虚拟专用网技术

一、需求背景

• 物理联通：实现不同物理位置网络的连接基础。
• 网络联通：在物理连接基础上，实现数据等信息的传输互通。

二、虚拟专用网简介

1. 定义
   虚拟私有网络是依靠互联网服务提供商（ISP）或其他网络服务提供商（NSP），在公共网络基础设施之上构建的专用安全数据通信网络，其网络形态为逻辑态，因此称为 “虚拟” 专用网。
   IETF 草案对基于 IP 的 虚拟专用网定义为：使用 IP 机制仿真出私有广域网，即通过隧道技术在公共数据网络上模拟点到点专线技术。

2. 发展
   传统 虚拟专用网指用户租用数字数据网电路（DDN）、ATM 永久性虚电路（PVC）、帧中继（FR）等组建二层 虚拟专用网络，骨干网由电信运营商维护，客户仅管理自身站点和路由；随着 IP 技术发展，现代虚拟专用网更多基于 IP 技术实现三层虚拟专用网技术。

三、虚拟专用网分类

1. 按建设单位划分

   • 租用运营商 VPN 专线搭建：如MPLS 虚拟专用网，由运营商负责骨干网维护，企业专注自身网络管理。
   • 企业自行搭建：如GRE、L2TP、IPsec、SSL 虚拟专用网等，企业需自主管理整个 虚拟专用网架构。

2. 按组网方案划分

   • 客户到站点（Client-to-Site）：Access 虚拟专用网

     • 场景特点：客户端地址不固定，仅支持客户端单向向内网发起访问请求。
     • 适用场景：出差员工、移动办公人员接入企业内网。

   • 站点到站点（Site-to-Site）

     • 场景特点：两端网络通过固定网关连接互联网，组网相对固定，支持双向访问。
     • 细分类型：
       • 内联网（Intranet 虚拟专用网）：连接同一公司的多个 LAN，如总部与分支机构。
       • 外联网（Extranet 虚拟专用网）：连接企业与合作商、外包公司等外部机构的网络。

3. 按层次分类
   基于 OSI 七层模型，可分为二层虚拟专用网（如 L2TP）、三层虚拟专用网（如 IPsec、GRE）等，不同层次的 虚拟专用网对应保护不同层次的数据。

四、虚拟专用网关键技术

1. 隧道技术

• 核心地位：是虚拟专用网的核心技术，本质是封装技术。虚拟专用网通过封装对数据进行保护，工作在不同层次的虚拟专用网保护其所在层次及以上的数据（无加密时不保证安全）。
• 相关协议：网络封装涉及三类协议 —— 乘客协议（被封装的数据协议，如 IP、PPP）、封装协议（负责封装的协议，如 GRE、L2TP）、运输协议（承载封装后数据的协议，如 IP）。
  • GRE（通用路由封装）：典型的封装协议，用于创建 VPN 隧道，可封装多种网络层协议。
• 优势：
  • 互联互通：实现不同网络类型（如 IPv4 与 IPv6）的跨网连接。
  • 安全性：通过封装隐藏原始数据信息（需配合加密增强安全性）。
  • 灵活性：可基于公共网络灵活部署，降低专线成本。

2. 身份认证技术

• 作用：虚拟专用网的安全前提，用于核实接入者（如分支节点、出差员工）的身份，防止恶意用户接入。
• 不同虚拟专用网技术的认证支持：
  • GRE：不具备身份认证功能。
  • L2TP：依赖 PPP 协议提供认证（如 PAP、CHAP）。
  • IPsec虚拟专用网、SSL虚拟专用网：原生支持身份认证，可采用密码、证书等方式。

3. 加解密技术

• 定义：将明文转换为密文（加密），再将密文还原为明文（解密），加密对象包括数据报文和协议报文。
• 目的：保证信息被窃听或截取后，攻击者无法获取内容，抵抗网络被动攻击（如监听）。
• 技术实质：可逆的双向函数，需通过密钥实现加密与解密的对应。
• 支持情况：
  • GRE、L2TP：不提供加解密功能，通常需与 IPsec 结合使用以增强安全性。
  • IPsec、SSL：原生支持加解密，可通过对称或非对称加密算法实现。

4. 数据认证技术

• 作用：保证数据的完整性，验证接收的报文是否被伪造或篡改，若不通过则丢弃。
• 实现方式：采用 “摘要” 技术，通过 HASH 函数将长报文映射为固定长度的短报文（摘要），收发双方对比摘要值，一致则认可数据完整性。
• 支持情况：
  • L2TP：本身无数据认证机制，需与 IPsec 结合实现。
  • IPsec、SSL：原生支持数据认证。
  • GRE：默认不支持，可通过添加校验和和关键字提供简单数据认证。

