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及時(shí)篇信息安全與可信計(jì)算

第 1章信息安全概論

國家安全以國民安全為核心，以領(lǐng)土、政治、軍事、經(jīng)濟(jì)等多方面安全為保障條件。隨著信息技術(shù)( Information Technology，IT)的廣泛應(yīng)用，信息化已滲透到國民生活的各個(gè)領(lǐng)域，信息安全問題已成為影響國民安全的重要內(nèi)容之一。本章主要介紹信息安全的現(xiàn)狀、信息安全問題存在的原因、信息安全的內(nèi)涵及其發(fā)展趨勢(shì)等方面的內(nèi)容。

1.1 信息安全現(xiàn)狀

信息技術(shù)的迅速發(fā)展把人類推進(jìn)到信息革命的歷史潮流，信息革命成為人類第三次昀偉大的生產(chǎn)力革命，信息產(chǎn)業(yè)超過鋼鐵、機(jī)械、石油、汽車、電力等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，成為世界及時(shí)大產(chǎn)業(yè)。信息已成為當(dāng)今昀具活力的生產(chǎn)要素和昀重要的戰(zhàn)略資源，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為核心的信息系統(tǒng)成為國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施。

任何事物都具有兩面性，一方面信息技術(shù)的發(fā)展給人類帶來方便；另一方面危害信息安全的事件不斷發(fā)生，如敵對(duì)勢(shì)力的破壞、惡意軟件的入侵、黑客攻擊、利用計(jì)算機(jī)犯罪等，對(duì)信息安全構(gòu)成了極大的威脅。

好萊塢電影《國家公敵》中有這樣一個(gè)情節(jié)：網(wǎng)民的信息被人操控，然而這樣駭人的場(chǎng)景竟成為現(xiàn)實(shí)— —隨著"棱鏡"事件的充分暴露，世界各地的網(wǎng)民絕不會(huì)想到他們?cè)谑褂霉雀琛?Facebook、蘋果等知名公司的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行社交、辦公或存儲(chǔ)信息時(shí)，他們屏幕的背后正隱藏著美國情報(bào)部門的身影。換句話說，人們?cè)诰W(wǎng)上的一舉一動(dòng)都可能被美國情報(bào)部門看在"眼"里，記在"芯"上。

如果說"棱鏡"計(jì)劃還只是信息竊取事件，那么之前伊朗核設(shè)施被"震網(wǎng)"病毒破壞已經(jīng)不再是竊密，而是毀壞基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)于我國，信息安全形勢(shì)的嚴(yán)峻性更在于我國對(duì)外國品牌的電子產(chǎn)品、信息技術(shù)產(chǎn)品過分依賴，例如， CPU芯片、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、路由器等核心技術(shù)，在涉及政府、海關(guān)、郵政、金融、鐵路、民航、醫(yī)療、軍警等國家關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中，頻頻出現(xiàn)美國"八大金剛"(思科、IBM、谷歌、高通、英特爾、蘋果、甲骨文、微軟)的影子，導(dǎo)致我國信息安全失去了自主可控的基礎(chǔ)，這無疑對(duì)我國信息安全構(gòu)成了潛在威脅。

"棱鏡"事件表明，那些提供信息技術(shù)設(shè)備與服務(wù)的美國公司往往會(huì)按照美國情報(bào)部門的要求行事。要想使用它們而又不被此類計(jì)劃監(jiān)控，恐怕只能是癡心妄想。信息技術(shù)設(shè)備應(yīng)能自主可控，在此基礎(chǔ)上，再努力加強(qiáng)信息安全防護(hù)，這樣才有可能保障國家信息安全。

因此，信息的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和安全保障能力已成為一個(gè)國家綜合國力和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的重要組成部分，信息安全已成為影響國家安全、社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的決定性因素之一。

為了保障我國的信息安全和信息化建設(shè)， 2014年 2月我國成立了中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導(dǎo)小組，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席任組長(zhǎng)。指出：沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國家安全，沒有信息化就沒有現(xiàn)代化，網(wǎng)絡(luò)安全和信息化是事關(guān)國家安全和國家發(fā)展、事關(guān)廣大人民群眾工作生活的重大戰(zhàn)略問題，要從國際國內(nèi)大勢(shì)出發(fā)，總體布局、統(tǒng)籌各方、創(chuàng)新發(fā)展，努力把我國建設(shè)成為網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國。

