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learn.lianglianglee.com/专栏/重学操作系统-完/36 公私钥体系和网络安全：什么是中间人攻击？.md.html
周伟 0f006e4e9b add
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>36 公私钥体系和网络安全：什么是中间人攻击？</h1>
<p>设想你和一个朋友签订了合同，双方各执一份。如果朋友恶意篡改了合同内容，比如替换了合同中的条款，最后大家闹到法院、各执一词。这个时候就需要专业鉴定机构去帮你鉴定合同的真伪，朋友花越多心思去伪造合同，那么鉴定的成本就会越高。</p>
<p>在网络安全领域有个说法：没有办法杜绝网络犯罪，只能想办法提高网络犯罪的成本。我们的目标是提高作案的成本，并不是杜绝这种现象。今天我将带你初探网络安全的世界，学习网络安全中最重要的一个安全体系——公私钥体系。</p>
<h3>合同的类比</h3>
<p>我们尝试用签合同这种类比的方式来学习下面的内容。你可以先思考：如果选择“网签”，是不是能让伪造的成本更高呢？比如，是否能够降低存储的成本呢？</p>
<p>如果我们将两份合同都存到一个双方可以信任的第三方机构，只要这个机构不**监守自盗，**那么合同就是相对安全的。第三方机构保管后，合同的双方，都没有办法篡改这份合同的内容。而且双方随时可以去机构取出合同的原文，进行对比。</p>
<h4>摘要算法</h4>
<p>一家具有公信力的机构对内部需要严格管理。那么当合同存储下来之后，为了防止内部人员篡改合同，这家机构需要做什么呢？</p>
<p>很显然，这家机构需要证明合同没有被篡改。一种可行的做法，就是将<strong>合同原文</strong>和<strong>摘要</strong>一起存储。你可以把摘要算法理解成一个函数，原文经过一系列复杂的计算后，产生一个<strong>唯一的散列值</strong>。只要原文发生一丁点的变动，这个散列值就会发生变化。</p>
<p>目前比较常见的摘要算法有<strong>消息摘要算法（Message Digest Algorithm, MD5）和安全散列算法</strong>（Secure Hash Algorithm, SHA）。MD5 可以将任意长度的文章转化为一个 128 位的散列值。2004 年，MD5 被证实会发生碰撞，发生碰撞就是两篇原文产生了相同的摘要。这是非常危险的事情，这将允许黑客进行多种攻击手段，甚至可以伪造摘要。</p>
<p>因此在这之后，我们通常首选 SHA 算法。你不需要知道算法的准确运算过程，只需要知道 SHA 系的算法更加安全即可。在实现普通应用的时候可以使用 MD5，在计算对安全性要求极高的摘要时，就应该使用 SHA，比如订单、账号信息、证书等。</p>
<h4>安全保存的困难</h4>
<p>采用摘要算法，从理论上来说就杜绝了篡改合同的内容的做法。但在现实当中，公司也有可能出现内鬼。我们不能假定所有公司内部员工的行为就是安全的。因此可以考虑将合同和摘要分开存储，并且设置不同的权限。这样就确保在机构内部，没有任何一名员工同时拥有合同和摘要的权限。但是即便如此，依然留下了巨大的安全隐患。比如两名员工串通一气，或者员工利用安全漏洞，和外部的不法分子进行非法交易。</p>
<p>那么现在请你思考这个问题：<strong>如何确保公司内部的员工不会篡改合同呢</strong>？当然从理论上来说是做不到的。没有哪个系统能够杜绝内部人员接触敏感信息，除非敏感信息本身就不存在。因此，可以考虑将原文存到合同双方的手中，第三方机构中只存摘要。但是这又产生了一个新的问题，会不会有第三方机构的员工和某个用户串通一气修改合同呢？</p>
<p>至此，事情似乎陷入了僵局。由第三方平台保存合同，背后同样有很大的风险。而由用户自己保存合同，就是签约双方交换合同原文及摘要。但是这样的形式中，摘要本身是没有公信力的，无法证明合同和摘要确实是对方给的。</p>
<p>因此我们还要继续思考最终的解决方案：类比我们交换合同，在现实世界当中，还伴随着签名的交换。那么在计算机的世界中，签名是什么呢？</p>
<h3>数字签名和证书</h3>
<p>在计算机中，数字签名是一种很好的实现签名（模拟现实世界中签名）的方式。 所谓数字签名，就是对摘要进行加密形成的密文。</p>
