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第1章安全協議概述

如果把一封信鎖在保險柜中，把保險柜藏在紐約的某個地方，然后告訴你去看這封信，這并不是安全，而是隱藏。相反，如果把一封信鎖在保險柜中，然后把保險柜及其設計規范和許多同樣的保險柜給你，以便你和世界上好的開保險柜的專家能夠研究鎖的裝置，而你還是無法打開保險柜去讀這封信，這才是安全的概念。隱藏是攻擊者不知道從何下手，安全是你知道也沒辦法下手。

上述類比中，可以如此理解安全體系中的各個部件：數學是保險柜的材質，堅固。密碼學是鎖，利用符合條件的數學知識構造。安全協議是保險柜，其整合的設計是實踐化的載體。保險柜保護的內容就是安全協議保護的互聯網上的各種應用。

1.1安全協議的基本概念

信息安全是一個沒有盡頭的任務，信息社會存在24小時，信息安全就會存在24小時。攻防共生共存，魔高一尺，道高一丈，反之亦然。的理論，并不一定能夠解決信息安全的實際問題，理論到實踐是一個系統工程，而安全協議的模型與設計是這個工程的核心，是承載信息安全體系的脊梁，是應用選擇理論的載體：設計安全協議不單單是基于技術本身，也要考慮應用的成本、代價和體驗。

1.1.1定義

所謂協議(protocol)，就是兩個或兩個以上的參與者為完成某項特定的任務而采取的一系列步驟。這包含三層含義：①協議自始至終是有序的過程，每一個步驟必須依次執行。在前一步沒有執行完之前，后面的步驟不可能執行。②協議至少需要兩個參與者。一個人可以通過執行一系列的步驟來完成某項任務，但它不構成協議。③通過執行協議必須能夠完成某項任務。

協議還有其他特點。

(1)協議中的每個人都必須了解協議，并且預先知道所要完成的所有步驟。

(2)協議中的每個人都必須同意遵循它。

(3)協議必須是不模糊的，每一步必須明確定義，并且不會引起誤解。

(4)協議必須是完整的，對每種可能的情況必須規定具體的動作。

安全協議(securityprotocol)是建立在某種體系(密碼體制、量子稟性)基礎上且提供安全服務的一種交互通信的協議，它運行在計算機通信網絡或分布式系統中，借助于特定算法來達到密鑰分配、身份認證等目的。安全協議的密碼基礎是由三類基石構造的，如圖1.1所示。

圖1.1三類密碼學的理論基礎

安全協議的通信系統基本安全模型如圖1.2所示。

圖1.2通信系統的安全模型

安全協議的參與者可能是可以信任的實體，也可能是攻擊者和不信任的實體。安全協議的目標不只是實現信息的加密傳輸，參與協議的各方可能希望通過分享部分秘密來計算某個值、生成某個隨機序列、向對方表明自己的身份或簽訂某個合同等。解決這些安全問題就需要在協議中采用密碼技術，因為它們是防止或檢測非法用戶對網絡進行竊聽和欺騙攻擊的關鍵技術措施。對于采用這些技術的安全協議，如果非法用戶不可能從協議中獲得比協議自身所體現的更多的、有用的信息，那么可以說協議是安全的。安全協議中采用了多種不同的密碼體制，其層次結構如表1.1所示。

表1.1安全協議層次結構

高級協議：身份認證、不可否認、群簽名；量子密鑰分發、博弈量子密鑰協商

基本協議：數字簽名、零知識、秘密共享；量子簽名

基本算法：對稱加密、非對稱加密、Hash函數；量子Hash函數

基礎：核心斷言、數論、抽象代數、數學難題；不可克隆、真隨機性

從表1.1可看出，安全協議建構在數學或量子信息科學基礎和基本算法之上，并且往往涉及秘密共享、加密、簽名、保障、零知識證明等許多基礎協議，因此安全協議的設計比較龐大且復雜，設計滿足各種安全性質的安全協議成為一項具有挑戰性的研究工作。

當前存在著大量的實現不同安全服務的安全協議，其中最常用的基本安全協議按照其完成的功能可分類起名，如電子支付協議、分布式環境下的身份鑒別協議、不可否認協議、密鑰協商協議等。

