# IT Sicherheit 笔记

# Netzwerksicherheit

# 保护数据传输

问题

• 有不同的协议 WLAN（无线局域网）、BT（蓝牙）、5G、以太网、IP/TCP 协议
• 不同的安全保障层次

应用层：例如单独的即时消息、单独的电子邮件

传输层：例如 TCP 连接、TLS（传输层安全）加密的数据传输

# 分析端点的数据流量

• 防火墙：过滤进出网络的数据包
• 入侵检测系统：检测可能的攻击痕迹（攻击者的 “脚印”）

# 传输层的安全

保护目标：

• Authentifikation: 每一个设备 / 用户的身份认证
• Vertraulichkeit: 每次连接的数据加密
• Integrität: 数据包的完整性

问题：密钥交换

使用的方法：AES-128 GCM（高级加密标准）、SHA256（安全哈希算法 256 位）、X509 证书

静态预设的方法或动态 “协商”（即在通信过程中协商选择加密方法）

# TLS 1.3

通过 HTTPS 保障 HTTP 安全，通过 SMTP over TLS 保证 SMTP 安全

• 加密算法：规定了 5 种密码套件（Cipher Suites）, 只允许 AEAD 模式的密码
• 密钥交换：用 ECDH 密钥交换
• 身份验证：CR, X.509
• 数字签名：RSA 或者 ECDSA

# TLS-Protokollablauf

目标：Clint A 安全地连接 Server B

• 初始化：Handshake-Protokoll:

  • 确定 Cipher-Suite
  • 身份认证
  • 去中心化生成共享密钥：$k_{a,b},k_{b,a}$ , 并且生成一个用于握手消息的 MAC 密钥（kmac）来确保消息的完整性和认证

• 加密数据交换：Application Data Protokoll

  • 客户端和服务器之间传输的应用数据包（如 HTTP 请求、邮件内容等）会进行端到端加密

# TLS-Handshake-Protokoll

广为流传的版本：Server B 对 A 验证自己，A 不对 Server B 验证自己

# Msg1: A to B

• A 随机生成 $R_A$
• A 生成 DH-Paar $(DH\text{-}e_A, DH\text{-}d_A)$
• 选择 Cipher-Suite $cs_A$

生成第一个消息 $m1 = \text{ClientHello,ID,}R_A,DH\text{-}e_A,cs_A$

# Msg 2: B 生成，不发送

• B 生成 $R_B$, 选择 $cs_A$ 作为 Cipher-Suite, (let $cs=cs_A$)
• 生成 $(DH\text{-}e_B, DH\text{-}d_B)$

第二个消息 $m2 = R_B,cs,ID,DH\text{-}e_B, cert(e_B)$

• 通过 $DH\text{-}e_A$ 和 $DH\text{-}d_B$ 生成 DH-Secret $s$
• 通过 $KDF(s||R_A||R_B)$ 生成密钥 $k_{a,b},k_{b,a},k_{mac}$
• 计算 $sig=Sig_{dB}(H(m1||m2))$
• 计算 $c=E_{k_{b,a}}(ApplicationData)$

# Msg 3: B to A

$Finish=E_{k_{b,a}}(HMAC_{k_{mac}}(m1||m2||sig)$

$m3 = \text{ServerHello},m2,sig,Finish$

# HTTP Request: A to B

• 验证签名 $Verify_{e_B}(Sig_{dB}(H(m1||m2))) == H(m1||m2)$
• 从 $m2$ 提取 $DH\text{-}e_B$ 和 $DH\text{-}e_A$ 计算 $s$
• 通过 $KDF(s||R_A||R_B)$ 生成密钥 $k_{a,b},k_{b,a},k_{mac}$
• 验证 HMAC: $HMAC_{k_{mac}}(m1||m2||sig) == D_{k_{b,a}}(Finish)$
• 生成结束 $Finish=E_{k_{a,b}}(HMAC_{k_{mac}}(m1||m3))$

发送 $Finish,$ HTTP Request

A 之后用 $k_{a,b}$ 加密数据

# B 验证 Finish

B 验证 $Finish == E_{k_{a,b}}(HMAC_{k_{mac}}(m1||m3))$

B 之后用 $k_{b,a}$ 加密数据

# TLS 1.3-Handshakes 的种类

之前说的是 1-RTT (Round Trip Time)

# 双方方互相验证的 TLS1.3

• B 发送 ServerHello 的时候同时发送一个 Certificate Request
• A 会回复它的 Client-Certificate $cert(e_A)$ , 并且签名 $cert(e_A),D_{dA}(H(m1||m2))$
• B 再验证这个签名

# 0-RTT

A 保存之前的 $k_{a,b}$ 并且用作之后的通讯

A 在发送 Hello 之后，直接发送数据

# ACME

Automatic Certificate Management Environment (ACME)

