術(shù)(Key Management)和身份認(rèn)證技術(shù)(Authentication)。1) 隧道技術(shù)VPN 的核心就是隧道技術(shù)。隧道技術(shù)主要負(fù)責(zé)將待傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)包進(jìn)行加密、協(xié)議封裝，再嵌套裝入另一種協(xié)議數(shù)據(jù)包中進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，像普通數(shù)據(jù)包一樣傳輸，只有該虛擬專用網(wǎng)絡(luò)授權(quán)的用戶才能對(duì)隧道中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解釋和處理，而其他用戶無法處理這些信息，從而保證 VPN 的遠(yuǎn)程用戶或主機(jī)和專用網(wǎng)絡(luò)的安全連接，該技術(shù)就像在公用網(wǎng)上為信息交換的雙方開辟一條專有的、隱蔽的數(shù)據(jù)通道一樣。隧道是由一系列的協(xié)議組成。根據(jù)通訊協(xié)議的分層模型，可分為第二層隧道協(xié)議和第三層隧道協(xié)議。第二層隧道協(xié)議主要有 PPTP、 L2F、L2TP 等。第三層隧道協(xié)議主要有 IPSec、GRE 等。2) 加密技術(shù)為了保證數(shù)據(jù)傳輸安全，對(duì)在公開信道上傳輸?shù)?VPN 流量必須進(jìn)行加密，從而確保網(wǎng)絡(luò)上未授權(quán)的用戶無法讀取信息。其過程是發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)之前對(duì)數(shù)據(jù)加密，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)接收者時(shí)由接收者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。密碼技術(shù)可以分為兩類：對(duì)稱加解密和非對(duì)稱加解密技術(shù)。對(duì)稱加解密技術(shù)簡單易用，處理效率比較高，易于用硬件實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是密鑰管理較困難，常用的有DES、 3DES。非對(duì)稱加解密技術(shù)安全系數(shù)更高，可以公開加密密鑰，對(duì)密鑰的更新也很容易，易于管理，缺點(diǎn)是效率低、難于用硬件實(shí)現(xiàn)，常用的有 DiffieHellman、RSA。通常用非對(duì)稱加密進(jìn)行身份認(rèn)證和密鑰交換，對(duì)稱密鑰用于數(shù)據(jù)加密。3) 密鑰管理技術(shù)其主要任務(wù)是解決公用數(shù)據(jù)網(wǎng)上安全傳遞密鑰而不被竊取的問題。現(xiàn)行密鑰管理技術(shù)又分為 SKIP 與 ISAKMP/OAKLEY 兩種。SKIP 主要是利用 DiffieHellman的演算法則，在網(wǎng)絡(luò)上傳輸密鑰；在 ISAKMP 中，雙方都有兩把密鑰，分別作公用、華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文9私用。4) 身份認(rèn)證技術(shù)身份認(rèn)證技術(shù)是一種用來驗(yàn)證通訊雙方是否真的是他所聲稱的身份的手段。目前通用的方法是使用數(shù)字證書或非對(duì)稱密鑰算法來鑒定用戶的身份。通訊雙方交換資料前，須先確認(rèn)彼此的身份，接著出示彼此的數(shù)字證書，雙方將此證書進(jìn)行比較，只有比較結(jié)果正確，雙方才開始交換資料；否則，不能進(jìn)行后續(xù)的通信 [2123]。 公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI) PKI 簡介PKI 采用證書進(jìn)行公鑰管理，通過第三方的可信任機(jī)構(gòu)(認(rèn)證中心，即 CA)，把用戶的公鑰和用戶的其他標(biāo)識(shí)信息捆綁在一起，其中包括用戶名和電子郵件地址等信息，以在 Inter 網(wǎng)上驗(yàn)證用戶的身份。