<p>举个例子：现在 Alice 和 Bob 签合同。Alice 首先用 SHA 算法计算合同的摘要，然后用自己私钥将摘要加密，得到数字签名。Alice 将合同原文、签名，以及公钥三者都交给 Bob。如下图所示：</p>
<p><img src="assets/CgqCHmAH6jSAER_BAACprlu8LmA391.png" alt="Lark20210120-162725.png" /></p>
<p>Bob 如果想证明合同是 Alice 的，就要用 Alice 的公钥，将签名解密得到摘要 X。然后，Bob 计算原文的 SHA 摘要 Y。Bob 对比 X 和 Y，如果 X = Y 则说明数据没有被篡改过。</p>
<p>在这样的一个过程当中，Bob 不能篡改 Alice 合同。因为篡改合同不但要改原文还要改摘要，而摘要被加密了，如果要重新计算摘要，就必须提供 Alice 的私钥。所谓私钥，就是 Alice 独有的密码。所谓公钥，就是 Alice 公布给他人使用的密码。</p>
<p><strong>公钥加密的数据，只有私钥才可以解密。私钥加密的数据，只有公钥才可以解密</strong>。这样的加密方法我们称为<strong>非对称加密</strong>，基于非对称加密算法建立的安全体系，也被称作<strong>公私钥体系</strong>。用这样的方法，签约双方都不可以篡改合同。</p>
<h3>证书</h3>
<p>但是在上面描述的过程当中，仍然存在着一个非常明显的信任风险。这个风险在于，Alice 虽然不能篡改合同，但是可以否认给过 Bob 的公钥和合同。这样，尽管合同双方都不可以篡改合同本身，但是双方可以否认签约行为本身。</p>
<p>如果要解决这个问题，那么 Alice 提供的公钥，必须有足够的信誉。这就需要引入第三方机构和证书机制。</p>
<p><strong>证书为公钥提供方提供公正机制</strong>。证书之所以拥有信用，是因为证书的签发方拥有信用。假设 Alice 想让 Bob 承认自己的公钥。Alice 不能把公钥直接给 Bob，而是要提供第三方公证机构签发的、含有自己公钥的证书。如果 Bob 也信任这个第三方公证机构，信任关系和签约就成立。当然，法律也得承认，不然没法打官司。</p>
<p><img src="assets/CgpVE2AH6j6ASBKvAADJu5B4-Bc773.png" alt="Lark20210120-162728.png" /></p>
<p>如上图所示，Alice 将自己的申请提交给机构，产生证书的原文。机构用自己的私钥签名 Alice 的申请原文（先根据原文内容计算摘要，再用私钥加密），得到带有签名信息的证书。Bob 拿到带签名信息的证书，通过第三方机构的公钥进行解密，获得 Alice 证书的摘要、证书的原文。有了 Alice 证书的摘要和原文，Bob 就可以进行验签。验签通过，Bob 就可以确认 Alice 的证书的确是第三方机构签发的。</p>
<p>用上面这样一个机制，合同的双方都无法否认合同。这个解决方案的核心在于<strong>需要第三方信用服务机构提供信用背书</strong>。这里产生了一个最基础的信任链，如果第三方机构的信任崩溃，比如被黑客攻破，那整条信任链条也就断裂了。</p>
<h3>信任链</h3>
<p>为了固化信任关系，减少风险。最合理的方式就是<strong>在互联网中打造一条更长的信任链，环环相扣，避免出现单点的信任风险</strong>。</p>
<p><img src="assets/Cip5yGAH6kWAEWq5AABj5AWYCbQ099.png" alt="Lark20210120-162730.png" /></p>
<p>上图中，由信誉最好的根证书机构提供根证书，然后根证书机构去签发二级机构的证书；二级机构去签发三级机构的证书；最后有由三级机构去签发 Alice 证书。</p>
<ul>
<li>如果要验证 Alice 证书的合法性，就需要用三级机构证书中的公钥去解密 Alice 证书的数字签名。</li>
<li>如果要验证三级机构证书的合法性，就需要用二级机构的证书去解密三级机构证书的数字签名。</li>
<li>如果要验证二级结构证书的合法性，就需要用根证书去解密。</li>
</ul>