1.1.2目的

在日常生活中，幾乎所有的事情都有非正式的協議：電話訂貨、玩撲克、選舉中投票，人們都知道怎樣使用它們，而且它們也很有效。隨著信息技術的高速發展，將這些現實的協議功能轉化為數字，從而在計算機世界中實現是順理成章的事情。越來越多的人通過計算機網絡交流代替面對面的交流，計算機需要正式的協議來完成人們不用考慮就能做的事情，雖然方便大眾，但也不是很容易就能實現的：如果你從一個城市遷移到另一個城市，可能會發現投票亭與你以前使用的不同，你會很容易去適應它，但計算機就不那么靈活了。

許多面對面的協議依靠人的現場存在來保障公平和安全。你會交給陌生人一疊現金去為你買食品嗎？如果你沒有看到他洗牌和發牌，那么你愿意和他玩撲克嗎？如果沒有匿名的保障，那么你會將秘密投票寄給政府嗎？

那種假設使用計算機網絡的人都是誠實的想法，是天真的。天真的想法還有：假設計算機網絡的管理員是誠實的，假設計算機網絡的設計者是誠實的。當然，絕大多數人是誠實的，但是不誠實的少數人可能招致很多損害。通過規定協議，可以查出不誠實者企圖欺騙的把戲，還可開發挫敗這些欺騙者的協議。

除了規定協議的行為，還根據完成某一任務的機理，抽象出完成此任務的過程。由于基本底層通信協議是相同的，對于高層的安全協議是一個黑盒子，所以我們專注設計協議流程與分析，而不用受限于具體的實現。

1.1.3游戲角色

為了幫助說明協議，通常選出幾個人作為助手：Alice和Bob是開始的兩個人。他們將完成所有的兩人協議。按規定，由Alice發起所有協議，Bob響應。如果協議需要第三或第四人，那么Carol和Dave將扮演這些角色。由其他人扮演的專門配角，如表1.2所示。

表1.2劇中人

游戲角色可以擴展為N方，其行為可以分為外部攻擊和內部攻擊，攻擊參與方可以分為個體或團體。因此，四組攻擊方式可分為：個體外部攻擊、個體內部攻擊、團體外部攻擊和團體內部攻擊。四種攻擊方式因目標和意義不同而不同。但通常來說，四種攻擊從前往后越來越復雜。

經典案例內部團體協作之拜占庭將軍問題

問題描述如下。

(1)1982，Lamport(SRI)，Pease，Shostak。

(2)幾個將軍圍困一座城池，大家必須協商一種策略，進攻還是撤退。

(3)如果有的進攻，有的撤退就有可能打敗仗。

(4)條件：有的將軍叛國，希望愛國的將軍打敗仗(破壞達成一致)。

(5)目標：有什么辦法使愛國的將軍在這種環境下達成一致？

問題抽象如下。

(1)消息的傳送是的。

(2)所有的將軍可以互相發消息，也可以傳遞消息。例如，一個叛變的將軍可以告訴將軍A"B要攻城"，并告訴將軍C"B要撤退"。

(3)口頭消息模型和書寫消息模型。

(4)目標是達成一致，而不是找背叛的將軍。

口頭消息如下。

(1)解決的辦法：每個愛國者都采用多數人的意見一致算法。

(2)這要求每個愛國者得到相同的表決。

(3)面臨的問題就變為：每個愛國的將軍獲得的其他將軍的觀點是相同的(每個將軍都有一個其他將軍的決策)。如果將軍i是愛國的，則其他將軍必須得到將軍i的真實決策。

解決方案為采用多數投票表決方式。

例1.13個忠誠將軍，1個叛變將軍。Lamport遞歸算法，共4步，如圖1.3所示。

(a)對外報告(b)收集向量(c)報告向量(d)生成結果向量：(1，2，未知，4)。

例1.2若三個將軍中，有兩個忠誠將軍，一個叛變將軍，則不能判斷出哪個將軍叛變，如圖1.4所示。

最終結論如下。