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1. 概述
安全通信需要具有下列特性：
机密性：通过加密手段，希望仅有发送发和接收方能够理解传输报文的内容。报文完整性：希望通信内容在传输过程中未被改变或者恶意篡改。端点鉴别：发送方和接收方都应该能证实通信过程所涉及的另一方，以确信通信的另一方确实具有其所声称的身份。运行安全性：通过诸如防火墙和入侵检测系统等运行设备反制对机构网络的攻击。
2. 机密性
密码技术使得发送方可以伪装数据、使人侵者不能从截取到的数据中获得任何有效信息。当然，接收方必须能够从伪装的数据中恢复出初始数据。
2.1 对称密钥密码体制
加密和解密使用相同的密钥叫做对称加密方式。
对称密钥加密主要有两种宽泛的类型：
流密码（stream cipher）：例如无线LAN的安全性。块密码（block cipher）：例如PGP（安全电子邮件）、SSL（安全TCP）和IPsec（安全网络层传输）。
对称加密方式包括AES（Advanced Encryption Standard）、DES（Data Encryption Standard）等加密标准。
2.2 公开密钥加密（非对称加密）
在加密和解密过程中分别使用不同的密钥（公钥和私钥）叫做公钥加密方式。
在对称加密方式中，最大的挑战就是如何传递安全的密钥。而公钥加密方式中，仅有一方的密钥是无法完成解密的，还必须严格管理私钥。通过邮件发送公钥、通过Web公开发布公钥、或通过PKI 分配等方式，才得以在网络上安全地传输密钥。
公钥加密方法中包括 RSA、DH（Diffie-Hellman）、椭圆曲线（ECDHE）等加密算法。
RSA和DH需要做大量的指数和乘法运算，是相当耗时的操作，对比DES用软件实现要慢100倍，用硬件实现则要快1000~10000倍。所以，在对较长的消息进行加密时往往采用两者结合的方式。
3. 报文完整性和数字签名
报文完整性指的是希望报文在传输的过程中不会受到篡改等。
3.1 报文鉴别码
- 在传输之前，通信双方会分享一个秘密的鉴别密钥（authentication key）。
- 发送方生成报文 m，和鉴别密钥 k，一起通过散列函数（例如MD5或者SHA-1）计算散列 H（m + k）。这个计算出来的数就称为报文鉴别码（Message Authentication Code，MAC）。
- 发送方将该报文鉴别码，附加到报文上，并发送给接收端。
- 接收端通过同样的散列函数计算 H（m + k），如果计算的值和发送来的报文鉴别码相同，则说明没有被篡改。
3.2 数字签名
数字签名就是一种在数字领域实现证明身份的密码技术。
采用公开密钥加密的方式，因为对于发送方私钥是鉴别身份特有的东西。
过程如下：
- 发送方将报文 m 通过散列函数计算一个值 H（m），通过自己的私钥对该值进行数字签名（加密）。因为如果对于整个报文进行签名则开销太大，所以对计算出的散列值进行签名。
- 将报文的明文和已经被签名的报文摘要一起发送给接收端。
- 接收方得到之后，将加密的H（m）通过自己的公钥解密获得一个散列值。再将报文经过同样的散列函数计算得到一个散列值，如果两个散列值相同则可以保证报文没有被篡改。
3.3 公钥认证
将公钥与特定的实体绑定通常是由认证中心（Certification Authority，CA）完成的，CA的职责就是使识别和发行证书合法化。CA主要包括以下作用：
- CA证实一个实体的真实身份。
- 一旦CA验证了某个实体身份，这个CA会生成一个将其身份和实体的公钥绑定起来的证书（certificate）。
CA签发证书的过程：
- 首先 CA 会把持有者的公钥、用途、颁发者、有效时间等信息打成?个包 p ，然后对这些信息通过散列函数计算一个散列值H（p）。
- 然后CA使用自己的私钥对该散列值进行一个数字签名。
