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罗德与施瓦茨技术专
栏
1引言
安全是人类最基本的需求之一，长期以来人类一
直在和各种各样的安全风险进行着斗争。随着科学技术的进步，人与人、人与物，乃至物与物之间的信息交流越来越活跃，并且越来越多地依托于互联网进行。近几年，全球信息产业不断前进，5G 、物联网和车联网蓬勃发展，导致信息安全保护所面临的形势越来越严峻，比如未来网络体系中终端的形态呈现多样化的趋势，很多终端远离人的控制，受到物理和软件层面的攻击、劫持和篡改的风险很高；又比如越来越多的个人、工商业、医疗、交通和公共事业信息等敏感内容会通过网络来传输，这些信息一旦泄露，造成
的政治和社会影响，人身和财产损失可能非常巨大。因此，人类有必要将信息安全问题提高到一个前所未有的高度来考虑。
作为全球测试测量与信息安全领域的领先企业，罗德与施瓦茨公司一直在密切关注信息安全的测试保障问题，并且不断得到用户反馈的需求。
●当数据报文通过TCP/IP 模型所设计的分层协
议在网络中传输时，所有这些IP 包从属于什么业务、速
率多少、信息如何被传输、通信节点在哪里、是否有数据在非加密信道上传输、数据经过了哪些“大门”，这一系列的问题对用户来说都是未知的，都在困扰着用户。●传统的IP 层测试通常依赖于某些开源工具进行
包的捕获，无法深入分析协议和应用之间的关系，尤其无法获知加密通信建立过程，不掌握双方传递的信息
安全的相关内容。
●传统IP 安全分析方法往往依托于现实中的无线接入网络进行，但通常又和底层接入网分离，网络侧条件不可控、不清晰、不利于问题的定位，无法满足“从现场到实验室”（Field-to-Lab ）的需求。
●许多终端研发和测试机构有网络模拟器资源，又有IP 安全测试的升级需求，出于保护投资角度考虑，不愿意为IP 安全测试性能的提升而额外添置硬
件设备。
CMW500IP 业务分析及IP 连接安全
测试方案介绍
刘轶旻罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司
编者按：随着科学技术的进步，全球信息产业的不断发展，导致信息安全保护所面临的形势越来越严峻。为提高网络信息传输的安全性，越来越多的IP 连接开始启用基于数字证书的鉴权、加密以及完整性保护等技术。罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司刘轶旻所撰《CMW500IP 业务分析及IP 连接安全测试方案介绍》一文对R&S CMW500IP 业务分析及IP 连接安全测试方案进行了介绍。作为测试测量与信息安全领域的领先企业，罗德与施瓦茨公司一直在密切关注信息安全的测试保障问题，在网络安全越来越受到重视的今天，将为不同类型用户提供强有力的技术支撑。
考虑到这些现实需要，罗德与施瓦茨公司在其优秀的CMW500射频测试仪平台上，通过开发集成“深度报文监测”（Deep Packet Inspection，DPI）功能模块，极大地拓展了CMW500测试能力，使其具有IP
业务分析和IP连接安全性能分析的能力，并很好地解决了上述问题。
2TCP/IP网络安全通信技术
为提高网络信息传输的安全性，越来越多的IP连接开始启用基于数字证书的鉴权、加密以及完整性保护等技术。经常上网的人可能会注意到，许多银行、电商、搜索和社交网站已经不再支持单纯的“Http”（超文本传输）协议，转而改用以“Https”开头的地址进行访问，这正是这些网站出于安全性考虑而整体升级安全连接技术的表现。安全的IP层连接的建立和维护过程都由SSL/TLS协议进行描述和规定。SSL是安全套接层协议（Secure Sockets Layer）的缩写，TLS是传输层安全协议（Transport Layer Security）的缩写。SSL协议出现的很早，有过3个版本，到1999年，国际互联网工程任务组（The Internet Engineering Task Force，IETF）将SSL协议标准化，并用TLS协议将其替代。此后，TLS 协议一直在不断地扩展新的内容，截至目前，最新的TLS协议为1.3版本（2018年8月由IETF组织正式发布），详细内容可阅读IETF文档RFC8446。所以，TLS 可以认为是SSL的继承和升级。需要指出的是，TLS 从1.2版到1.3版的规范化工作持续了近10年的时间，这期间网络技术也出现了很多新的变化和发展。简单来说，SSL/TLS协议的核心是使用非对称加密（通信双方掌握不同的密钥）算法对通信双方的身份进行认证，并以认证完成后协商得到的对称加密（通信双方掌握相同密钥）算法密钥进行数据加密传输，同时使用完整性保护算法来鉴别数据是否被非法访问及篡改。
