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资讯安全整体架构

第一章　資訊安全整體架構

本章摘要

1.1　資訊安全之定義

1.2　密碼系統簡介

1.3　使用者識別與訊息鑑別

1.4　通訊安全協定

1.5　小結

本章前言

在20-21世紀之交，由於電子、資訊、電信等基礎科學的突飛猛進，不僅造就新興產業如半導體、3C產業等，亦協助了傳統產業的改頭換面。

這種以資訊技術為中心的技術革命，對人類的經濟、社會與文化均產生革命性的影響。

伴隨著網際網路的蓬勃發展，建構網路安全環境亦成為不可輕忽的問題。

本章內容涵蓋資訊安全之定義、密碼系統簡介、使用者識別與訊息鑑別、通訊安全協定，與網路系統運作與安全機制等。

資訊安全定義方面，將透過狹義與廣義之資訊安全來作區分，並介紹系統安全之威脅，包括系統的軟體、硬體與資料的威脅，可藉由資訊系統控管機制來避免系統遭受攻擊。

密碼系統簡介方面，包括加解密系統與數位簽章系統之說明與其特性之介紹。

使用者識別與訊息鑑別方面，介紹使用者識別與通行碼之使用原則，及驗證程序，並說明通行碼確認的未來發展趨勢。

通訊安全協定方面，針對通訊安全協定運作模式作一簡介，包括仲介協定（arbitratedprotocol）、仲裁協定（adjudicatedprotocol），與自我施行協定（self-enforcingprotocol）。

本章最後將針對網路系統運作與所需安全機制作一概略性之介紹。

學習路徑

v資訊安全整體架構包括密碼系統、通訊安全協定、系統安全控管，與安全機制等，此架構在企業對資訊安全需求的達成扮演相當重要的角色，而其中安全機制更是最重要的一環，本章將為讀者做一整體概念的介紹。

v本章首先說明資訊安全之定義，並透過一連串之系統安全之威脅、密碼系統簡介、使用者識別與訊息鑑別、通訊安全協定、系統安全控管，與網路系統運作與安全機制等介紹，以期讀者對資訊安全整體架構有初步的認識與瞭解。

本章內容

1.1資訊安全之定義

資訊系統安全三大目標為機密性（confidentiality）、真確性/完整性（integrity），與可取用性（availability）。

所謂機密性是指能提供資料之秘密性與維護使用者之隱私性。

真確性/完整性包括資料真確性與系統完整性。

資料真確性主要是防制人為刻意竄改或自然雜訊干擾；系統完整性是防制假冒或未授權方面存取系統資源進行資料之處理或更改。

可取用性則是指對合法之使用者或個體不能阻絕服務，並提供及時回應與系統服務。

　　何謂「資訊安全」？

狹義來說，主要是針對技術面來作探討，其定義為保護機密或敏感資料，以防制未授權的揭露，並注重資料的機密性。

其應用範圍包括國防、軍事或外交等政府機構。

　　安全威脅類別包括中斷（interruption）、截取（interception）、更改（modification），與仿造（fabrication）。

中斷是指使系統資源遺失、不可取用、不堪使用，與惡意破壞硬體設備、刪除程式或資料檔，使作業系統阻絕服務（denialofservices），如圖1-1所示。

圖1-1中斷安全威脅

截取是指未授權者能非法接取系統資源，與非法拷貝程式或資料、網路截聽，如圖1-2所示。

圖1-2截取安全威脅

　　更改是指未授權者能更改系統資源，與更改儲存或傳輸資料之數值、更改程式以執行額外運算，如圖1-3所示。

圖1-3更改安全威脅

　　仿造是指未授權者仿造資料，使得資料使用者無法分辨真偽，與插入額外的交易訊息、增加資料記錄，如圖1-4所示。

圖1-4仿造安全威脅

系統資源所面臨的可能威脅包括硬體、軟體，與資料。

硬體方面，主要有中斷（denialofservices）與截取（theft）等威脅。

軟體方面，有中斷（deletion）、截取（copy），與更改（logicbomb,Trojanhorse,trapdoor,informationleaks）等威脅。