- 然后将该数字签名添加到证书（包含发送方身份标识信息）上，则形成数字证书。
接收方验证数字证书过程：
- 接收方使用同样的散列函数对原证书进行散列计算出一个散列值H1。
- 通常浏览器和操作系统中集成了 CA 的公钥信息，浏览器收到证书后可以使用 CA 的公钥解密数字签名内容，得到另一个散列值H2。
- 判断H1 和 H2，如果相同则是可信赖的证书。
证书链
事实上，证书的验证过程中还存在?个证书信任链的问题，因为我们向 CA 申请的证书?般不是根证书签发的，而是由中间证书签发的。
证书链验证过程如下：
- 接收方收到了C 的证书后，发现这个证书的签发者不是根证书，就无法根据本地已有的根证书中的公钥去验证C证书是否可信，所以就根据签发者找到签发机构，再向该机构请求它的证书B。
- 得到证书B之后发现他也有签发者机构，则继续向上查找他的证书。知道找到没有上级签发机构的证书，说明它是根证书，也就是自签证书。
- 得到该证书之后，通过本地的公钥对其进行验证，如果通过说明该证书是可信的，再依次向下验证是否可信。
简答来说就是逐级向上请求到根证书，再通过公钥逐级向下验证是否可信。
需要一条证书链是为了确保根证书的绝对安全性，将根证书隔离地越严格越好，不然根证书如果失守了，那么整个信任链都会有问题。
4. 端点鉴别
端点鉴别（end-point authentication） 就是一个实体经过计算机网络向另一个实体证明身份的过程。
- 发送端和接收端进行通信，发送端发送消息之后。
- 接受端向发送端传递一个不重数（一个协议生存期只使用一次的数）。
- 发送端通过两端共享的密钥进行加密，传回该数。
- 接受端进行解密验证对方身份。
5. 安全电子邮件：PGP
电子邮件希望的安全包括：
机密性：传输的邮件不希望有别的人看到。发送方鉴别：接收方可以确认是否是目标发送方发来的邮件。接收方鉴别：发送方可以确认接受方身份。
PGP软件的不同版本使用MD5或使用SHA来计算报文摘要。使用CAST、三重DES或IDEA进行对称密钥加密。使用RSA进行公开密钥加密。
安装PGP时，软件为用户产生一个公开密钥对，公钥能被张贴到用户的网站或者放着在某台公钥服务器上，私钥则使用用户口令进行保护。
安全电子邮件流程：
- 发送方将报文经过散列函数得到一个报文摘要（即散列值）。再使用自己的私钥对该摘要进行一个签名得到一个数字签名。然后将数字签名和原报文生成一个数据包。
- 发送方选择一个对称密钥对第一步生成的包进行加密。然后用发送方的公钥对对称密钥进行加密。将加密的包和密钥组成一个包一起发送给接收方。
- 接受方收到数据包后，使用私钥对会话对称密钥进行解密。再使用该密钥将数字签名与原报文的包进行解密，就能得到数字签名以及原报文。
- 接受方使用发送方的公钥对数字签名进行解密得到一个散列值H1，再将原报文经过同样的散列函数计算得到一个散列值H2，如果H1等于H2，说明报文没有被篡改以及可以证实对方身份。
6. 使TCP连接安全：SSL
以下文章已经对SSL两种握手方式做了一定程度的介绍。本博客只对于椭圆算法ECDHE握手过程进行一个总结。
SSL记录如下所示：
类型：指出该字段是握手报文还是包含用户数据的报文，也用作关闭SSL连接。版本：SSL版本号。长度：SSL报文长度。数据：传输的具体数据。MAC：报文鉴别码（Message Authentication Code，MAC），用来检测报文是否被篡改。
6.1 ECDHE算法 TLS 握手过程
第一次握手
客户端会发送?个「Client Hello」消息记录，是握手类型报文，包括了使用TLS的版本号、它支持的密码算法列表（TLS并不强制使用某种加密算法，而是通过协商取得一致）和客户端生成的随机数（Client Random）。
第二次握手
服务器收到客户端的消息之后会返回「Server Hello」消息记录，也是握手类型报文，包括了确认的TLS版本号、从算法列表选择的对称算法，非对称算法以及MAC算法等。并且也向客户端返回一个生成的随机数（Server Random）。