五、数据的安全传输 —— 密码学

1. 加密技术发展史

• 古典加密算法：安全性依赖算法本身保密（如凯撒密码），一旦算法泄露则完全失效。
• 现代加密算法：通过 “密钥” 解决古典算法的缺陷，安全性基于密钥保密而非算法保密，遵循 “算法公开、密钥保密” 原则，分为对称加密算法和非对称加密算法。

2. 对称加密算法（传统密码算法、秘密密钥算法、单钥算法）

• 特点：发送者和接收者使用相同的密钥进行加密和解密，安全性取决于密钥是否被未授权第三方获取。使用前需通过安全方式交换密钥。

• 密钥核心：基于双向函数，运算逻辑以异或算法为基础（二进制运算中，相同为 0，不同为 1）。

  示例：
  明文：11001110
  密钥：10001010
  密文：01000100（明文与密钥异或）
  解密：01000100与密钥10001010异或，还原为明文11001110
  

• 分类

  • 流加密：

    • 特点：基于明文流逐位加密，密钥长度与明文流长度相同。
    • 密钥传输方式：带外传输（如 U 盘拷贝）、带内传输（通过加密流量传输）。
    • 典型算法：RC4，广泛用于无线通信网络。

  • 分组加密（块加密算法）：

    • 逻辑：将明文切分为固定大小的块（分组），对每个块单独加密，块长度（分组长度）需权衡安全性与实用性（传统为 56 位，现多为 128 位）。
    • 关键组成：
      1. 填充算法：当明文长度不是块长度的整数倍时，需填充至整数倍（如 PKCS7 算法）。
         • 规则：设块长度为BlockSize，明文字节长度为SrcSize，填充字节数P = BlockSize - (SrcSize % BlockSize)，每个填充字节的值为P（解密时根据最后一个字节去除填充位）。
      2. 分组模式：解决多个块的协同加密问题，常见模式包括：
         • ECB（电子密码本）：每个块独立加密，相同明文块生成相同密文块，安全性低。
         • CBC（密码块链接）：明文块与前一个密文块异或后加密，需初始化向量（IV），加密串行、解密可并行。
         • CFB（密文反馈）：前一个密文块加密后与当前明文异或，无需填充，解密仍用块加密。
         • OFB（输出反馈）：基于前一个块加密的输出生成异或参数，与 CFB 类似。
         • CTR（计数器模式）：用计数器生成异或参数，加解密可并行。
         • GCM（伽罗瓦 / 计数器模式）：在 CTR 基础上增加认证功能，用于 TLS 协议。
      3. 分组加密算法：对单个块的具体加密逻辑。

• 常见算法

  • DES/3DES：DES 分组长度 56 位，安全性较低；3DES 通过 “加密 - 解密 - 加密” 三次运算增强安全性，适用于大量数据加密，效率较高。
  • AES（高级加密标准）：分组长度支持 128、192、256 位，安全性最高、应用最广泛。

• 国密算法：国家密码局认证的国产算法，包括：

  • SM1：对称加密，强度与 AES 相当，算法未公开，需通过加密芯片调用。
  • SM2：非对称加密，基于 ECC，优于 RSA，已公开。
  • SM3：消息摘要算法，类似 MD5，结果为 256 位，已公开。
  • SM4：对称加密，用于无线局域网，分组长度 128 位。

• 特点与问题

  • 流加密：速度快、资源消耗低；分组加密：安全性、可扩展性更优，是主流算法。
  • 存在问题：密钥共享（如何安全传输）和密钥管理（密钥数量过多时的维护）。

3. 公钥密码体系

• 核心目标：解决对称加密的密钥共享问题，杜绝 “隐藏式安全性”。

非对称加密算法（公钥加密）

• 特点：每个用户拥有一对密钥 ——公钥（公开） 和私钥（保密），两者存在数学关联。公钥加密的数据仅能通过对应私钥解密，私钥加密的数据仅能通过对应公钥解密。

• 运算基础：基于不可逆的取模运算（如大整数因数分解、椭圆曲线离散对数问题）。

• 通讯方式：通讯双方需使用四个密钥（各自的公钥和私钥），发送方用接收方公钥加密数据，接收方用自身私钥解密。

• 注意事项：公钥由私钥推导而来，私钥泄露则公钥失效，私钥绝不能作为公钥使用。

• 常见算法：

  • RSA：基于大整数因数分解问题，常用 2048 位密钥，目前仍广泛使用。
  • ECC（椭圆曲线加密）：基于椭圆曲线离散对数问题，256 位密钥安全性相当于 RSA 的 3072 位，运算速度更快。