資料方面，則包括中斷（lost）、截取（theft,copy）、更改（change），與仿造（forgery）等威脅。

然而，系統管理者在面對這些威脅時，必然有一套防制上述威脅的機制，即資訊系統控管機制。

此機制主要的內容如下：

●資料保護：

密碼技術（加解密與數位簽章）、安全通信協定、資料存取控制等。

●人員控管：

安全或識別標籤、身分驗證設備（IC卡、掌紋、指紋、視網膜等）。

●軟體控管：

作業系統控管（supervisor）、應用系統控管（audittrails）、系統發展控管（projectmanagement）。

●硬體控管：

抗破壞（tamper-resistant）設備。

●實體控管：

出入門禁、圍牆、備援（備份）。

●安全政策：

法規、制度、政策。

因此，經由控管機制的運作下，資訊系統的效益評量將包括使用者必須知道安全需求為何、如何使用控管機制、控管機制必須是有效率的且易於施行、控管程序必須是連續的、使用交叉控管或重疊控管以完全涵蓋安全領域，與管理者必須定期檢視與稽核控管成效。

1.2密碼系統簡介

　　密碼系統大致上可分為加解密系統與數位簽章系統。

加解密系統元件包括原文/明文（plaintext,cleartext）、密文（ciphertext）、加密轉換（encryption,encipherment）、解密轉換（decryption,decipherment），與加密/解密金鑰（encryption/decryptionkey）。

其中，上述之原文/明文乃是指原始型態的資料；密文是指呈現無意義或亂數型態的資料；加密轉換則是將明文轉換成密文的過程；解密轉換是指將密文還原成明文的過程；加密/解密金鑰是指驅動加密或解密轉換的輸入。

現代密碼系統的加密/解密轉換大多植基於數學上排列（permutation）、組合（combination）等計算難題。

以下我們將介紹加解密之模式。

　　加解密模式主要是由上述加解密系統五大元件所組成。

明文經由加密金鑰執行加密的動作後，成為密文，密文在透過解密金鑰執行還原的動作，即可回復原來之明文，如圖1-5所示。

明文

圖1-5　加解密模式

數位簽章系統元件包括訊息（message）、簽章（signature）、簽署（sign）、驗證（verify），與簽章產生/驗證金鑰（signaturegeneration/verificationkey）。

現代密碼系統的數位簽章大多植基於數學上因數分解（factorization）、離散對數（discretelogarithm）、橢圓曲線（ellipticcurve）等計算難題。

以下我們將介紹數位簽章之模式。

數位簽章模式主要是由上述數位簽章系統五大元件所組成。

訊息經由簽章產生金鑰執行簽署的動作後，即產生簽章，簽章在透過簽章驗證與金鑰驗證後，即產生成功與否之訊息，如圖1-6所示。

數位簽章的特性包括：

以數值型態存在；不可偽造（屬於計算上不可行的數學難題）；簽章與簽署者、簽署訊息、簽署時間有關（即一個簽署者在不同時間簽署相同的訊息將產生不同的簽章，且具備不可重用性，並可用於證明簽署者、訊息與簽章的唯一關係，而簽署者不能否認曾經簽署該訊息）。

圖1-6　數位簽章模式

以下我們將分別說明對稱密碼系統（symmetriccryptosystem）與非對稱密碼系統（asymmetriccryptosystem）。

對稱密碼系統大多為加解密系統，其加密與解密金鑰均需保持秘密，稱為密鑰（secretkey），且加密金鑰與解密金鑰相同，因此又稱為私密金鑰系統（privatekeysystem）或單鑰系統（one-keysystem）。