PKI 把公鑰密碼和對(duì)稱密碼結(jié)合起來，在 Inter 網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)密鑰的自動(dòng)管理，保證網(wǎng)上數(shù)據(jù)的安全傳輸 [24~26]。因此，從大的方面來說，所有提供公鑰加密和數(shù)字簽名服務(wù)的系統(tǒng)，都可歸結(jié)為 PKI 系統(tǒng)的一部分，PKI 的主要目的是通過自動(dòng)管理密鑰和證書，為用戶建立起一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，使用戶可以在多種應(yīng)用環(huán)境下方便的使用加密和數(shù)字簽名技術(shù)，從而保證網(wǎng)上數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和有效性。一個(gè)有效的 PKI 系統(tǒng)必須是安全的和透明的，用戶在獲得加密和數(shù)字簽名服務(wù)時(shí)，不需要詳細(xì)地了解 PKI 的內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制。在一個(gè)典型、完整和有效的 PKI 系統(tǒng)中，除證書的創(chuàng)建、發(fā)布和撤銷外，一個(gè)可用的 PKI 產(chǎn)品還必須提供相應(yīng)的密鑰管理服務(wù)，包括密鑰的備份、恢復(fù)和更新等。沒有一個(gè)好的密鑰管理系統(tǒng)，將極大地影響一個(gè) PKI 系統(tǒng)的規(guī)模、可伸縮性和在協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行成本 [27~29]。PKI 發(fā)展的一個(gè)重要方面就是標(biāo)準(zhǔn)化問題，它也是建立互操作性的基礎(chǔ)。PKI標(biāo)準(zhǔn)化主要有兩個(gè)方面：一是 RSA 公司的公鑰加密標(biāo)準(zhǔn) PKCS(Public Key Cryptography Standards)，它定義了許多基本 PKI 部件，包括數(shù)字簽名和證書請(qǐng)求格式等；二是由 Inter 工程任務(wù)組 IETF(Inter Engineering Task Force)和 PKI 工作組 PKIX (Public Key Infrastructure Working Group)所定義的一組具有互操作性的公鑰華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文10基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)議。在今后很長的一段時(shí)問內(nèi)，PKCS 和 PKIX 將會(huì)并存，大部分的PKI 產(chǎn)品為保持兼容性，也會(huì)對(duì)這兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行支持 [30]。PKI 的發(fā)展非常快，己經(jīng)從幾年前的理論階段過渡到目前的產(chǎn)品階段，并且出現(xiàn)了大量成熟技術(shù)、產(chǎn)品和解決方案，正逐步走向成熟。目前，PKI 產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家很多，比較有代表性的主要有 VeriSign 和 Entrust。另外，一些大的廠商，如Microsoft、Netscape 和 Novell 等，都開始在自己的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)品中增加 PKI 功能 [31]。 PKI 的組成及各部分的功能PKIX 工作組(PKIX Working Group)給 PKI(Public Key Infrastructure)的定義為：是一組建立在公開密鑰算法基礎(chǔ)上的硬件、軟件、人員和應(yīng)用程序的集合，它應(yīng)具備產(chǎn)生、管理、存儲(chǔ)、分發(fā)和廢止證書的能力 [32]。PKI 在實(shí)際應(yīng)用上是一套軟硬件系統(tǒng)和安全策略的集合，一個(gè)典型的 PKI 系統(tǒng)如圖 22 所示，其中包括 PKI 策略、軟硬件系統(tǒng)、認(rèn)證中心 CA、注冊(cè)機(jī)構(gòu) RA、證書發(fā)布系統(tǒng)和 PKI 應(yīng)用等。