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计算机信息安全. 信息技术系 徐方勤 2010 年 3 月 第 1 版. 第 2 章 信息安全体系结构. 2.1 技术体系结构概述 2.2 安全机制 2.3 OSI 安全体系结构 2.4 应用体系结构 2.5 组织体系结构与管理体系结构. 管理体系. 组织体系. 技术体系. 图 2.1 信息安全体系三棱锥. 概述. 信息安全体系. 信息安全体系就是为了从管理、技术上保证安全策略得以完整、准确地实现，包括： 技术体系 组织体系 管理体系. 体系结构释义.
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计算机信息安全 信息技术系 徐方勤 2010年3月 第1版
第2章 信息安全体系结构 • 2.1 技术体系结构概述 • 2.2安全机制 • 2.3 OSI安全体系结构 • 2.4应用体系结构 • 2.5 组织体系结构与管理体系结构
管理体系 组织体系 技术体系 图2.1 信息安全体系三棱锥 概述 • 信息安全体系 • 信息安全体系就是为了从管理、技术上保证安全策略得以完整、准确地实现，包括： • 技术体系 • 组织体系 • 管理体系
体系结构释义 所谓一种体系结构实际上是一种被普遍认可的一种概念或结构，以及这种结构的目标和采用的方法。 例1. 居住楼房是一种建筑（体系）结构 例2. 窑洞则是能供家庭居住的另一种结构 体系结构的概念可以使人们在大的方面进行交流。而不同权益者可以关注不同的细节。例如住户仅关心在楼房建设中使用的水泥标号（表示其强度），而房地产开发商除了关注水泥的标号外，还需要关注水泥的采购价格等，而外形设计者可能仅关注水泥的颜色。由此可以看出研究体系结构的重要性。
2.1 技术体系结构概述 定义：信息安全的技术体系结构是研究在特定应用环境或类别下，采用妥善定义的信息安全机制，构建、实现相关的安全目标或安全服务的科学。
技术体系结构释义 应用环境可分为： 物理环境 计算机系统平台 网络通信平台 应用平台四种 妥善定义的信息安全机制： 是指那些技术或模块，它们能够实现一个或若干特定安全目标。这些安全机制有明确的定义和易判定的外延，与别的模块有明显的区别。
技术体系结构释义 例如： 1. 加密模块 2. 访问控制模块 它们的定义是明确的，外延是易判定的，从而是妥善定义的机制。妥善定义的信息安全机制通常简称为安全机制。 不同的应用环境对安全的需求是有差异的。给定的一类应用对安全的需求可以归结为一些基本要素，称为安全目标（也称为安全服务）。这些安全目标可以通过合理配置安全机制来实现。具体的应用安全性则是通过调用这些安全服务完成。
应用系统安全 物理环境安全体系 计算机系统平台安全体系 网络通信平台安全体系 应用平台安全体系 安全目标 信息安全技术体系 安全机制 图2.1安全体系结构层次 体系结构释义
2.1.1物理环境安全体系 物理安全，是通过机械强度标准的控制，使信息系统所在的建筑物、机房条件及硬件设备条件满足信息系统的机械防护安全；通过采用电磁屏蔽机房、光通信接入或相关电磁干扰措施降低或消除信息系统硬件组件的电磁发射造成的信息泄露；提高信息系统组件的接收灵敏度和滤波能力，使信息系统组件具有抗击外界电磁辐射或噪声干扰能力而保持正常运行。 物理安全除了包括机械防护、电磁防护安全机制外，还包括限制非法接入，抗摧毁，报警，恢复，应急响应等多种安全机制。
2.1.2计算机系统平台安全体系 硬件上主要通过下述机制，提供一个可信的硬件环境，实现其安全目标。 1. 存储器安全机制 2. 运行安全机制 3. I/O安全机制 操作系统上主要通过综合使用下述机制，为用户提供可信的软件计算环境。 1. 身份识别 2. 访问控制 3. 完整性控制与检查 4. 病毒防护 5. 安全审计