由於此密碼系統速度較快、適合大量資料處理，且適用於保護個人檔案及傳輸資料。

非對稱密碼系統可為加解密或數位簽章系統，由於加密或簽章驗證金鑰是公開的，稱為公鑰（publickey），解密或簽章產生金鑰是私密的，稱為私鑰（privatekey），因公鑰與私鑰不同，且公鑰與私鑰必須存在成對（keypair）與唯一對應的數學關係，使得由公鑰去推導私鑰為計算上不可行，因此非對稱密碼系統又稱為公開金鑰系統（publickeysystem）或雙鑰系統（two-keysystem），此系統速度較慢、適合少量資料處理，大多用來傳送對稱演算法所需的密鑰或進行數位簽章，且適用於網路系統環境。

1.3使用者識別與訊息鑑別

所謂使用者識別主要是基於使用者知識、使用者持有物，與使用者生理特徵等，使用者知識是指只有使用者知道的特定訊息，例如通行碼（password）、口令、江湖切口等；使用者持有物通常是指特殊且很難複製的身分識別物件，例如鑰匙、權杖、Token卡、IC卡等；使用者生理特徵是指使用者獨有且與生俱來的生理特質，例如指紋、掌紋、視網膜紋路等。

然而，一個身分識別系統必須結合上述至少兩種方法以上才能達到實務應用之安全需求。

通行碼的使用原則包括通行碼的產生、通行碼的長度、通行碼的週期，與通行碼的傳遞。

通行碼的產生有兩種方式，一種是由亂數產生器產生，此種方式所產生之通行碼安全性高但不易記憶；另一種是由使用者自行選取，其特性為方便性高但容易遭受猜測或破解。

通行碼的長度建議以4至8個字元英數混合為原則，但用於安全性要求較高之系統則通行碼長度愈長愈好。

通行碼每隔固定時間週期或有破解之虞時須強制更換，具重要或敏感性質之系統應針對不同的時段設定多重通行碼或單次通行碼（one-timepadpasswords）。

通行碼的傳遞通常是透過密文或加密過的形式傳送，以確保其機密性，並利用機密分割（knowledgesplit）的策略，並以不同性質的通訊管道進行傳遞，以分散被截取的風險。

通行碼驗證協定包括交談式（interactive）/動態式與非交談式（non-interactive）/固定式。

交談式通行碼驗證協定主要是運用於安全度較高或通訊效率較高的系統，利用詰問-回應（challenge-response）方式或零知識證明（zero-knowledgeproofs）協定完成秘密參數確認，運用多次的詰問-回應方式可以達到強化系統安全性的目的，但需要花費較長的登入與驗證時間。

非交談式通行碼驗證協定主要是利用中央式的電腦系統及遠端登入的網路系統，可以有效降低使用者與系統連線的通訊成本，並可搭配使用IC卡來增加安全性。

交談式通行碼確認包括建立與註冊階段與登入與驗證階段，分述如下：

●建立與註冊階段：

由系統或使用者建立若干問題與相對應的答案，這些問題可視為公開參數，而答案可視為僅系統及合法使用者知道的秘密參數，而系統於註冊時需告知使用者如何回答問題。

●登入與驗證階段：

系統任選若干預先建立的問題向使用者提問，而使用者必須於有效的時間內針對系統所提出的問題做出正確回應，所有的問題皆回答正確方可允許登入。

交談式通行碼確認包括建立與註冊階段與登入與驗證階段，分述如下：

●建立與註冊階段：

系統建立適當的公開參數與秘密參數，並定義使用者身分碼（identity），並由系統或使用者選取通行碼，隨後系統針對使用者的身分碼與通行碼產生鑑別參數，並將之儲存於安全儲存媒體（經過安全機制的保護）。

●登入與驗證階段：

使用者於終端設備提出登入要求，系統針對使用者的登入要求產生對應的鑑別參數，隨後比對或驗證在登入階段所產生的鑑別參數與在註冊階段所產生的鑑別參數，以驗測其登入要求之合法性。