信息安全已成為世人關(guān)注的社會(huì)問題和信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究問題。信息安全是信息時(shí)代永恒的需求，是確保人們賴以生存的社會(huì)和信息空間和諧繁榮的重要因素之一。

1.2 信息安全問題存在的原因

信息安全問題如此嚴(yán)重，從技術(shù)角度分析主要包括以下幾方面。

1.個(gè)人計(jì)算機(jī)的安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 [1-2]

在 20世紀(jì) 70年代，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微型計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱微機(jī))，隨后個(gè)人計(jì)算機(jī)( Personal Computer，PC)逐漸普及。由于定位為個(gè)人計(jì)算機(jī)，而不是公用計(jì)算機(jī)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)為了降低成本舍去了很多安全機(jī)制，如存儲(chǔ)器的隔離保護(hù)機(jī)制、程序安全保護(hù)機(jī)制等。其中，程序的執(zhí)行可以不經(jīng)過認(rèn)證，程序和系統(tǒng)區(qū)域的數(shù)據(jù)可以被隨意修改，這樣就可能導(dǎo)致病毒、木馬、蠕蟲等惡意代碼的泛濫。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，個(gè)人計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接而變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)組成部分，在連接上突破了地理位置的限制，信息的交互和處理擴(kuò)大到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，面對(duì)這種環(huán)境，個(gè)人計(jì)算機(jī)的安全防御能力就顯得比較弱。

2.互聯(lián)網(wǎng)的開放性

互聯(lián)網(wǎng)是開放式體系結(jié)構(gòu)，這種特性加速了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，但同時(shí)因缺少整體的規(guī)劃，使得當(dāng)前很多協(xié)議的制定是為了彌補(bǔ)之前的設(shè)計(jì)漏洞、藍(lán)圖的缺失帶來的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議中的各種風(fēng)險(xiǎn)。

網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和協(xié)議的設(shè)計(jì)者遵循著一條原則——盡可能創(chuàng)造用戶友好性、透明性高的接口，使得網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)楸M可能多的用戶提供服務(wù)，但這樣也帶來了另外的問題：一方面用戶容易忽視系統(tǒng)的安全狀況，另一方面也滿足了不法分子利用網(wǎng)絡(luò)的漏洞來滿足個(gè)人需求的目的。

3.系統(tǒng)漏洞

系統(tǒng)漏洞指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在硬件、軟件、協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)或系統(tǒng)安全策略上存在的缺陷，它可以使攻擊者能夠在未授權(quán)的情況下訪問或破壞系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域，安全漏洞( security hole)通常又稱為脆弱性( vulnerability)。計(jì)算機(jī)漏洞普遍存在，在不同種類的軟硬件設(shè)備、同種設(shè)備的不同版本之間、由不同設(shè)備構(gòu)成的不同系統(tǒng)之間，以及同種系統(tǒng)在不同的設(shè)置條件下，可能都會(huì)存在各自不同的安全漏洞問題。

簡(jiǎn)單地說，計(jì)算機(jī)漏洞是系統(tǒng)的一組特性，攻擊者或者攻擊程序能夠利用這組特性，通過已授權(quán)的手段和方式獲取對(duì)資源的未授權(quán)訪問，或者對(duì)系統(tǒng)造成損害。

操作系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)昀主要的系統(tǒng)軟件，是計(jì)算機(jī)資源的管理者，因此，操作系統(tǒng)是保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)之一。然而，現(xiàn)在的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)太復(fù)雜、太龐大。例如，2008年 10月的 2.6.27版本的 Linux內(nèi)核代碼庫的代碼量已經(jīng)超過 1000萬行， Windows Vista系統(tǒng)則達(dá)到 5000萬行，而 Windows 7和 Windows 8系統(tǒng)則更多。研究表明，典型的產(chǎn)品級(jí)軟件每千行就會(huì)有一個(gè)與安全相關(guān)的漏洞，可以據(jù)此推算當(dāng)前主流的系統(tǒng)軟件可能隱藏的安全漏洞的數(shù)量。除操作系統(tǒng)外，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和其他應(yīng)用軟件也都存在安全漏洞。

總之，隨著軟件規(guī)模的逐漸增大，軟件開發(fā)、集成和演化變得越來越復(fù)雜，而相關(guān)的可信軟件構(gòu)造、評(píng)測(cè)、確保等技術(shù)工作嚴(yán)重滯后，使得軟件產(chǎn)品總會(huì)含有很多已知或未知的漏洞，這些缺陷對(duì)軟件系統(tǒng)安全、地運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

