[互联网]电子邮件安全.ppt

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1、1,网络与信息安全 电子邮件安全,陈宇峰 湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院 Email：,2,E-mail 是Internet上最大的应用之一。 安全电子邮件主要解决身份认证和保密性相关的安全问题。涉及到的问题： 安全算法的选择 系统邮件的信息格式 如何实现认证和信任管理 邮件服务器的可靠性 应用实际例子：PGP、S/MIME等,安全电子邮件,3,早期只支持ASCII文本格式 随着Email的发展需要发送各种类型数据，形成了MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions，多用途网际邮件扩展),邮件信息格式,4,提供了一种机密性和数字签名的安全服务，广

2、泛用于电子邮件和文件存储的安全应用 选择各种经过实际验证的安全算法作为基础构件 将这些算法有机整合起来，形成一个通用的独立于操作系统和硬件平台的应用程序 是一个自由软件包（）,5.1 PGP（Pretty Good Privacy）,5,免费得到, 支持多种平台（DOS/Windows、Unix、Macintosh等） 建立在一些经过实际验证的算法基础上（RSA、DSS、Diffie-Hellman、IDEA、3DES、SHA-1、MD5），选用算法的生命力和安全性得到公众认可 应用范围极其广泛 不从属于任何政府机构和标准化组织 已经成为互联网标准文档（RFC3156）,PGP的优势,6,Ks

3、=用户对称加密体制中的会话密钥 PRa=用户A的私钥 PUa=用户A的公钥 EP=公钥加密 DP=公钥解密,5.1.1 PGP符号约定,EC=对称加密 DC=对称解密 H=散列函数 |串接 Z=用ZIP算法压缩 R64=转换为基-64的ASCII码格式,7,数字签名：DSS/SHA或RSA/SHA，散乱码由SHA产生 信息加密：CAST-128或IDEA或3DES + Diffie-Hellman或RSA CAST-128以其设计者Carlisle Adams 和 Stafford Tavares 命名。是一个64位的Feistel密码，使用16个循环并允许密钥大小最大可达128位 Diffi

4、e-Hellman或RSA加密会话密钥 数据压缩：ZIP 与电子邮件的兼容性：Radix 64，将加密消息转换为ASCII串 分段处理：适应最大消息尺寸限制,5.1.2 PGP操作描述,8,PGP身份认证,发送方 产生消息M 用SHA-1对M生成一个160位的散列码H 用发送者的私钥对H加密，并与M连接，压缩传输 接收方 解压缩，并用发送者的公钥解密并恢复散列码H 对消息M生成一个新的散列码，与H比较。如果一致，则消息M被认证。,9,说明 RSA的强度保证了发送方的身份 SHA的强度保证了消息认证的有效性 DSS/SHA-1可选替代方案 签名与消息可以分离 对消息进行单独的日志记录 可执行程序

5、的签名记录，检查病毒 文档多方签名，可以避免嵌套签名,PGP认证说明,10,PGP保密性,发送方 生成消息M，压缩后，为该消息生成一个随机数作为会话密钥 用会话密钥加密M 用接收者的公钥加密会话密钥并与加密后的消息M连接 接收方 用自己的私钥解密恢复会话密钥 用会话密钥解密恢复消息M，解压缩,11,采用CAST-128(或IDEA或3DES)、64位CFB方式。一次性密钥，单向分发，公钥算法保护 对称加密算法和公钥加密算法的结合可以缩短加密时间 用公钥算法解决了会话密钥的分配问题 不需要专门的会话密钥交换协议 由于邮件系统的存储-转发的特性，用握手方式交换密钥不太可能 每个消息都有自己的一次性

6、密钥，进一步增强了保密强度 公开密钥算法的长度决定安全性 RSA（768-3072）、DSS（1024）,PGP保密性说明,12,PGP认证与保密的结合,两种服务都需要时，发送者先用自己的私钥签名，然后用会话密钥加密消息，再用接收者的公钥加密会话密钥。,13,压缩的时机（在签名之后加密之前）： 在签名之后的原因： 将来验证时只需要存储原始报文和签名 因为压缩算法的不同实现版本可能会产生不同的结果，这样若先压缩则会使得签名结果不一致；为保证签名的一致性，需要约束所有的PGP实现都使用同样的压缩算法和参数，这难以实现 压缩之后对报文加密可以增强加密的强度，压缩过的报文比原始明文冗余更少，密码分析更

7、加困难；而且节省空间 压缩算法使用了ZIP,压 缩,14,签名和加密的结果是任意的8位字节流，而很多电子邮件系统仅允许使用包含ASCII文本的数据块 应用radix-64将二进制流转换成ASCII码 radix-64将每三个字节的二进制数据映射成四个ASCII字符，长度增加了33，但是压缩能够补偿radix-64的扩展,与电子邮件的兼容性,15,某些Internet服务可访问的最大长度受限（50000bytes） 长报文必须分段 PGP在radix-64转换完成后，自动将长报文分段 接收端自动剥离包头，重组,分段和重组,16,PGP报文的发送和接收流程,17,PGP使用四种类型的密钥：一次性会

8、话常规密钥，公钥，私钥，基于口令短语的常规密钥。 需求： 需要产生不可预测的会话密钥 一个用户可拥有多个公钥/私钥对，需要某种手段来标识具体的密钥 每个PGP实体需要维护一个文件保存其公钥私钥对，另一个文件保存通信对方的公钥。,5.1.3 加密密钥和密钥环,18,一个用户有多个公钥/私钥对时，接收者如何知道发送者是用了哪个公钥来加密会话密钥？ 将公钥与消息一起传送，但是浪费空间 将一个标识符与一个公钥关联，对一个用户来说做到一一对应，但是要对密钥ID进行分配，比较繁琐 PGP的解决办法 以64位定义密钥ID：PUa mod 264 PGP数字签名也需要密钥ID,密钥标识符,19,PGP消息格式