之后为了验证身份，发送「Certificate」消息，把证书也发给客户端。
另外，由于采用的是ECDHE密钥协商算法，所以还会发送「Server Key Exchange」消息进行以下操作并把以下内容发送给客户端：
- 选定一个椭圆曲线，相当于也定好了椭圆曲线的基点。
- 生成一个随机数作为私钥，保存在服务器本地。
- 通过私钥和椭圆曲线计算出公钥。
为了防止公钥被第三方篡改，所以对公钥做了数字签名。
最后发送「Server Hello Done」消息，表明消息已经发送完毕。
第三次握手
客户端验证该证书，通过CA的公钥对数字证书进行解密，得到一个散列值H1，再将原证书内容使用一样的散列函数得到一个散列值H2，如果H1 等于 H2，则可以确认服务端身份，再使用服务端的公钥对数字签名做一个认证，检查公钥是否被篡改。
之后客户端也生成一个随机数作为私钥，保存在本地。
再通过公开的椭圆曲线计算出公钥并发送「Client Key Exchange」消息，把公钥经过服务器公钥加密后发送给服务器端。
至此，通过 ① 双方生成的随机数；② 椭圆曲线以及基点；③ 对方的公钥；④ 自己的私钥 。计算出最终的会话密钥（双方通过该算法可以计算出一样的会话密钥）。
算好会话密钥后，客户端会发?个「Change Cipher Spec」消息，告诉服务端后续改用对称算法加密通信。
最后后，客户端会发送「Encrypted Handshake Message」消息，使用MAC对之前的报文做一个摘要，发送给服务器端，验证之前的内容是否被篡改。
第四次握手
服务端同样计算出会话密钥，发「Change Cipher Spec」和「Encrypted Handshake Message」消息对客户端的MAC进行验证以及发送一个自己的MAC让客户端验证，如果验证都通过则建立TLS连接。
7. 网络层安全：IPsec 和 虚拟专用网
以前，为了防止信息泄露，对机密数据的传输一般不使用互联网等公共网络（Public Network），而是使用由专线连接的私有网络（Private Network）。从而在物理上杜绝了窃听和篡改数据的可能。然而，专线的造价太高是一个不可回避的问题。
为了解决此类问题，人们想出了在互联网上构造一个虚拟的私有网络。即VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网）。
在构建VPN时，最常被使用的是IPsec。它是指在IP首部的后面追加“封装安全有效载荷”（ESP，Encapsulating Security Payload。）和“认证首部”（AH，Authentication Header。） ，从而对此后的数据进行加密，不被盗取者轻易解读。
在发包的时候附加上述两个首部，可以在收包时根据首部对数据进行解密，恢复成原始数据。
8. 运行安全性：防火墙和入侵检测系统
组织机构（域）内部的网络与互联网相连时，为了避免域内受到非法访问的威胁，往往会设置防火墙（使用NAT（NAPT）的情况下，由于限定了可以从外部访问的地址，因此也能起到防火墙的作用。） 。
防火墙的种类和形态有很多种。例如，专门过滤（不过滤）特定数据包的包过滤防火墙、数据到达应用以后由应用处理并拒绝非法访问的应用网关。这些防火墙都有基本相同的设计思路，那就是“暴露给危险的主机和路由器的个数要有限”。
数据包符合安全策略，防火墙才会让其通过。即只要与策略相符，就无法判断当前访问是否为非法访问，所以全部允许通过。而IDS（入侵检测系统） 正是检查这种已经侵入内部网络进行非法访问的情况，并及时通知给网络管理员的系统。
反病毒和个人防火墙是继IDS和防火墙之后的另外两种安全对策，它们往往是用户使用的计算机或服务器上运行的软件。既可以监控计算机中进出的所有包、数据和文件，也可以防止对计算机的异常操作和病毒入侵。