问题：

Server 经常没有 TLS 服务，生成 TLS-Server-Zertifikats 太贵了

ACME-Protocoll 可以通过自动化流程为网站服务器颁发免费的 TLS 证书。

Let’s Encrypt：广泛使用的认证机构（CA），为网站提供免费 TLS 证书

# 应用对象的安全保障

Messenger 即时信息服务

WhatsApp, Signal, Telegram, Threema, Matrix

安全目标：

• Vertraulichkeit 机密性：在数据传输过程中保证安全

加密通信模式

• E2E 加密 + TLS 传输：服务器不能读取消息
• 仅传输层层加密：服务器可以读取消息

# 案例：Singal

以隐私保护和安全通信为核心设计，开源软件，由非盈利组织 Signal Foundation 维护和运营。

用户注册：

• 需要电话号码
• 电话号码只存 hash 值
• Signal-Server 不存储用户数据

通信安全：

• AES-256 加密，通过用户 PIN 保护
• TLS 加密传输
• 不保存元数据 Metadata

# Signal Protokoll

Signal 协议被广泛用于 Whatsapp 等平台

任务：

• 双向身份验证
• 支持离线模式
• 每条信息用新的密钥加密
• 音视频传输

协议实现：

• X3DH （Extended Triple Diffie-Hellman）主要用于初始密钥协商，在通信开始时确定共享密钥
• Double Ratchet 用于即时消息的加密，动态更新加密密钥，确保消息安全。

# Double Ratchet-Protokoll

# Symmetrisches Ratchet Protokoll

基础是: A,B 直接共享密钥 CK

任务：

• 用 $A_i$ 作为第 $i$ 个消息的密钥
• A,B 去中心化计算密钥
• 对称加密

过程：

• A 计算 $(CK_{neu}, A_i) = KDF(\text{0x01},CK)$
• B 用自己的 CK 计算 $A_i$
• 下一个用 $CK_{neu}$ 作为基础

# DH-Ratchet-Protokoll

之前这个的问题是，没有 PFS，所以需要 DH-Ratchet

第一步：A

• A 生成新的 $(e_{A_{neu}},d_{A_{neu}})$ DH pair
• A 计算 $DH\text{-}s=DH(d_{B_{neu}}, e_B)$ 作为新的 CK

第二步：B

• B 收到 $e_{A_{neu}}$ , 计算 $DH\text{-}s=DH(d_B, e_{A_{neu}})$
• B 生成新的 $(e_{B_{neu}},d_{B_{neu}})$ , 使用新的进行下一轮

# 例子说明

首先，设 B 当前的 DH 密钥是 $(e_B^0, d_B^0)$

# A 给 B 发消息

A 先生成 $(e_A^1, d_A^1)$ , 然后用 B 当前的公钥得到

$DH^1 = ECDH(d_A^1, e_B^0)$ , 用这个作为 KDF 左侧的输入，和上一个 RK 导出新的 RK. 我们设上一个 RK 是 $RK^0$ (初始情况的 RK = SK, SK 是从 X3DH-Protokoll 交换出来的), 这里就求了 $RK^1= KDF(DH^1, RK^0)$

然后用这个 $RK^1$ 作为 Symmetrisches Ratchet Protokoll 的 CK , 推导出发送消息的 Message Key $A_1$ , 如果发送多条消息要重复推导，也就是 $A_2 = KDF(constant, CK_{last})$ 用上一个 CK 推到下一个 CK 和 Message Key。

此时 B 是离线状态

# B 给 A 发消息

此时 B 上线了，首先计算 $DH^1 = ECDH(d_B^0, e_A^1)$ , 用这个推导出 A 的 Message Key 来解密所有的消息 (过程和 A 一样)。

然后 B 给 A 发消息:

首先生成 $(e_B^1, d_B^1)$ , 计算 $DH^2=ECDH(d_B^1,e_A^1)$ , 推导 $RK^2=KDF(DH^2,RK^1)$, 然后用这个 $RK^2$ 作为新的 CK 推导出自己发送消息的 Message Key

以此类推

# Signal-Protokoll 的安全机制

• PFS
• Backward Secrecy: 一条信息的密钥泄露不会影响之前的安全性
• 通过 X3DH 协议双向认证
• 群聊: E2E 加密

# Systemsicherheit

# 操作系统的任务

• 通过 syscall 控制硬件
• 控制：内存，CPU, E/A, 文件管理
• Modi: Kernal-Mode: 执行特权命令；User-Mode: 执行普通命令

