正版新书]网络空间安全原理与实践徐恪、李琦、沈蒙、朱敏978730

第 1 章 从互联网到网络空间 1
引言 1
1.1 互联网发展漫话 2
1.1.1 计算机和计算机系统 3
1.1.2 改变人类生活方式的互联网及其通信协议 TCP/IP 8
1.1.3 从 Web 开始的互联网应用大爆炸 11
1.1.4 网络战争的打响 13
1.2 网络空间及网络空间安全 17
1.2.1 网络空间定义及其特点 17
1.2.2 网络空间安全定义及其现状 20
1.2.3 网络空间安全战略 22
1.2.4 网络空间安全学科体系架构 23
1.3 网络空间基础理论之网络科学 26
1.3.1 网络科学概述 26
1.3.2 复杂网络的性质 27
1.3.3 复杂网络与网络空间安全 32
总结 33
参考文献 33
习题 36
第 2 章 网络空间安全中的理论工具 38
引言 38
2.1 新的挑战 40
2.2 图论 43
2.2.1 图论的起源 43
2.2.2 网络安全中的图论 44
2.2.3 图论简介 47
2.2.4 小结 53
2.3 控制论 53
2.3.1 控制论的起源 53
2.3.2 网络安全中的控制论 54
2.3.3 控制论简介 54
2.3.4 小结 60
2.4 博弈论 60
2.4.1 博弈论的起源 60
2.4.2 网络安全中的博弈论 61
2.4.3 博弈论简介 61
2.4.4 小结 70
2.5 很优化理论 71
2.5.1 很优化的起源 71
2.5.2 网络安全中的很优化 71
2.5.3 很优化的简介 72
2.5.4 小结 77
2.6 概率论 77
2.6.1 概率论的起源 78
2.6.2 网络安全中的概率论 78
2.6.3 概率论简介 78
2.6.4 小结 83
总结 83
参考文献 83
习题 85
第 3 章 网络空间安全基本机制 88
引言 88
3.1 网络空间安全机制的整体发展脉络 88
3.2 沙箱 91
3.2.1 沙箱的发展概况 91
3.2.2 沙箱的安全目标 91
3.2.3 沙箱的基本思想和原理 91
3.3 入侵容忍 92
3.3.1 入侵容忍的发展概况 93
3.3.2 入侵容忍的安全目标 93
3.3.3 入侵容忍的基本思想和原理 93
3.4 可信计算 94
3.4.1 可信计算的发展概况 95
3.4.2 可信计算的安全目标 95
3.4.3 可信计算的基本思想和原理 95
3.5 类免疫防御 96
3.5.1 类免疫防御的发展概况 97
3.5.2 类免疫防御的安全目标 97
3.5.3 类免疫防御的基本思想和原理 97
3.6 移动目标防御 98
3.6.1 移动目标防御的发展概况 99
3.6.2 移动目标防御的安全目标 99
3.6.3 移动目标防御的基本思想和原理 99
3.7 拟态防御 100
3.7.1 拟态防御的发展概况 100
3.7.2 拟态防御的安全目标 101
3.7.3 拟态防御的基本思想和原理 101
3.8 零信任网络 102
3.8.1 零信任网络的发展概况 102
3.8.2 零信任网络的安全目标 103
3.8.3 零信任网络的基本思想和原理 103
总结 105
参考文献 105
习题 107
第 4 章 数据加密 109
引言 109
4.1 密码学简史 110
4.1.1 古典密码 110
4.1.2 近代密码 112
4.1.3 现代密码 116
4.2 对称密码 116
4.2.1 分组密码 117
4.2.2 DES 算法 119
4.2.3 流密码 124
4.3 公钥密码 126
4.3.1 提出背景 126
4.3.2 加密原理 127
4.3.3 RSA 算法 127
4.3.4 应用场景 131
4.4 摘要与签名 132
4.4.1 散列函数 132
4.4.2 消息认证码 137
4.4.3 数字签名 140
4.5 密码分析技术 143
总结 144
参考文献 144
习题 146
附录 147
实验一：制造 MD5 算法的散列值碰撞（难度：899） 147
实验二：基于口令的安全身份认证协议（难度：888） 149
第 5 章 隐私保护 153
引言 153
5.1 隐私保护技术初探 155
5.1.1 网络空间中的隐私 155
5.1.2 隐私泄露的危害 156
5.1.3 隐私保护技术介绍 157
5.2 匿名化 159
5.2.1 匿名化隐私保护模型 160
5.2.2 匿名化方法 164
5.3 差分隐私 166
5.3.1 差分隐私基础 166
5.3.2 数值型差分隐私 169
5.3.3 非数值型差分隐私 171
5.4 同态加密 172
5.4.1 同态加密基础 173
5.4.2 半同态加密 175
5.4.3 全同态加密 177
5.5 安全多方计算 178
5.5.1 安全多方计算基础 178
5.5.2 百万富翁协议 181
总结 182
参考文献 183
习题 185
附录 186
实验：基于 Paillier 算法的匿名电子投票流程实现（难度：899）186