（1）非对称算法解决身份认证（Authentication）问题
数据加密本身并不困难，但是在通信双方之间传递用于解密的密钥，风险却很高，这是因为数据报文在IP网络上传输时都是可见的，无法隐身，使用抓包工具可捕获到任何一个数据包。非对称加密算法在应对密钥被截获这一挑战上有着优秀的表现。目前，在商业领域使用最为广泛的是RSA非对称加密算法，由美国
麻省理工学院的3名工作人员在1977年共同提出，RSA即为各自名字首字母的组合。RSA算法产生一对密钥，分别称为“公钥”（加密密钥）与“私钥”（解密密钥），加密算法与公钥对所有人公开，私钥则保密，只由密钥产生者掌握。用公钥加密的数据，只能使用私钥进行解密，反之亦然。通信开始之前，通信的一方A获得另一方B的公钥（这个过程由获得数字证书来实现）。如果A希望和B通信，A会向B发出询问，请B证明自己是B，而不是一个“钓鱼”网站。而B则会反馈一个字符串，并将该字符串经过私钥加密后的密文一并发给A。A通过已掌握的公钥解密收到的密文，并与B发来的字符串进行比对，如果二者一致则确定对方是真实的B，这是因为除B外其他用户均不掌握私钥，无法生成用于证明自己身份的可用公钥解密的字符串，于是就不可能冒充B和其他用户进行通信，这样就完成了A对B的身份认证。
（2）对称密钥解决数据报文加密（Encryption）问题
在完成身份验证后，公钥和私钥就不再用于后续通信了，这是因为A只有公钥而没有私钥，于是从B发给A的数据只能用私钥进行加密，但公钥是公开的，所有用户收到B发送的使用私钥加密的数据都可以解开，
这意味着对A的数据加密失去了意义。因此，A和B之间的数据加密需要使用只由A和B双方掌握的密钥来进行，这会用到对称加密算法（典型的如AES算法）。身份验证完成后，A会向B发送含有使用对称加密算法产生的密钥，并用公钥对其加密。当B收到该加密报文，再通过私钥对其解密，从而知道应使用何种对称加密密钥与A通信，后续数据加密都用该密钥完成。其他用户由于没有私钥，即使收到了A发给B的加密报文，也不可能通过解密获知A和B之间的对称加密密钥，也就不能解出加密数据。这样就解决了A 和B之间数据加密的问题。
（3）散列算法解决数据完整性（Integrity）问题
上述加密报文在传输过程中，还是可能会有黑客试图对加密报文进行破解，或者篡改其内容，怎样识别报文是否被人拆开过？SSL/TLS协议规定使用散列（Hash）算法对报文进行完整性保护。就是在数据报文的基础上进行散列函数计算，获得一个Hash值并发给对方，并且这个Hash值是唯一的，如果报文被看过或者被修改过，那么再次产生的Hash值将与原值不同。
接收方会根据收到的报文计算Hash 值，如果收到的Hash 值与自己计算的结果不一致，那么接收方就可以判断这个包被打开过。目前，业内广泛使用SHA 安全散列函数家族进行完整性保护。
（4）数字证书（Certificate ）解决公钥分发的问题一个很重要的问题，即公钥的分发，没有得到解决。如果A 希望和B 通信，由B 产生公钥和私钥，如何保证A 从B 那里拿到的公钥真实可靠？这就需要用到
数字证书。数字证书主要包括以下内容：
●证书颁发机构，指明由哪个机构生成了这个证
书。操作系统开发者，如美国微软公司，会将一些受信任的机构颁发的根证书预先安装在用户的电脑内，用来验证某个证书的权威性。
●证书有效期，过期后证书将无法被认可。●公钥，用于数据加密。公钥长度越长则安全性更高，比如美国谷歌公司的网站使用了长度为2048bit 的公钥。
●主题，数字证书颁发给谁。●签名使用的算法。
●指纹和指纹加密算法，上面的信息都是公开
的，还需要使用证书颁布者自己的私钥对其进行加密及完整性保护，产生一个“指纹”信息，以便该证书的用户通过公钥解密计算出指纹，以验证证书确实是由发送端产生。
在A 和B 第一次通信前，A 从B 那里通过某种方式（如下载安装），获得数字证书。A 使用的应用程序（如IE 浏览器）连接B 时，首先检查证书中的颁发机构，如果属于可信任的机构，则继续读取并使用证书携带的公钥进行指纹验证。如果解出的指纹和证书当中的指纹一致，则判定证书以及证书内的公钥可靠。如果证书不能被操作系统认可为由受信任机构所颁发，怎么办？理论上所有人都可以产生自己
的数字证书，但要被权威的证书颁发机构所认可，则不那么容易。若干年前，可能会遇到当访问一些国内网站（如银行类网站或者铁路12306网站）时，操作系统提示其证书不可靠的问题。此时，往往需要手动安装这类证书，并忽略错误提示，对于用国家信用为其进行背书的证书通常可以给予信任。
以上是IP 安全连接的简单原理，提到的这些过程，即SSL/TLS 握手和数字证书记录（也是对数据包重点监测的对象），如果以上流程都能够顺利地实现，相应的IP 连接的安全性就有了很大的保障。
3CMW500的IP 业务分析能力（CMW-KM051软件选件）