2.1.3网络通信平台安全体系 国际标准化组织ISO在1988年发布的ISO 7498-2作为其开放系统互连（OSI）的安全体系结构。它定义了许多术语和概念，并建立了一些重要的结构性准则。 定义了5种安全目标，10多种安全机制。 5种安全目标是： 机密性、完整性 身份识别、访问控制（？）、防抵赖（？）
2.1.4应用平台安全体系 目前，通过国际标准化组织的努力，提出若干体系结构方面的标准。比较有影响的是国际标准化组织（ISO）的开放系统互连（OSI）安全体系结构（ISO 7498-2）、高层安全模型（ISO/IEC 10745）；互联网工程任务组（IETF）的安全体系结构IPSec、传输层安全TLS等。
2.1 安全机制 信息安全中安全策略要通过安全机制来实现。安全机制可以分为保护机制、检测机制和恢复机制三个类别。下面我们对常用的安全机制的概念进行说明。
2.2.1 加密 加密技术能为数据或通信信息流提供机密性。同时对其他安全机制的实现起主导作用或辅助作用。 （1）传统密码 （2）公钥密码
2.2.2 数字签名 数字签名包括两个过程：签名者对给定的数据单元进行签名，而后接收者验证该签名。
2.2.3 访问控制 访问控制机制使用实体的标识、类别（如所属的实体集合）或能力，从而确定权限、授予访问权。实体如果试图进行非授权访问，将被拒绝。访问控制机制基于下列几种技术： （1）访问信息库 （2）识别信息库 （3）能力信息表 （4）安全等级 为进行访问的实体和被访问的实体划分相应的安全等级、范围，制定访问交互中双方安全等级、范围必须满足的条件（称为强安全策略）。这种机制与访问控制表或能力表机制相比，信息维护量小，但设计难度大。 此外，在访问控制中有时还需要考虑时间及持续长度、通信信道等因素。
2.2.4 数据完整性 有两类消息的鉴别：数据单元的完整性鉴别和数据流的完整性鉴别。 数据单元的鉴别是数据的生成者（或发送者）计算的普通分组校验码、用传统密码算法计算的鉴别码、用公钥密码算法计算的鉴别码，附着在数据单元后面，数据的使用者（或接收者）完成对应的计算（可能与生成者的同样或不同），从而检验数据是否被篡改或假冒。 在连接模式的数据传输中（如TCP），保护数据流的完整性除了计算鉴别码外，还需结合时间戳、序列号、密码分组链接等技术，从而抵抗乱序、丢失、重放、插入或修改等人为攻击或偶然破坏。 在无连接模式的数据传输中（如UDP），与时间戳机制的结合可以起到防重放的作用。
2.2.5 身份识别 身份识别在OSI中称为鉴别交换 各种系统通常为用户设定一个用户名或标识符的索引值。身份识别就是后续交互中当前用户对其标识符一致性的一个证明过程，通常是用交互式协议实现的。常用的身份识别技术有： （1） 口令（password） 验证方提示证明方输入口令，证明方输入后由验证方进行真伪识别。 （2） 密码身份识别协议 使用密码技术，可以构造出多种身份识别协议。如挑战—应答协议、零知识证明、数字签名识别协议等。 （3）使用证明者的特征或拥有物的身份识别协议 如指纹、面容、虹膜等生物特征，身份证、IC卡等拥有物的识别协议。当然这些特征或拥有物至少应当以很大的概率是独一无二的。
2.2.6 通信量填充与信息隐藏 通信量通常会泄露信息。 为了防止敌手对通信量的分析，我们需要在空闲的信道上发送一些无用的信息，以便蒙蔽敌手（当然填充的信息经常要使用机密性服务），这就称为通信量填充机制。在专用通信线路上这种机制非常重要，但在公用信道中则要依据环境而定。 信息隐藏则是把一则信息隐藏到看似与之无关的消息（例如图象文件）中，以便蒙蔽敌手，通常也要和密码技术结合才能保证不被敌手发现。 通信量填充和信息隐藏是一组对偶的机制。前者发送有形式无内容的消息，而后者发送有内容“无”形式的消息。 以达到扰乱目的!