第 6 章 系统硬件安全 188
引言 188
6.1 系统硬件概述 189
6.1.1 硬件的范畴 189
6.1.2 硬件组成模块 190
6.1.3 中央处理器 190
6.1.4 硬件安全 192
6.2 硬件安全问题 192
6.2.1 安全威胁事件 193
6.2.2 硬件攻击分类 195
6.2.3 安全威胁剖析 201
6.3 硬件安全防护 202
6.3.1 处理器安全模型 202
6.3.2 硬件防护技术 203
6.4 典型漏洞分析 207
6.4.1 Spectre 209
6.4.2 VoltJockey 漏洞 210
总结 212
参考文献 213
习题 217
附录 218
实验：Spectre 攻击验证（难度：888） 218
第 7 章 操作系统安全 220
引言 220
7.1 操作系统安全威胁示例 222
7.1.1 操作系统安全威胁模型 222
7.1.2 操作系统安全威胁案例 223
7.2 操作系统基础攻击方案 224
7.2.1 内存管理基础 224
7.2.2 基础的栈区攻击方案 225
7.2.3 基础的堆区攻击方案 229
7.2.4 小结 233
7.3 操作系统基础防御方案 233
7.3.1 WˆX 233
7.3.2 ASLR 234
7.3.3 Stack Canary 234
7.3.4 SMAP 和 SMEP 235
7.3.5 小结 235
7.4 高级控制流劫持方案 236
7.4.1 进程执行的更多细节 236
7.4.2 面向返回地址编程 237
7.4.3 全局偏置表劫持 240
7.4.4 虚假 vtable 劫持 241
7.4.5 小结 243
7.5 高级操作系统保护方案 243
7.5.1 控制流完整性保护 243
7.5.2 指针完整性保护 245
7.5.3 信息流控制 245
7.5.4 I/O 子系统保护 246
7.5.5 小结 247
总结 248
参考文献 249
习题 253
附录 254
实验一：简单栈溢出实验（难度：889） 254
实验二：基于栈溢出的模拟勒索实验（难度：888） 256
第 8 章 TCP/IP 协议栈安全 259
引言 259
8.1 协议栈安全的背景及现状 259
8.1.1 协议栈安全的基本概念 259
8.1.2 协议栈安全的背景及研究范畴 260
8.1.3 协议栈安全问题现状 261
8.2 协议栈安全问题的本质及原因 262
8.2.1 多样化的网络攻击 262
8.2.2 网络攻击的共性特征 270
8.2.3 协议栈中的不当设计和实现 271
8.3 协议栈安全的基本防御原理 272
8.3.1 基于真实源地址的网络安全防御 273
8.3.2 增强协议栈随机化属性 273
8.3.3 协议的安全加密 274
8.3.4 安全防御实践及规范 277
8.4 典型案例分析 277
8.4.1 误用 IP 分片机制污染 UDP 协议 278
8.4.2 伪造源 IP 地址进行 DDoS 攻击 279
8.4.3 TCP 连接劫持攻击 280
总结 282
参考文献 282
习题 286
附录 287
实验一：SYN Flooding 攻击（难度：899） 287
实验二：基于 IPID 侧信道的 TCP 连接阻断（难度：889） 288
第 9 章 DNS 安全 291
引言 291
9.1 DNS 概述 292
9.1.1 DNS 的演进 292
9.1.2 DNS 域名结构与区域组织形式 294
9.2 DNS 使用及解析过程 295
9.2.1 DNS 使用 295
9.2.2 DNS 解析过程 296
9.2.3 DNS 请求及应答报文 298
9.3 DNS 攻击 301
9.3.1 DNS 攻击目标及共性特征 301
9.3.2 缓存中毒攻击 303
9.3.3 来自恶意权威域名服务器的回复伪造攻击 309
9.3.4 拒绝服务攻击 311
9.4 DNS 攻击防御策略 313
9.4.1 基于密码技术的防御策略 314
9.4.2 基于系统管理的防御策略 317
9.4.3 新型架构设计 318
9.5 典型案例分析 320
9.5.1 Kaminsky攻击 320
9.5.2 恶意服务器回复伪造攻击 321
总结 323
参考文献 324
习题 327
附录 327
实验：实现本地 DNS 缓存中毒攻击（难度：889） 327
第 10 章 真实源地址验证 330
引言 330
10.1 真实源地址验证体系结构的研究背景 331
10.1.1 当前互联网体系结构缺乏安全可信基础 331
10.1.2 IP 地址欺骗 333
10.1.3 真实源地址验证体系结构 SAVA 的提出 337
10.2 真实源地址验证 SAVA 体系结构设计 338
10.2.1 当前互联网的地址结构 339
10.2.2 真实源地址验证 SAVA 体系结构设计原则 340
10.3 SAVA 体系结构及其关键技术 342
10.3.1 真实源地址验证 SAVA 体系结构 343