CMW500在IP 层桥接模式下，对待测设备（DUT ）tcp ip协议是全工
发送和接收的所有IP 数据报文做转发处理，此时CMW500还通过“深度报文监控”（Deep Packet Inspec-tion ）功能，对真实的IP 业务进行记录和分析，即针对不同的协议、不同的应用程序产生的业务流进行归类，获得每个协议、应用程序所产生的数据包的数量、消耗的带宽等重要信息。如图1所示，IP 业务分析工具给出了丰富的、图形化的测试结果，以满足用户对细节掌
握的需要。
图1CMW500的IP 业务分析能力
4CMW500的IP连接安全分析能力（CMW-KM052软件选件）
在IP业务分析基础之上，CMW500的DPI功能还可向用户提供多种IP连接安全性能分析能力。具体来说，CMW500提供了4种不同类型的测试工具，从4个不同的角度对DUT的每一个IP连接进行深入分析和客观展示。
（1）网络安全协议的识别
CMW500可以显示DUT上产生IP数据的应用程序，显示DUT发起的每一个连接所访问的地址、识别这些地址对应的服务器域名、使用的底层接入网类型和APN、收发数据包的数量和带宽以及每个连接使用了何种协议，是否安全，即是否使用了SSL/TLS协议等诸多内容。
对使用了SSL/TLS协议的安全连接，CMW500可以进一步深入进行SSL/TLS握手详细过程，以及数字证书具体内容的分析。在监测到的协议握手过程中，CMW500显示通信双方建议对方使用，以及最终协商使用的全部安全相关信息。这些信息包括SSL/TLS规范的版本，包括了每个连接所使用的加密套件（Cipher Suite）的具体内容，即所使用的密钥交互和鉴权的方法；对称加密算法及密钥的长度、模式；
完整性保护算法等。根据这些信息，用户可评估DUT连接的网络服务器或DUT自身的安全风险。以规范版本为例，如果TLS版本过低，使用10多年前的1.1版本，甚至使用SSL协议，这样建立的连接可能存在着较大的风险。以加密套件为例，如果套件里面的内容越丰富，加密位数越长，则意味着安全性越高。目前，欧洲和美国相关机构（德国BSI、欧洲电信联盟ETSI、美国NIST等）都对加密套件有推荐的最低要求。
CMW500还可以显示数字证书的详情，包括颁布机构、国家、公钥算法、长度、签名算法等。通过分析这些内容，使用者可以判别DUT获得的数字证书是否可靠，这对于保证通信安全有着很重要的参考价值，如果没有类似工具，使用者无法看到证书是否由可信任的机构颁发，也不知道接收的证书和期望的证书之间是否存在差异。
（2）关键字搜索
该测试工具允许使用者自定义字符，比如“IMEI”（终端唯一识别号）、“Password”、经度或纬度等，在所有DUT收发数据包当中对这些字符进行扫描，目的是帮助到潜在的安全漏洞。对于那些通常应该加密传输的数据，如从卫星定位系统获得的经纬度信息、网站的密码等，如果因某些原因而通过明文传输，连接将变得非常不安全，可能引起信息的泄露，因此使用这个工具发现相关安全漏洞十分必要。
（3）端口扫描
该测试工具允许使用者在可自定义的端口范围内对DUT的端口使用情况进行扫描，扫描结果会显示DUT的哪些端口处于打开状态，哪些端口处于关闭或潜伏状态。对于处于开放状态的端口，CMW500会进一步显示其端口号以及使用它的层4协议。该功能可以帮助使用者发现DUT是否打开了不必要的端口。
（4）IP地址地理位置判定
根据IP包扫描结果，CMW500还可以直观地显示出每一个连接所访问的IP地址的地理位置，可帮助使用者方便地判断DUT是否出现了异常行为。
5成功案例分享
（1）R&S公司与某知名汽车企业合作，使用CMW500对车载通信模块通过空中接口进行软件升级时的IP连接安全性能进行分析。
（2）R&S公司与国外检测机构合作，对使用2G、3G 无线网络进行IP数据传输的电梯警报器在工作状态下的安全性能进行分析。
（3）R&S公司和国内重要检测机构合作，开展NB-IoT终端软件安全可靠性分析，针对入网终端的软件行为进行摸底测试。
（4）R&S公司在2018年春季的巴塞罗那世界通信大会和当年夏季的上海世界通信大会上，都展示了应用于NB-IoT智能连接方案的IP安全性能分析工具。
在现有的CMW500射频测试仪平台之上，只需要通过简单的软硬件升级，尤其是KM051和KM052软件功能，就可获得IP业务和IP连接安全性能的分析和测试能力。这些优秀的成果是经由罗德与施瓦茨公司在IP安全领域持续不断的探索和开拓而获得的，在网络安全越来越受到重视的今天，将为不同类型用户（包括各类信息终端的设计和制造单位、软件开发单位、检测机构、公共安全部门等）提供强有力的技术支撑。

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