2.2.7 路由控制 路由控制是对于信息的流经路径的选择，为一些重要信息指定路径，例如通过特定的安全子网、中继或连接设备，也可能是要绕开某些不安全的子网、中继或连接设备。这种路由可以是预先安排的或者作为恢复的一种方式而由端系统动态指定。 路由控制则是一种一般的通信环境保护。恰当的路由控制可以提升环境的安全性，从而可能会因此简化其他安全机制实施的复杂性。
2.2.8 公证 在两方或多方通信中，公证机制可以提供数据的完整性，发/收方的身份识别和时间同步等服务。通信各方共同信赖的公证机构，称为可信第三方，它保存通信方的必要信息，并以一种可验证的方式提供上述服务。 通信各方选择可信第三方指定的加密、数字签名和完整性机制，并和可信第三方做少量的交互，实现对通信的公证保护。例如证书权威机构CA，通过为各通信方提供公钥证书和相关的目录、验证服务，从而实现了一部分公证机构的职能。 除了上述这些（特殊）安全机制外，OSI还采用了下列几种普遍性安全机制。
2.2.9 事件检测与安全审计 对所有用户的与安全相关的行为进行记录，以便对系统的安全进行审计。 与安全相关的事件检测，包括对明显违反安全规则的事件和正常完成事件的检测。其处理过程首先是对事件集合给出一种定义，这种定义是关于事件特征的描述，而这些特征又应当是易于捕获的。一旦检测到安全相关的事件，则进行事件报告（本地的和远程的）和存档。 安全审计则在专门的事件检测存档和系统日志中提取信息，进行分析、存档和报告，是事件检测的归纳和提升。安全审计的目的是为了改进信息系统的安全策略、控制相关进程，同时也是执行相关的恢复操作的依据。 对于分布式的事件检测或审计，要建立事件报告信息和存档信息的语义和表示标准，以便信息的交换。 目前经常提到的漏洞扫描和入侵检测都属于事件检测和审计的范畴。
2.2.10 安全恢复 • 对事件检测和审计报告提交到事件处理管理模块后，如果满足一定的条件，则触发恢复机制。恢复机制通常是由一系列的动作组成。其目的是在受到安全攻击或遇到偶然破坏的情况下，把损失降到最小。 • 恢复包括：数据的恢复和运行状态的恢复。 • 对于数据的恢复而言，为了有效地恢复，通常需要事先使用关联的数据备份机制。 • 而对于系统运行状态的恢复是指把系统恢复到安全状态之下，可分为： • 立即恢复 • 是指立即退出系统，例如切断连接、关机等，其效果没有持久性； • 当前恢复 • 是指针对具体实体停止当前的活动，例如取消用户的访问权、终止和一个用户的交易等，其效果覆盖当前一段时间； • 长久恢复 • 执行类如把攻击者写入“黑名单”、更换用户密码等操作，其效果是长久的。
2.2.11 安全标记 安全标记是为数据资源所附加的指明其安全属性的标记。例如安全标记可以用来指明数据的机密性级别。 安全标记可以是显式的, 也可能是隐含的： 例如使用一个特定密钥加密数据所隐含的信息, 或由该数据的上下文所隐含的信息，例如数据来源或路由隐含。显式安全标记必须是清晰可辨认的，以便对它们作适当的验证。此外, 它们还必须安全可靠地依附于与之关联的数据。这种安全机制对几乎所有的安全机制实现都是需要的。
2.2.12 保证 保证（assurance），也称为可信功能度，提供对于某个特定的安全机制的有效性证明。保证使人们相信实施安全机制的模块能达到相应的目标。 对安全机制的保证，通常通过对机制的规格说明、设计和实现三个过程的可信度来提供。 例如规格说明对机制的功能给出准确的形式化描述。设计将准确地把规格说明内容转换为功能模块，并保证无论在何种环境下设计将不允许违反规格描述的条款。最后需要忠实地按照设计实现一种安全机制。 保证提供的是安全机制之所以是安全的所依据的假设条件。如果你相信这些条件能满足，则安全机制就是可信的。反之，如果不相信这些条件能得到满足，则系统未必是可信的。
作业 • 1．本章所述的安全机制中，按照防护、检测、恢复来分类。 • 2. 什么是数字签名？它可提供哪些服务？你知道一种具体的数字签名机制的名字吗？
2.3 OSI安全体系结构 • 标准组织 ISO——国际标准化组织 OSI ——开放系统互连 ITU——国际电信联盟 • OSI安全体系结构的颁布 • ISO于1988年发布了7498-2标准——开放系统互连（OSI）参考模型的安全体系结构部分。 • ITU于 1990年把它作为X.800推荐标准。 • 中国于1995年我国把它作为国家标准GB/T9387.2-1995颁布。