PKI 應(yīng)用證書認(rèn)證機(jī)構(gòu) CA 注冊(cè)機(jī)構(gòu) RA 證書發(fā)布系統(tǒng)PKI 策略 軟硬件系統(tǒng)圖 22 PKI 基本組成架構(gòu)PKI 的主要目的是通過自動(dòng)密鑰管理和證書，為用戶建立起一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文11行環(huán)境，使用戶可以在多種應(yīng)用環(huán)境下方便的使用加密和數(shù)字簽名技術(shù)，從而保證網(wǎng)上數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、有效性。數(shù)據(jù)的機(jī)密性是指數(shù)據(jù)在傳輸過程中，不能被非授權(quán)者偷看；數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)在傳輸過程中不能被非法篡改；數(shù)據(jù)的有效性是指數(shù)據(jù)不能被否認(rèn)。PKI 安全策略建立和定義了一個(gè)組織信息安全方面的指導(dǎo)方針，同時(shí)也定義了密碼系統(tǒng)使用的處理方法和原則。它包括一個(gè)組織怎樣處理密鑰和有價(jià)值的信息，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的級(jí)別定義安全控制的級(jí)別。一般情況下，在 PKI 中有兩種類型的策略:一是證書策略，用于管理證書的使用，比如，可以確認(rèn)某一 CA 是在 Inter 上的公有 CA，還是某一企業(yè)內(nèi)部的私有 CA；另外一個(gè)就是 CPS (Certificate Practice Statement)。一些由商業(yè)證書發(fā)放機(jī)構(gòu) (CCA)或者可信的第三方操作的 PKI 系統(tǒng)需要CPS。這是一個(gè)包含如何在實(shí)踐中增強(qiáng)和支持安全策略的一些操作過程的詳細(xì)文檔。它包括 CA 是如何建立和運(yùn)作的，證書是如何發(fā)行、接收和廢除的，密鑰是如何產(chǎn)生、注冊(cè)的，以及密鑰是如何存儲(chǔ)的，用戶是如何得到它的等等 [33]。認(rèn)證中心 CA 是 PKI 的信任基礎(chǔ)，它管理公鑰的整個(gè)生命周期，其作用包括 :發(fā)放證書、規(guī)定證書的有效期和通過發(fā)布證書廢除列表(CRL)確保必要時(shí)可以廢除證書。注冊(cè)機(jī)構(gòu) RA 提供用戶和 CA 之間的一個(gè)接口， RA 接受用戶的注冊(cè)申請(qǐng)，審查用戶的申請(qǐng)資格，并決定是否同意 CA 給其簽發(fā)數(shù)字證書。注冊(cè)機(jī)構(gòu)并不給用戶簽發(fā)證書，而只是對(duì)用戶進(jìn)行資格審查。因此，RA 可以設(shè)置在直接面對(duì)客戶的業(yè)務(wù)部門，如銀行的營業(yè)部、機(jī)構(gòu)認(rèn)證部門等。對(duì)于一個(gè)規(guī)模較小的 PKI 應(yīng)用系統(tǒng)來說，可把注冊(cè)管理的職能由認(rèn)證中心 CA 來完成，而不設(shè)立獨(dú)立運(yùn)行的 RA。但這并不是取消了 PKI 的注冊(cè)功能，而只是將其作為 CA 的一項(xiàng)功能而己 [34~36]。PKI 國際標(biāo)準(zhǔn)推薦由一個(gè)獨(dú)立的 RA 來完成注冊(cè)管理的任務(wù)，可以增強(qiáng)應(yīng)用系統(tǒng)的安全。證書發(fā)布系統(tǒng)負(fù)責(zé)證書的發(fā)放，如可以通過用戶自己或是通過目錄服務(wù)。目錄服務(wù)器可以是一個(gè)組織中現(xiàn)存的，也可以是 PKI 方案中提供的。PKI 的應(yīng)用非常廣泛，包括在 web 服務(wù)器和測覽器之間的通訊、電子郵件、電子數(shù)據(jù)交換(EDI)、在 Inter 上的信用卡交易和虛擬私有網(wǎng) (VPN)等。華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文12一個(gè)簡單的 PKI 只需包含一個(gè) CA 和一個(gè)證書庫。如圖 23 所示。