通行碼確認之可能攻擊包括重送攻擊、假冒攻擊，與聯手攻擊。

重送攻擊是指入侵者截取到使用者的登入訊息後，重送此登入要求，此項攻擊可利用時戳（timestamp）或時變參數（time-variantparameter）隱含於驗證參數中來防制。

假冒攻擊是指入侵者利用某一合法使用者的公開參數來產生合法的登入訊息，可利用數位簽章技術來防制此項攻擊。

聯手攻擊是指某一些合法使用者彼此透露所持有的秘密參數共謀推導出通行碼產生公式或其餘合法使用者的通行碼或系統的秘密參數，而在設計確認演算法時就必須考量此項攻擊。

在介紹訊息鑑別之前，我們先說明其運用之密碼技術，即單向雜湊函數（one-wayhashfunction）與金鑰式雜湊函數（keyedhashfunction）。

單向雜湊函數是指具壓縮性，可將不定長度的訊息壓縮成固定長度（通常為128位元或160位元）的訊息彙記（messagedigest），具不可逆性，亦即由訊息彙記無法還原出原來訊息，且產生碰撞（collision）的機率相當小（低於10-6）。

金鑰式雜湊函數是指除了訊息之外，函數的輸入尚包含金鑰（可能為密鑰或私鑰），只有握有金鑰的人才能執行函數運算。

訊息鑑別碼（MessageAuthenticationCode,MAC）

利用單向雜湊函數或金鑰式雜湊函數所產生的訊息彙記即為該訊息的訊息鑑別碼，單向雜湊函數所產生的訊息鑑別碼只能用於證明該訊息在傳輸過程的正確性（correctness），無法達成真確性；而金鑰式雜湊函數所產生的訊息鑑別碼可達成該訊息的真確性；若再加上使用時變參數（time-variant）則可防制重送攻擊（replay），但無法達成訊息擁有者的不可否認性。

訊息鑑別的其他應用則包括具附件的數位簽章技術，是指對訊息彙記進行簽署所得的簽章，可證明訊息及其擁有者的真確性與不可否認性。

1.4　通訊安全協定

1977年，國際標準組織（InternationalStandardOrganization,ISO）開於著手於OSI（OpenSystemInterconnection）通信協定標準化之研擬（盧清松、王文楓，民80）。

1984年，頒布OSI基本參考模型，訂定七個層次之功能標準、通信協定及服務種類。

OSI七個層次包括應用層（applicationlayer）、表示層（presentationlayer）、交談層（sessionlayer）、傳送層（transportlayer）、網路層（networklayer）、資料連接層（datalinklayer），與實體層（physicallayer），如圖1-7所示，以下將針對每一層中所進行的工作細節及相關協定一一作介紹。

表示層

應用層

收方

送方

圖1-7OSI七層架構

●應用層：

為一般使用者執行工作的地方。

為了讓各種網路應用的使用者能有效地使用OSI環境，故設立了應用層來規範各類應用之使用介面和運作程序，以提供使用者統一、有效的網路應用服務，也確保任何遵循此一規定的使用者得以相互通信。

應用層中主要的軟體功能及常見的標準協定包括虛擬終端系統（VirtualTerminal,VT）、檔案傳輸與管理系統（FileTransferAccessandManagement,FTAM）、訊息處理系統（MessageHandlingSystem,MHS）、目錄服務系統（DirectoryService,DS），與網路管理系統（NetworkManagement,NM）。