漏洞問題與時(shí)間緊密相關(guān)。一個(gè)系統(tǒng)從之日起，隨著用戶的深入使用，系統(tǒng)中存在的漏洞會(huì)不斷暴露出來，這些早先被發(fā)現(xiàn)的漏洞也會(huì)不斷被系統(tǒng)供應(yīng)商的補(bǔ)丁軟件修補(bǔ)，或在以后的新版系統(tǒng)中得以糾正。新版系統(tǒng)在糾正舊版本中具有漏洞的同時(shí)，也會(huì)引入一些新的漏洞和錯(cuò)誤。因而隨著時(shí)間的推移，舊的漏洞會(huì)不斷消失，新的漏洞會(huì)不斷出現(xiàn)，漏洞問題會(huì)長(zhǎng)期存在。其中部分漏洞可能會(huì)被攻擊者利用，從而造成嚴(yán)重的信息安全問題。

4.網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和通信協(xié)議的缺陷

互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)臅r(shí)候首先要被分為很多小的數(shù)據(jù)包，然后每一個(gè)數(shù)據(jù)包各自在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。在接收方，數(shù)據(jù)包又被重新組合構(gòu)成原來的消息。為了能夠正常工作，數(shù)據(jù)包網(wǎng)絡(luò)需要在傳輸節(jié)點(diǎn)之間存在一個(gè)信任關(guān)系。

由于在傳輸過程中，數(shù)據(jù)包需要被拆分、傳輸和重組，所以必須保障每一個(gè)數(shù)據(jù)包以及中間傳輸單元的安全。然而，目前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不能做到這一點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器主要有用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議( User Datagram Protocol，UDP)和傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)兩個(gè)主要的通信協(xié)議，都使用端口號(hào)識(shí)別高層的服務(wù)。客戶端上的每個(gè)服務(wù)利用的端口號(hào)向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)，服務(wù)器利用端口號(hào)識(shí)別客戶所請(qǐng)求的服務(wù)。服務(wù)器的一個(gè)重要的安全規(guī)則就是當(dāng)服務(wù)沒有被使用的時(shí)候關(guān)閉其所對(duì)應(yīng)的端口號(hào)，如果服務(wù)器不提供相應(yīng)的服務(wù)，那么端口就一直不能打開。即使服務(wù)器提供相應(yīng)的服務(wù)，也只有當(dāng)服務(wù)被合法使用的時(shí)候端口號(hào)才能被打開。

客戶端和服務(wù)器進(jìn)行通信之前，要通過三次握手過程建立 TCP連接。首先，客戶端向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)同步( Synchronous，SYN)數(shù)據(jù)包；然后，服務(wù)器響應(yīng)一個(gè)確認(rèn)位( Acknowledgement，ACK)和 SYN位置位的數(shù)據(jù)包；昀后，客戶端響應(yīng)一個(gè) ACK位置位的數(shù)據(jù)包。圖 1.1給出了三次握手的過程。三次握手過程存在著半打開( half-open)問題，由于服務(wù)器對(duì)之前發(fā)起握手的客戶端存在信任關(guān)系，所以會(huì)使端口一直處于打開狀態(tài)以等待客戶端的通信，而這個(gè)特性往往會(huì)被惡意攻擊者利用。

1.3 信息安全的內(nèi)涵

傳統(tǒng)的信息安全強(qiáng)調(diào)信息本身的安全屬性，主要包含：①信息的機(jī)密性，信息不泄露給未授權(quán)者的特性；②信息的完整性，保護(hù)信息正確、完整和未被篡改的特性；③信息的可用性，信息可被授權(quán)用戶訪問，并按其要求運(yùn)行的特性。

信息不能脫離載體而獨(dú)立存在，同樣，也不能脫離信息系統(tǒng)而孤立地談?wù)撔畔踩男畔⑾到y(tǒng)的角度來看，信息安全主要包括四個(gè)層面 [1-2]：設(shè)備安全、數(shù)據(jù)安全、內(nèi)容安全和行為安全。其中數(shù)據(jù)安全對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)的信息安全。

1.設(shè)備安全

信息系統(tǒng)的設(shè)備安全是信息系統(tǒng)安全的首要問題，包括設(shè)備的穩(wěn)定性、設(shè)備的性、設(shè)備的可用性。

2.數(shù)據(jù)安全

數(shù)據(jù)安全是指確保數(shù)據(jù)免遭未授權(quán)者泄露、篡改和毀壞，包括數(shù)據(jù)的機(jī)密性、數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)的可用性。