• 与对称加密对比

特性	对称加密	非对称加密
安全性	较低	较高
速度	较快	较慢

• 混合使用策略：数据传输用对称加密保证效率，对称密钥的共享通过非对称加密实现，兼顾安全性与效率（即混合密码体系）。

密钥分配问题

• 事先共享密钥：需通过安全渠道（如线下交付）传递，适用于固定场景。
• 密钥分配中心（KDC）：集中管理密钥，用户仅需与 KDC 共享密钥，解决密钥数量过多问题，但需解决 KDC 的性能和自身安全性问题。
• DH 交换算法：

  

  • 原理：双方不直接交换密钥，而是通过共享参数（公钥）、私有参数（私钥）和算法协商对称密钥。核心公式为A = g^a mod p（g、p为公开生成元，a为私有参数）。
  • 特点：仅传递生成密钥的参数，不直接传递密钥，安全性基于离散对数问题的复杂性。
• 非对称加密算法：通过公钥加密对称密钥，实现密钥的安全传输。

混合密码体系（数字信封）

• 逻辑：先用对称密钥加密消息（保证效率），再用接收方公钥加密对称密钥（保证密钥安全），接收方用私钥解密得到对称密钥，再解密消息。
• 优势：结合对称加密的高效性和非对称加密的安全性，广泛用于实际通信（如 HTTPS）。

六、身份认证和数据认证技术

1. Hash 散列（哈希算法）

• 定义：将任意长度输入转换为固定长度输出（散列值）的不可逆函数，非加密技术（加密可逆，散列不可逆）。

• 特点：

  • 不可逆：无法从散列值反推原始输入。
  • 固定长度：无论输入长度如何，输出长度固定（如 SHA-256 输出 256 位）。
  • 唯一性：相同输入必产生相同散列值，不同输入（概率上）产生不同散列值（抗碰撞性）。
  • 雪崩效应：输入微小变化导致散列值大幅变化。

• 分类：

  • 密码学哈希：需保证抗碰撞性，如 SHA-2、SHA-3、SM3（安全）；MD5、SHA-1（不安全，已被破解）。
  • 非密码学哈希：用于非安全场景（如 CRC 校验、哈希表查找）。

• 用途：

  • 网络传输校验和：验证数据传输完整性。
  • 信息认证与完整性：如 MAC（消息认证码），在散列基础上加入密钥，确保消息来源合法性和完整性。
  • 电子签名：对消息散列值签名，验证消息未被篡改。
  • 敏感信息存储：如密码存储（仅存散列值，不存明文）。
  • 散列表：快速查找数据（如字典、哈希映射）。

2. 数字签名

私钥	公钥
公钥密码体系	解密	加密
数字签名	加密	解密
谁持有密钥	个人持有	任何人

常用的是对消息的散列值签名的方式。散列值确保消息没有被篡改

数字签名的目的不是为了对数据信息进行加密，而仅仅是为了对数据的发送者进行验证。

• 作用：解决消息发送中的伪造和否认问题，消息认证码（MAC）无法解决 “第三方证明” 和 “防止否认” 问题。
• 过程：发送者对消息散列值用私钥加密（生成签名），接收者用发送者公钥解密并验证散列值是否匹配。
• 目的：验证数据发送者身份及消息完整性，不用于加密数据。

3. 数字证书与 PKI 体系AAAAA

从根CA开始 ---> 特点：自己给自己颁发证书，被称为自签名。

用户本地预埋的是可信的CA机构自己的数字证书，而不会直接预埋CA机构的公钥信息。

• 数字证书：由认证机构（CA）签名的公钥，包含用户信息、公钥及 CA 签名，证明公钥归属。
• PKI（公钥基础设施）：围绕数字证书全生命周期的管理体系，遵循 X.509 标准，包括：

  

  • CA（认证机构）：生成、颁发、撤销证书，制作证书撤销列表（CRL）。
  • RA（注册机构）：接收证书申请并验证用户身份。
  • VA（验证机构）：管理 CRL，提供证书状态查询。
• 证书层次：从根 CA 开始，根 CA 自签名，用户本地预置可信 CA 证书，下级 CA 由上级 CA 签名，形成信任链。
• 相关协议：OCSP（在线证书状态协议），高效查询证书是否失效，替代 CRL 的周期性更新。