9、,消息部分 签名部分 时间戳 发送方公钥ID 消息摘要的头2个8位字节，使接收方判断是否使用了正确的公钥 消息摘要（发送方私钥加密） 会话密钥部分 接收方的公钥ID 会话密钥（接收方公钥加密）,20,私钥环和公钥环,系统地组织密钥,21,私钥环保存该节点用户的公钥和私钥对，公钥环保存另一个节点用户的公钥 私钥环 UserID：通常是用户的邮件地址。也可以是一个名字 加密的私钥：使用CAST-128(或IDEA或3DES)加密 用户选择加密私钥的口令； 当系统用RSA生成一个新的公钥/私钥对时，要求用户输入口令短语。对该短语使用SHA-1生成一个160位的散列码后，销毁该口令； 系统用其中128

10、位作为密钥，用CAST-128加密私钥，然后销毁这个散列码，并将加密后的私钥存储到私钥环中； 当用户要访问私钥环中的私钥时，必须提供口令。PGP将检索出加密的私钥，生成散列码，解密私钥。,密钥环说明,22,签名 利用userid作为索引从私钥环中得到加密私钥 PGP提示输入口令，恢复私钥 利用私钥构造签名部分 加密 PGP产生一个会话密钥，并加密消息 PGP基于接收者userid从公钥环中获取其公钥 用该公钥加密会话密钥，以构造消息的会话密钥部分,PGP消息的生成（无压缩和radix-64）,23,PGP消息的生成（无压缩和radix-64）,24,解密 PGP用消息的会话密钥部分中的用户ID

11、作为索引，从私钥环中获取私钥 PGP提示输入口令，恢复私钥 恢复会话密钥，并解密消息 验证 PGP用消息的签名部分中的用户ID作为索引，从公钥环中获取发送者的公钥 恢复被传输过来的消息摘要 PGP对于接收到的消息作摘要，并与上一步的结果作比较,PGP消息的接收（无压缩和radix-64）,25,PGP消息的接收（无压缩和radix-64）,26,公钥管理的实质 用户A为了与其他用户用PGP互操作，必须建立一个拥有其他用户公钥的公钥环 威胁：A从B发布公钥的系统上获取的公钥是攻击者C伪造的 攻击者C向A发送消息并伪造B的签名，这样A以为该消息来自B 对任何由A发往B的消息，C都可以阅读,5.1.

12、4 公钥管理,27,物理上得到B的公钥 通过电话验证公钥 B将其公钥email给A，A可以用PGP对该公钥生成一个160位的SHA-1摘要，并以16进制显示。这一特点称作密钥的“指纹”。然后A打电话给B，让B在电话中对证“指纹”。如果双方一致，则该公钥被认可 从双方都信任的个体D处获得B的公钥 D是公证人，生成一个签名的证书。其中包含B的公钥、密钥生成时间。D对该证书生成一个SHA-1摘要，用其私钥加密这个摘要，并将其附加在证书后。因为只有D能够产生这个签名，没有人可以生成一个错误的公钥并假装是D签名的。这个签名的证书可以由B或D直接发给A，也可以贴到公告牌上。 从一个信任的CA中心得到B的公

13、钥证书,得到可靠公钥的办法,28,是Internet电子邮件格式MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions，多用途网际邮件扩展)的安全扩充（S/MIME中的S） 与PKI结合，使用X.509证书 S/MIME是目前的工业标准，PGP则更多地用于个人安全电子邮件,5.2 S/MIME,29,SMTP有以下缺陷 不能传输可执行文件或其它二进制对象 只能传输7-位ASCII码字符 邮件报文长度可能受限 ASCII和字符码EBCDIC（扩展二进制编码的十进制交换码）的转换不一致问题,SMTP,30,定义了5个新的消息头字段，提供了关于消息体的信息 定义了大量

14、的内容格式，从而标准化地表达多媒体电子邮件 定义了多种转换编码方式，可以将任意内容格式转换到邮件系统可识别的标准格式,MIME概要,31,MIME-Version：必须为1.0（RFC2045、RFC2046） Content-Type：定义了多种类型，如Image、Video、Application等 Content-Transfer-Encoding：编码类型，将消息主体转换到消息传输能接受的格式，例如radix64 Content-ID：MIME实体的唯一标识符 Content-Description：对象内容描述（如mpeg）,MIME的5个头字段,32,封装数据(Enveloped

15、data)：加密的内容和加密后的会话密钥 数据签名(Signed data)：用私有密钥对数据摘要进行签名,内容与签名被转换成base64（radix-64）编码，一个签名的数据消息只能被带有S/MIME能力的接收者查看。 数据的透明签名（Clearsigned data）：只对数字签名进行base64编码，没有S/MIME的接收者依然可以看到报文内容,尽管他们不能验证该签名 签名并且封装数据(Signed and enveloped data),S/MIME的功能,33,报文摘要：SHA-1和MD5 数字签名：DSS 对称加密：3DES和RC2-40 公钥加密：RSA(512-1024)、Diffie-Hellman,S/MIME使用的算法,34,S/MIME使用了X.509v3的公钥证书 用户代理实现的密钥管理功能： 密钥生成：生成Diffie-Hellman、DSS和RSA密钥对 注册：公钥必须注册到CA，以获得X.509公钥证书 证书的存储和检索：为验证接收到的前面和加密输出消息，用户需要访问本地证书列表,S/MIME用户代理,