圖 1.1三次握手過程

3.內(nèi)容安全

內(nèi)容安全是信息安全在政治、法律、道德層次上的要求，包括信息內(nèi)容在政治上是健康的，信息內(nèi)容符合國家法律、法規(guī)，符合民族的優(yōu)良道德規(guī)范。

4.行為安全

數(shù)據(jù)安全本質(zhì)上是一種靜態(tài)安全，在信息系統(tǒng)中許多程序要進(jìn)行某種處理，處理的過程稱為行為。因此，程序在運(yùn)行中表現(xiàn)出來的是一系列行為。所以除了要確保靜態(tài)的數(shù)據(jù)安全，還要確保動(dòng)態(tài)的行為安全，包括以下幾方面內(nèi)容。

(1)

行為的機(jī)密性：行為的過程和結(jié)果不能危害數(shù)據(jù)的機(jī)密性，必要時(shí)，行為的過程和結(jié)果也應(yīng)保障機(jī)密性。

(2)

行為的完整性：行為的過程和結(jié)果不能危害數(shù)據(jù)的完整性，行為的過程和結(jié)果是可預(yù)期的。

(3)行為的可控性：當(dāng)行為的過程和預(yù)期偏離時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)、控制和糾正。

信息系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)安全和操作系統(tǒng)安全是信息系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)，密碼和網(wǎng)絡(luò)安全等技術(shù)是信息系統(tǒng)安全的關(guān)鍵技術(shù)。確保信息系統(tǒng)安全是一個(gè)系統(tǒng)工程，只有從信息系統(tǒng)的硬件和軟件的底層做起，從整體上采取措施，才能比較有效地確保信息系統(tǒng)的安全。

為了表述簡(jiǎn)單，在不產(chǎn)生歧義時(shí)，可以直接將信息系統(tǒng)安全簡(jiǎn)稱為信息安全。

1.4 信息安全的發(fā)展趨勢(shì)

1.4.1 信息安臨的挑戰(zhàn)

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬化和可穿戴智能設(shè)備的廣泛應(yīng)用，信息安全正面臨著不斷增多的新挑戰(zhàn)，隱私安全問題更加突出。"禍兮福之所倚，福兮禍之所伏"，人們?cè)诔浞窒硎芑ヂ?lián)網(wǎng)帶來的各種便利時(shí)，也必然面臨越來越嚴(yán)峻的互聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)。在互聯(lián)網(wǎng)廣泛滲透于政治、經(jīng)濟(jì)、文化等社會(huì)生活各個(gè)方面的今天，信息安全與個(gè)人、國家、社會(huì)的命運(yùn)息息相關(guān)，正如所說："網(wǎng)絡(luò)和信息安全牽涉國家安全和社會(huì)穩(wěn)定，是我們面臨的新的綜合性挑戰(zhàn) [3]。"

隨著信息技術(shù)和應(yīng)用的迅猛發(fā)展，信息安全技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)主要包括 [4-5]下面幾方面內(nèi)容。

1.信息技術(shù)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多樣

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境更加復(fù)雜、多樣，此時(shí)信息安全技術(shù)將面臨更多挑戰(zhàn)，形式更加嚴(yán)峻。例如，云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)跨地域、虛擬化服務(wù)模式，這會(huì)帶來大規(guī)模數(shù)據(jù)跨境流動(dòng)引發(fā)的安全監(jiān)管、隱私保護(hù)、司法取證等問題。隨著"強(qiáng)后臺(tái) +瘦客戶端"的"云 +端"模式成為趨勢(shì)，跨國企業(yè)很容易獲取國家敏感信息和數(shù)據(jù)，潛在威脅巨大。在工業(yè)控制領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用給數(shù)據(jù)采集監(jiān)控、分布式控制系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)等工業(yè)控制系統(tǒng)帶來諸多安全隱患。我國工業(yè)控制系統(tǒng)在安全領(lǐng)域缺乏底層解決方案，其信息安全評(píng)估和認(rèn)證還處于起步階段。核設(shè)施、鋼鐵、化工、石油石化、電力、天然氣、水利樞紐、鐵路、城市軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用工業(yè)控制系統(tǒng)，一旦這些系統(tǒng)出現(xiàn)信息安全漏洞，將給工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行和國家經(jīng)濟(jì)安全帶來重大損失。

2.通用計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力越來越強(qiáng)

當(dāng)前的信息安全技術(shù)特別是密碼技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)密切相關(guān)，其安全性取