# 操作系统的保护 / 控制任务

• 标识符 Identifikatoren: 进程，文件，文件的安全管理

• 访问控制

• 访问与信息流控制: ACL (访问控制列表), 权限能力，分类

• 安全启动：Secure Boot, Trusted Boot

• 安全运行环境： TEE

• RAM 保护机制: Canaries, DEP 数据执行保护，ASLR 地址空间布局随机化

• 虚拟化: Isolation, Hypervisor, VM-Monitor

# 内存保护

冯诺依曼架构 universelle Interpretierbarkeit：程序指令和数据存储在同一存储器中，具有统一的地址空间。

# 进程地址空间

# Buffer Overflow

# Example 1

void a() {

	bool is_admin;

    char msg[128];

    gets(msg);

}

这个时候， is_admin 在 msg 的上面，Buffer Overflow 的时候是从低地址往高地址 overflow，可以覆盖掉 is_admin

# Return To ShellCode

可以把 shellcode (可以打开 shell 的代码) 作为输入，然后控制返回地址，跳转到这个 shellcode 的地方开始执行。

# Stack-Shielding

# Stack Canary

在返回地址前面加一个随机数，如果随机数被覆盖了就说明有 Buffer Overflow

这个保护措施通过 GCC 加的

Shadow Stack

Shadow-Stack 是一个独立且受保护的内存区域，用于安全存储函数调用的返回地址。它与常规栈相分离，以防止攻击者通过缓冲区溢出等手段篡改返回地址。

# DEP

Data Execution Prevention:

• CPU-Feature NX-bit (No-eXecute) 标记为不可运行

# ASLR

Address Space Layout Randomization 地址随机化

因为 DEP 不能保护 Return Oriented Programming (ROP)

• Linux 在每个程序启动的时候随机化
• Windows 在每次启动系统的时候随机化

但是代码段不会随机化

扩展：

• PIE (Position Independent Executable): 支持代码段随机化
• KASLR: Kernel ASLR 对内核地址空间进行随机化，从而进一步提升内核态安全性。

# Virtual-Machine-Monitor (VMM)

目标：

• 将物理硬件资源抽象为虚拟化资源，供虚拟机使用.
• Isolation: 确保各虚拟机（VM）之间相互独立，不受干扰

VMM/Hypervisor:

• 是一种管理虚拟机的软件，负责创建、启动和运行虚拟机。
• 允许不同的操作系统在多个虚拟机中并行运行。
• Hypervisor 实现了虚拟机之间的隔离，防止一个虚拟机对另一个虚拟机的直接干扰或访问。
• Hypervisor 可以控制虚拟机的状态，包括暂停、重启、调整资源配置等。

# Container-Konzept

轻量化的虚拟化，以更高效地运行和管理应用程序。

容器将应用程序运行所需的所有组件打包成一个整体，包括：应用程序代码，相关服务，依赖的库与运行环境

• 容器在用户空间中以 隔离进程 的方式运行。
• 与传统虚拟机相比，容器的隔离性较弱，因为它们共享相同的内核。

优点是：轻量高效，易于部署和维护

# 硬盘加密

保护系统中数据的机密性，特别是当攻击者拥有物理访问权限时。

例如，一台包含公司敏感数据的笔记本电脑被盗，攻击者拆下硬盘后，操作系统的保护措施不再生效，数据可能被轻易访问。

通过加密保护数据，只有在用户提供正确的密码（Passphrase）后，才能解密数据并访问。

在计算机关闭时，数据处于加密状态，无法被访问或读取。

# 种类

• 通过特定应用程序对文件进行加密，例如 PDF 文件加密。
• 文件系统层面进行加密，比如 fscrypt（Linux）
• Device Mapper: 在硬盘和文件系统之间进行透明加密，例如 BitLocker（Windows）、dm-crypt/LUKS（Linux）

# 硬盘加密的局限性

• 在加密过程中，密钥需要始终存储在主存（RAM）中，以便操作系统和应用程序访问。这意味着在系统运行时，密钥始终暴露于内存中。
• Cold Boot Attacks: 即使设备关闭，DRAM（动态随机存取内存）芯片仍会在短时间内保持其数据状态。
• 硬盘加密无法防止恶意软件的入侵 (恶意软件可以在系统运行时监视并记录密码输入或直接访问密钥)

解决方案

• 将加密密钥存储在 CPU 的寄存器中
• AMD SME,Intel MKTME 技术可以在硬件级别进行加密操作
• 使用受信执行环境，如 Intel SGX 或 AMD SEV 为加密操作提供一个安全的运行环境

# 信息安全管理

信息安全管理（ISM）是组织内部制定的一系列程序和规则，旨在确保信息安全的有效管理，包括

• 控制与管理：对信息安全进行持续的控制和监督，以确保其有效性。
• 保持与改进：确保信息安全的管理措施能够长期有效运行，并通过持续的优化和改进保持高效性。