LDAP Server CA端實(shí)體端實(shí)體證書/CRL證書/CRL下載/查詢由證書保護(hù)的安全通信各種申請(qǐng)（離線/SSL 方式）圖 23 最簡單的 PKI 加密技術(shù)加密技術(shù)是數(shù)字證書的核心。所采用的加密技術(shù)應(yīng)考慮先進(jìn)性、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)和普遍性。加密技術(shù)在 CA 認(rèn)證中應(yīng)用的目的有兩個(gè)：一個(gè)是身份認(rèn)證，即 Proof of possession of key(利用加密技術(shù)的身份鑒別 )；另一個(gè)目的是保證傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)密性，即：Encryption of information。加密是指使用密碼算法對(duì)數(shù)據(jù)作變換，使得只有密鑰持有人才能恢復(fù)數(shù)據(jù)面貌。現(xiàn)代密碼學(xué)的基本原則是：一切密碼寓于密鑰之中，即算法公開，密鑰保密。密碼算法分為兩類：對(duì)稱密鑰算法和非對(duì)稱密鑰算法。 對(duì)稱密碼算法對(duì)稱密碼算法的加密密鑰和解密密鑰相同，Ke = kd，密鑰必須特殊保管。它的優(yōu)點(diǎn)是保密強(qiáng)度高，計(jì)算開銷小，處理速度快。缺點(diǎn)是密鑰管理困難。加解密過程如圖 24 所示。華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文13 對(duì) 稱 加 密 對(duì) 稱 解 密 明 文 明 文 密 文 圖 24 對(duì)稱加密算法常用的對(duì)稱加密算法是 DES，除此之外還有 TRIPLEDES， IDEA， RC2，RC4，RC5 等對(duì)稱算法。DES(Data Encryption Standard)算法是美國政府機(jī)關(guān)為了保護(hù)信息處理中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)而使用的一種加密方式，是一種常規(guī)密碼體制的密碼算法，目前已廣泛用于電子商務(wù)系統(tǒng)中。64 位 DES 的算法詳細(xì)情況已在美國聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn) (FIPS PUB46)上發(fā)表。隨著研究的發(fā)展， DES 算法在基本不改變加密強(qiáng)度的條件下，發(fā)展了許多變形 DES。TripleDES 是 DES 算法擴(kuò)展其密鑰長度的一種方法，可使加密密鑰長度擴(kuò)展到 128 比特(112 比特有效)或 192 比特(168 比特有效) [37]。DES 是一種對(duì)二元數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的算法，數(shù)據(jù)分組長度為 64bit (8bytes)，密文分組長度也是 64bit，沒有數(shù)據(jù)擴(kuò)展。密鑰長度為 64 位，其中有 8bit 奇偶校驗(yàn)位，有效密鑰長度為 56bit。算法的構(gòu)成框圖在圖 25 中給出。華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文14 初 始 置 換 IP 輸 入 64比 特 明 文 數(shù) 據(jù) 初 始 逆 置 換 IP1 交 換 左 、 右 32比 特 在 密 鑰 控 制 下 16輪迭 代 輸 出 64比 特 密 文 數(shù) 據(jù) 圖 25 DES 加密初始置換 IP：將 64bit 明文的位置進(jìn)行置換，得到一個(gè)亂序的 64bit 明文組，而后分成左右兩段，每段為 32bit，以 L0 和 R0 表示。乘積變換：是 DES 算法的核心部分。將經(jīng)過 IP 置換后的數(shù)據(jù)分成 32bit 的左右兩組，在迭代過程中彼此左右交換位置。每次迭代時(shí)只對(duì)右邊的 32bit 進(jìn)行一系列的加密變換。在此輪迭代即將結(jié)束時(shí)，把左邊的 32bit 與右邊的 32bit 逐位模 2 相加，作為下一輪迭代時(shí)右邊的段，并將原來右邊未經(jīng)變換的段直接送到左邊的寄存器中作為下一輪迭代時(shí)左邊的段。