目标 • 体系结构定义的回顾 • 信息安全的技术体系结构是研究在特定应用环境或类别下，采用妥善定义的信息安全机制，构建、实现相关的安全目标或安全服务的科学。 • OSI安全体系结构的目标 • 把安全特征按照功能目标分配给OSI的层，以加强OSI结构的安全性。 • 提供一个结构化的框架，以便供应商和用户据此评估安全产品。
意义和方法 OSI安全体系结构对于构建网络环境下的信息安全解决方案具有指导意义。 其核心内容是为异构计算机的进程与进程之间的通信安全性，定义了五类安全服务、八类安全机制以及安全服务分层的思想，并描述了OSI的安全管理框架，最后又描述了这些安全服务、安全机制在7层中的配置关系。从而为网络通信安全体系结构的研究奠定了重要基础。
2.3.1 OSI的7层网络与TCP/IP模型 层次化结构有效地实现了各个层次功能的划分并定义了规范的接口，使得每一层的功能简单、易于实现和维护。
1.OSI的7层协议模型 图2.3 OSI的7层协议模型
2.一些术语 • 层次化结构有效地实现了各个层次功能的划分并定义了规范的接口，使得每一层的功能简单、易于实现和维护。 • 例如，它使网络的设计者不需要把注意力放在具体物理传输媒介、具体应用细节上，而专注于网络的拓扑结构。 • 每一层中的活动元素称为实体。位于不同系统上同一层的实体称为对等实体。不同系统之间的通信可以由对等实体间的逻辑通信来实现。对某一层上的通信所使用的规则称为该层上的通信协议。协议按照所属的层次顺序排列而成的协议序列称为协议栈。
3. 通信机制 事实上，除了在最底层——物理层，上进行的是实际的通信之外，其余各对等实体之间进行的都是虚通信或逻辑通信。高层实体之间的通信是调用相邻低层实体之间的通信实现的，如此下去总是要经过物理层才能实现通信。 N+1层实体要想把数据D传送到对等实体手中，它将调用N层提供的通信服务，在被称为服务数据单元（SDU）的D前面加上协议头（PH），传送到对等的N层实体手中，而N层实体去掉协议头，把信息D交付到N+1层对等实体手中。
4. TCP/IP模型 我们熟悉的英特网（Internet）实际上不是由7层组成，而是由应用层、传输层（TCP/UDP）、网络互联层（IP）和网络接口层组成。它们的位置关系参看图2.4。 它的通信模式和OSI的7层模型差不多。 应用层对应于OSI的应用层、表示层和会话层的组合，为应用程序访问网络通信提供接口。常见的协议包括FTP（文件传输协议）、TELNET（远程终端协议）、SMTP（简单邮件传输协议）、HTTP（超文本传输协议）等。 传输层对应于OSI的传输层，为高层提供一定的数据可靠性和完整性。包括两个传输协议TCP和UDP，前者提供面向连接的传输服务，后者提供面向非连接的传输服务。 网络互联层与OSI的网络层对应，处理建立、保持、释放连接，以及路由等功能，该层上的协议为IP协议。 网络接口层对应于OSI的数据链路层和物理层的组合，负责把IP包封装为适合于物理网络上传输的帧，并解决数据帧和比特传输的纠错问题。不同的网络介质有不同的协议。
2.3.2 OSI的安全服务 • OSI的五类安全服务是 • 鉴别 • 机密性 • 完整性 • 访问控制 • 抗抵赖 • 实际上是一些要实现的安全目标，但在OSI框架之下，认为每一层和它的上一层是一种服务关系，因此，把这些安全目标称为安全服务是相当自然的。
1. 鉴别 （1）对等实体鉴别 即提供实体的身份识别服务。该服务能够确定一个实体没有冒充其他实体，使对方（对等实体）确信他正在和所声称的另一实体在通信。 （2）数据原发鉴别 确认所接收到的数据的来源是所声称的实体，但对于数据的重放不提供保护。
2. 机密性 该服务保护数据不被非授权地泄漏。 （3）连接机密性 为一层上建立的一个连接上的所有数据提供机密性保护服务。对一些层来说保护全部的连接数据是合适的，但对另一些层来说不必要。 （4）无连接机密性 仅对一层上协议的某个服务数据单元SDU提供机密性保护服务。 （5）选择字段机密性 为所选择的某个字段提供机密性保护服务，这些字段可以是一层上连接传输的一部分数据，也可以是一层上非连接传输的一个SDU中的一个字段。 （6）通信业务流机密性 使通信业务流量具有随机特征，从而攻击者无法通过观察通信流量推断其中的机密信息。