<p>以上，就构成了一个相对长一些的信任链。如果其中一方想要作弊是非常困难的，除非链条中的所有机构同时联合起来，进行欺诈。</p>
<h3>中间人攻击</h3>
<p>最后我们再来说说中间人攻击。在 HTTPS 协议当中，客户端需要先从服务器去下载证书，然后再通过信任链验证服务器的证书。当证书被验证为有效且合法时，客户端和服务器之间会利用非对称加密协商通信的密码，双方拥有了一致的密码和加密算法之后，客户端和服务器之间会进行对称加密的传输。</p>
<p>在上述过程当中，要验证一个证书是否合法，就必须依据信任链，逐级的下载证书。但是根证书通常不是下载的，它往往是随着操作系统预安装在机器上的。如果黑客能够通过某种方式在你的计算机中预装证书，那么黑客也可以伪装成中间节点。如下图所示：</p>
<p><img src="assets/CgpVE2AH6kyAHNWzAABv6F_xIJU589.png" alt="Lark20210120-162718.png" /></p>
<p>一方面，黑客向客户端提供伪造的证书，并且这个伪造的证书会在客户端中被验证为合法。因为黑客已经通过其他非法手段在客户端上安装了证书。举个例子，比如黑客利用 U 盘的自动加载程序，偷偷地将 U 盘插入客户端机器上一小段时间预装证书。</p>
<p>安装证书后，黑客一方面和客户端进行正常的通信，另一方面黑客和服务器之间也建立正常的连接。这样黑客在中间就可以拿到客户端到服务器的所有信息，并从中获利。</p>
<h3>总结</h3>
<p>总结一下，在信任的基础上才能产生合作。有了合作才能让整个互联网的世界有序运转，信任是整个互联网世界的基石。<strong>在互联网中解决信任问题不仅需要数学和算法，还需要一个信任链条</strong>。有人提供信用，比如证书机构；有人消费信用，比如网络服务的提供者。</p>
<p>这一讲我试图带你理解“<strong>如何构造一个拥有信誉的互联网世界</strong>”，但是还有很多的细节，比如说有哪些加密解密算法？HTTPS 协议具体的工作原理、架构等。这些更具体的内容，我会在拉勾教育即将推出的《<strong>计算机网络</strong>》专栏中和你继续深入讨论。</p>
<p><strong>那么通过这一讲的学习，你现在可以尝试来回答本节关联的面试题目：什么是中间人攻击</strong>？</p>
<p>【<strong>解析</strong>】中间人攻击中，一方面，黑客利用不法手段，让客户端相信自己是服务提供方。另一方面，黑客伪装成客户端和服务器交互。这样黑客就介入了客户端和服务之间的连接，并从中获取信息，从而获利。在上述过程当中，黑客必须攻破信任链的体系，比如直接潜入对方机房现场暴力破解、诱骗对方员工在工作电脑中安装非法的证书等。</p>
<p>另外，有很多的网络调试工具的工作原理，和中间人攻击非常类似。为了调试网络的请求，必须先在客户端装上自己的证书。这样作为中间人节点的调试工具，才可以获取客户端和服务端之间的传输。</p>
</div>
</div>
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}
function setCookie(cname, cvalue) {
var d = new Date();
d.setTime(d.getTime() + (180 * 24 * 60 * 60 * 1000));
var expires = "expires=" + d.toGMTString();
document.cookie = cname + "=" + cvalue + "; " + expires + ";path = /";
}
function getCookie(cname) {
var name = cname + "=";
var ca = document.cookie.split(';');
for (var i = 0; i < ca.length; i++) {
var c = ca[i].trim();
if (c.indexOf(name) === 0) return c.substring(name.length, c.length);
}
return "";
}
</script>
</html>
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