10.3.2 接入网真实源地址验证技术 SAVI 344
10.3.3 域内真实源地址验证技术 SAVA-P 347
10.3.4 域间真实源地址验证技术 SAVA-X 350
10.3.5 基于 IPv6 的可信身份标识 354
10.3.6 数据包防篡改机制 354
10.4 真实可信新一代互联网体系结构 356
总结 357
参考文献 357
习题 359
附录 360
实验：域间源地址验证技术 SMA 简单模拟（难度：889） 360
第 11 章 公钥基础设施 PKI 363
引言 363
11.1 走近互联网安全护卫者 364
11.1.1 PKI 相关技术 365
11.1.2 数字证书 366
11.1.3 PKI 体系结构的组成 371
11.2 PKI 信任模型 373
11.2.1 以 CA 为中心的信任模型 374
11.2.2 以用户为中心的信任模型 376
11.3 公钥基础设施安全问题的由来 378
11.3.1 数字证书颁发过程中的安全问题 378
11.3.2 数字证书维护过程中的安全问题 379
11.4 公钥基础设施安全问题的解决思路 379
11.4.1 建立监督机制 379
11.4.2 建立证书状态日志 380
11.5 区块链在 PKI 安全中的应用 381
11.5.1 区块链的特点 381
11.5.2 以 CA 为中心的 PKI 中区块链的应用 383
11.5.3 以用户为中心的 PKI 中区块链的应用 384
11.6 PKI 主要应用场景 386
11.6.1 加密数据传输 386
11.6.2 HTTPS 协议 387
11.6.3 虚拟专用网 388
11.6.4 资源公钥基础设施 389
总结 390
参考文献 391
习题 393
附录 394
实验：数字证书的使用（难度：899） 394
第 12 章 分布式系统安全 396
引言 396
12.1 分布式系统概述 397
12.1.1 分布式系统的组成 397
12.1.2 分布式系统中的舍与得 401
12.1.3 安全问题的根源 404
12.2 协作的前提：建立安全、稳定的交互网络 406
12.2.1 建立安全、稳定的交互信道 406
12.2.2 建立应用层路由 410
12.2.3 选择可靠的邻居节点 412
12.3 实现稳定协同：安全稳定的分布式算法 413
12.3.1 时钟同步 413
12.3.2 并发控制 415
12.3.3 故障容错 418
12.4 实现可信协同：解决信任问题 424
12.4.1 身份认证和访问控制 424
12.4.2 信用模型 426
12.4.3 拜占庭容错共识 426
总结 431
参考文献 432
习题 434
附录 435
实验：拜占庭 / 故障容错共识的模拟与验证（难度：889） 435
第 13 章 应用安全 439
引言 439
13.1 网络应用及其相关的应用安全问题 440
13.1.1 网络应用安全问题概览 441
13.1.2 各种应用安全攻击分析 442
13.1.3 网络应用安全攻击的共性特征 457
13.2 应用安全的基本防御原理 458
13.2.1 身份认证与信任管理 459
13.2.2 隐私保护 459
13.2.3 应用安全监控防御 459
13.3 典型案例分析 459
13.3.1 微博病毒 460
13.3.2 剑桥分析通过社交网络操纵美国大选 461
总结 463
参考文献 463
习题 465
附录 465
实验: 实现本地 Web 攻击 (难度:889) 465
第 14 章 人工智能算法安全 468
引言 468
14.1 人工智能安全绪论 471
14.1.1 人工智能发展史 471
14.1.2 人工智能安全 474
14.2 框架安全 477
14.2.1 框架发展简史 478
14.2.2 框架自身的安全漏洞 482
14.2.3 环境接触带来的漏洞 483
14.3 算法安全 486
14.3.1 人工智能算法简介 486
14.3.2 人工智能算法的鲁棒性 489
14.3.3 人工智能算法安全的分类维度 491
14.3.4 面向算法的攻击与防御 493
14.4 人工智能算法的局限性 495
14.4.1 数据局限性 495
14.4.2 成本局限性 497
14.4.3 偏见局限性 499
14.4.4 伦理局限性 500
总结 501
参考文献 501
习题 503
附录 504
实验：后门攻击与防御的实现（难度：889） 504

徐恪 清华大学 教授 ，主要从事计算机网络体系结构、网络安全和网络经济学的科研和教学工作。担任核心期刊“软件学报”领域编委，中国电子学会会士，中国计算机学会理事。

本书力图全面反映“网络空间安全”学科体系的概况，让读者能够理解“网络空间安全是整体性的，不可分割的”。本书还注重通过典型的应用案例来讲解网络空间安全的基本机制和原理 ，并且精心设计了一系列实验，让读者通过实际动手操作进一步加深对网络空间安全的理解和掌握。