电子邮件安全.docx

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电子邮件安全

电子邮件安全

（一）

【教学目的要求】熟悉各名词、术语的含义，掌握基本概念，特别是PGP、PGP操作描述。

掌握网络安全体系结构、安全攻击方法等基本概念。

【重点】PGP、PGP操作描述

【难点】PGP、PGP操作描述

【教学方法】多媒体教学和传统教学相结合。

【课时安排】2课时

【教学过程】

【导入】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。

【讲解】

安全电子邮件

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

邮件信息格式

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（MultipurposeInternetMailExtensions，多用途网际邮件扩展）

5.1PGP（PrettyGoodPrivacy）

1.提供了一种机密性和数字签名的安全服务，广泛用于电子邮件和文件存储的安全应用

2.选择各种经过实际验证的安全算法作为基础构件

3.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

4.是一个自由软件包（）

PGP的优势

1.免费得到,支持多种平台（DOS/Windows、Unix、Macintosh等）

2.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

3.应用范围极其广泛

4.不从属于任何政府机构和标准化组织

5.已经成为互联网标准文档（RFC3156）

6.免费得到,支持多种平台（DOS/Windows、Unix、Macintosh等）

7.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

8.应用范围极其广泛

9.不从属于任何政府机构和标准化组织

10.已经成为互联网标准文档（RFC3156）

5.1.1PGP符号约定

Ks=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

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

5.1.2PGP操作描述

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CarlisleAdams和StaffordTavares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

Diffie-Hellman或RSA加密会话密钥

数据压缩：

ZIP

与电子邮件的兼容性：

Radix64，将加密消息转换为ASCII串

分段处理：

适应最大消息尺寸限制

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。

PGP认证说明

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

可执行程序的签名记录，检查病毒

文档多方签名，可以避免嵌套签名

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

PGP保密性说明

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。

压缩

压缩的时机（在签名之后加密之前）：

在签名之后的原因：

1.将来验证时只需要存储原始报文和签名

2.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，密码分析更加困难；而且节省空间

压缩算法使用了ZIP

【作业布置】思考题1-3。

【教学后记】通过本章教学，学生掌握了PGP的有关基本概念，了解了PGP的符号表示方法等知识，该部分内容只是一个框架描述，比较抽象，难懂。

电子邮件安全

（二）

【教学目的要求】熟悉各名词、术语的含义，掌握基本概念，PGP报文定义、加密密钥和密钥环、PGP报文的发送和接收流程。

【重点】PGP报文、PGP报文的发送和接收流程。

【难点】安全体系结构和主动攻击。

【教学方法】多媒体教学和传统教学相结合。

【课时安排】2课时

【教学过程】

【导入】

【讲解】

与电子邮件的兼容性

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

分段和重组

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

PGP报文的发送和接收流程

5.1.3加密密钥和密钥环

PGP使用四种类型的密钥：

一次性会话常规密钥，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。

密钥标识符

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：

PUamod264

PGP数字签名也需要密钥ID

PGP消息格式

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）

私钥环和公钥环

系统地组织密钥

【作业布置】思考题P18的4题。

【教学后记】通过本章教学，学生掌握了网络安全的有关基本概念，了解了网络安全的体系结构等知识，还对网络攻击的类别进行了介绍，扩充了学生的专业知识的视野，为后面的网络安全学习打下了基础。

安全电子邮件密钥管理

【教学目的要求】熟悉各名词、术语的含义，掌握基本概念，公钥管理、S/MIME。

【重点】S/MIME。

【难点】公钥管理、S/MIME。

【教学方法】多媒体教学和传统教学相结合。

【课时安排】2课时

【教学过程】

【导入】先前已经介绍了PGP，接下来介绍公钥管理、S/MIME。

【讲解】

密钥环说明

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。

PGP消息的生成（无压缩和radix-64）

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）

PGP消息的接收（无压缩和radix-64）

解密

PGP用消息的会话密钥部分中的用户ID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）

5.1.4公钥管理

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

得到可靠公钥的办法

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的公钥证书

5.2S/MIME

是Internet电子邮件格式MIME（MultipurposeInternetMailExtensions，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

SMTP

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

MIME概要

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的5个头字段

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）

S/MIME的功能

封装数据（Envelopeddata）：

加密的内容和加密后的会话密钥

数据签名（Signeddata）：

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（Clear－signeddata）：

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（Signedandenvelopeddata）

S/MIME使用的算法

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用户代理

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

【作业布置】习题1-5题。

【教学后记】通过本章教学，学生掌握了电子邮件的有关基本概念，了解了S/MIME等知识。