●表示層：

通信雙方若各自使用對方所不懂的資料格式，則無法達到溝通的目的。

OSI最主要的宗旨，就是讓不同廠牌及使用不同資料格式的各種機器得以相互通訊，因此設立表示層用以處理不同資料格式之間的轉換。

表示層協定是作業系統與軟體的一部分，搭配作業系統與檔案系統一起工作。

在這一層，資料為了顯現或列印而被格式化並編碼，如tab或特殊圖形前置碼。

另外，資料加密、字元集合的轉換等工作也都在這一層處理（Uyless,1991）。

若無表示層，檔案的傳輸就會被限制在使用相同檔案格式的電腦上才可進行。

●交談層：

在進行重要或大量資料交換時，必須設置檢查點（checkpoint）加以管理，以處理傳輸未完成時所發生的嚴重資料流失，如磁碟損毀或傳輸層鏈結中斷等情形。

因此，兩台電腦在實際傳輸資料之前，必須先建立一個交談。

交談層即是負責建立、主控一個交談，利用會話技巧或對話，協調系統之間的資料交換。

具體來說，交談層服務的目的是在滿足OSI各應用體間的共同需求，不僅降低應用層通訊協定之複雜度，同時也彌補了傳輸服務對交談服務使用者需求無法滿足的部分（邱玉敏，民81）。

交談狀態並不需要一直持續著，但必須有一定時的對話來確認某些狀態，例如將所傳資料突然改變的起始及結束位址記錄下來。

交談層主要的任務包括（邱玉敏，民81）：

交談連結的建立、取消及資料傳送、許可證管理（tokenmanagement）、活動管理（activitymanagement）、對話控制（dialoguecontrol），與例外報告（exceptionreporting）。

●傳送層：

雖然網路層可將資料傳輸至目的地，但由於它只負責相連節點間的資料傳遞，不能保證封包能以正確的順序抵達，也無法挑出在傳輸過程中所產生的錯誤，OSI便在其上設立了傳送層，以控制資料在起始點和目的節點之間可靠無誤的傳輸。

傳送層具有連接導向的特性，提供高品質的服務與精確傳輸。

它的主要工作包括控制封包順序、資料流量控制、偵測重複的封包、緊急資料傳送、複雜錯誤與回復處理，以及安全方面的課題（陳誠華，民81）。

●網路層：

為了能讓那些彼此不在同一條傳輸媒介上的節點，能透過中間其他節點進行通訊，OSI因此設立網路層來規範資料在網路中的尋徑（routing）功能，讓封包能以最短的路徑傳送至目的地。

如果資料可移動的路徑不只一種，網路層可從中找出並決定最佳的一條路徑。

路由器便是在此層運作的。

網路層會檢視封包位址，若目的地在區域網路中，會直接送抵，但若在別的網路區段，會先將封包送到路由設備，由它轉換到另一網路。

如果沒有網路層，資料便無法被有效率地送達到正確的地點。

另外，網路層亦提供了錯誤控制的功能，但較少應用在區域網路的環境中。

OSI所規定的網路層標準是X.25，也就是現行的公共數據網路，以分封式資料傳輸，讓眾多使用者可以共用網路。

●資料連接層：

OSI為規定網路上各節點對傳輸媒介的使用方法，並處理訊號傳輸所產生的錯誤，故設立資料鏈結層，定義兩個透過實體連線的系統資料傳送與接收，有時也提供偵錯與控制的服務。

資料鏈結層和實體層一樣，都牽涉到硬體的部分。

在傳送之前，資料鏈結層將資料分解成一個個的封包，以便透過連線媒介進行傳輸。

乙太網路、記號環網路、橋接器等都是在此層運作的。

●實體層：

由於一個網路架構必須要能容納不同的實體傳輸媒介，所以OSI設立實體層來規定各種電氣規格和訊號處理之方式。

實體層主要是利用電子訊號（如電壓、頻率等）透過傳輸媒體（如電纜、光纖、無線電、衛星等）傳送最基本的0或1的資訊，因此我們也可以說它是由一些通信用的電子設備所組成。

實體層定義了介面的實體特性，如機械元件、連結器等，以及實際連接的設定與維護等層面（Uyless,1991）。

知名的實體層介面有EIARE-232、RS-449等，而常見區域網路則有乙太網路、記號環、分散式光纖數據介面、CCITTX.25分封網路、整體服務數位網路、同步光學網路等。