3. 完整性 （7）带恢复的连接完整性 为一层上建立的一个连接上的所有数据提供完整性检查，即检查整个SDU序列中所有SDU的数据是否被篡改、检查SDU序列没有被删除、插入或乱序。一旦出现差错该服务将提供重传或纠错等恢复操作。 （8）不带恢复的连接完整性 与带恢复的连接完整性的唯一不同是，检查到差错后不进行补救。 （9）选择字段的连接完整性 为一层的一个连接传输的所选择部分字段提供完整性检查。检查这些SDU字段序列中的数据是否被篡改、检查字段序列没有被删除、插入或乱序。 （10）无连接完整性 对一层上协议的某个服务数据单元SDU提供完整性检查服务，确认是否被篡改。 （11）选择字段的无连接完整性 仅对一层上协议的某个服务数据单元SDU的部分字段提供完整性检查服务，确认是否被篡改。
4. 访问控制与抗抵赖 • （12）访问控制 • 是防止对资源的非授权使用。 • 抗抵赖服务又分为： • 为数据的发送方（13）提供交付证据 • 为数据的接收方提供（14）原发证据。
2.3.3 OSI安全机制 身份识别在OSI中称为鉴别交换 特定安全机制 加密、数字签名、访问控制、数据完整性、鉴别交换、通信量填充、路由控制、公证共8种 普遍性安全机制 可信功能度、安全标记、事件检测、安全审计追踪、安全恢复共5种 特定安全机制中除了数据完整性外都属于我们定义的安全防护范畴，而OSI的普遍安全机制除了可信功能度外对应于我们的安全检测和恢复范围。
作业 • 1．ISO／IEC 7498—2中定义的14种安全服务指的是哪些？ • 2. ISO／IEC 7498—2中定义的8种特定安全机制是哪些？5普遍性安全机制是哪些？
2.4应用体系结构 • OSI的高层安全协议模型（ISO 10745）是应用层安全协议的通用构建工具和协议组件模型。 • 该模型实际上只是把应用的安全归结为事务的安全，通过安全变换、安全交换、安全关联等机制类型实现应用安全目标。 • 该模型的概念 • 系统安全组件——实现安全变换 • 安全通信组件——实现安全交换和安全关联等
2.4.1 应用层结构与安全模型 ISO/IEC 9545是国际标准化组织的应用层次机构标准，它定义了应用层的结构概念和术语。
应用层结构 系统A应用层 系统B应用层实体 控制部件CF 控制部件CF 模块X 模块X 模块Y 模块Y 模块Z 模块Z 表示层 表示层 • 两应用系统通过表示层的逻辑连接进行通信。 • 应用层协议里包括各个具体应用模块（X，Y，Z）和控制部件CF的具体描述，说明各个模块怎样协同工作，怎样向用户或应用程序提供服务，怎样使用表示层的服务接口。 • 这些模块分为： • 应用服务元素（ASE） • 应用服务对象（ASO） • ASE包含一个模块描述 • ASO本身则是一个与应用层实体类似的结构，它也包含控制部件CF和一组低层模块（ASE、ASO）。
Web应用层结构示例 浏览器 浏览服务器 控制部件CF 控制部件CF ACSE ACSE 远程操作ASE 远程操作ASE 本地操作ASE 本地操作ASE 表示层 表示层 两个终端应用系统通过单个应用关联连接起来的情况下，每个应用系统中必须有至少一个ASE模块，称之为关联控制服务元素（ACSE）。ACSE为应用关联的建立和终止定义了应用PDU，ACSE PDU在建立应用关联时，交换应用双方的地址信息、确定应用上下文，提供应用实体的身份识别。
1. 安全组件 应用安全的组件可分为两大类： 系统安全组件负责与安全相关的处理，如加密、数字签名、随机数的生成等。 安全通信组件负责与安全相关的信息在系统之间的传输。 注： 系统安全组件属于安全机制和安全技术范畴，强调的是安全功能，可以应用在通信的各层，甚至在通信以外的领域也是有用的。 而安全通信组件则相反，它是特定通信协议（如OSI高层协议）的一部分，但不限定采用哪种安全机制或技术。 其次，它们区分了安全功能和通信功能，这有利于协议的实现。
2. 安全交换和安全变换 • 高层安全模型引入了两个重要的概念：安全交换和安全变换，这为安全协议构建工具和协议组件的设计铺平了道路。这两个概念反映了安全协议所需的两类不同的行为。 • 第一类行为是在安全机制的直接支持下，系统间交换的协议数据项的生成／处理。例如交换识别数据（用于实体识别目标），交换密钥数据（支撑机密性和完整性目标），或者是交换访问控制证书。它们传递的准确信息与机制有关，但协议构造方法可以与机制无关。安全交换概念指的是这一类行为。 • 第二类行为是用户数据在通信之前，要先进行一些变换，如加密、填充、数字签名等。这类行为更多的是对应用的另一组件的数据进行处理而不是生成特定的安全信息。安全变换概念指这类行为。 • 在实现系统间安全通信的情况下，系统安全组件是协议信息的源方和收方；在实现用户间安全通信的情况下，系统安全组件不是信息的源方和收方，而是对数据进行处理，如加密／脱密。