通訊安全協定運作模式包括仲介協定（arbitratedprotocol）、仲裁協定（adjudicatedprotocol），與自我施行協定（self-enforcingprotocol），如圖1-8所示。

2.仲裁協定（adjudicatedprotocol）

圖1-8通訊安全協定運作模式

1.5　小結

本章內容包括資訊安全之定義、密碼系統簡介、使用者識別與訊息鑑別、通訊安全協定，與網路系統運作與安全機制等。

資訊安全定義方面，透過狹義與廣義之資訊安全來作區分，並介紹系統安全之威脅，包括系統的軟體、硬體與資料的威脅，可藉由資訊系統控管機制來避免系統遭受攻擊。

密碼系統簡介方面，包括加解密系統與數位簽章系統之說明與其特性之介紹。

使用者識別與訊息鑑別方面，介紹使用者識別與通行碼之使用原則，及驗證程序，並說明通行碼確認的未來發展趨勢。

通訊安全協定方面，針對通訊安全協定運作模式作一簡介，包括仲介協定、仲裁協定，與自我施行協定。

網路系統運作與所需安全機制包括資料保護與系統管理兩方面，資料保護方面包括加解密模組、數位簽章模組（含單向雜湊函數）、個體鑑別協定，與金鑰交換協定等。

系統管理方面則包括使用者識別（userstosystem）、防火牆（InternettoIntranet），與存取控制（usersinsystem）。

其應用則包含不可否認協定（電子商務、安全交易、電子公文）、金鑰託管（個人資料保護與復原），與機密共享（系統權力分享、資料或文件保全），上述之機制我們將於以下各章節中更進一步的說明與介紹。

問題討論

1.何謂資訊安全？

2.簡述密碼系統之種類，並分別說明其元件、模式，與特性。

3.簡述通行碼使用原則。

4.簡述TCP/IP與OSI之差異。

5.通訊安全協定運作模式包括哪幾種？

關鍵字

仲裁協定

（adjudicatedprotocol）

應用層

（applicationlayer）

仲介協定

（arbitratedprotocol）

非對稱密碼系統

（asymmetriccryptosystem）

可取用性

（availability）

密文

（ciphertext）

機密性

（confidentiality）

資料連接層

（datalinklayer）

解密轉換

（decryption,decipherment）

阻絕服務

（denialofservices）

離散對數

（discretelogarithm）

目錄服務系統

（DirectoryService,DS）

橢圓曲線

（ellipticcurve）

加密轉換

（encryption,encipherment）

加密/解密金鑰

（encryption/decryptionkey）

因數分解

（factorization）

仿造

（fabrication）

檔案傳輸與管理系統

（FileTransferAccessandManagement,FTAM）

完整性

（integrity）

截取

（interception）

中斷

（interruption）

國際標準組織

（InternationalStandardOrganization,ISO）

金鑰式雜湊函數

（keyedhashfunction）

訊息彙記

（messagedigest）

更改

（modification）

訊息鑑別碼

（MessageAuthenticationCode,MAC）

訊息處理系統

（MessageHandlingSystem,MHS）

網路層

（networklayer）

網路管理系統

（NetworkManagement,NM）

單鑰系統

（one-keysystem）

單次通行碼

（one-timepadpasswords）

單向雜湊函數

（one-wayhashfunction）

通行碼

（password）

實體層

（physicallayer）

原文/明文

（plaintext,cleartext）

表示層

（presentationlayer）

私鑰

（privatekey）

私密金鑰系統

（privatekeysystem）

公鑰

（publickey）

公開金鑰系統

（publickeysystem）

尋徑

（routing）

密鑰

（secretkey）

自我施行協定

（self-enforcingprotocol）

交談層

（sessionlayer）

對稱密碼系統

（sy