網絡空間安全原理與實踐（第2版）

目錄

第1 章從互聯網到網絡空間1 

引言. 1

1.1 互聯網發展漫話. 2

1.1.1 計算機和計算機系統.. 3

1.1.2 改變人類生活方式的互聯網及其通信協議TCP/IP . 8 

1.1.3 從Web 開始的互聯網應用大爆炸. 11

1.1.4 

網絡戰爭的打響.

. 

13

1.2 

網絡空間及網絡空間安全

. 

17

1.2.1 

網絡空間定義及其特點

. 

17

1.2.2 

網絡空間安全定義及其現狀

. 

20

1.2.3 

網絡空間安全戰略

. 

22

1.2.4 

網絡空間安全學科體系架構

. 

23

1.3 

網絡空間基礎理論之網絡科學

. 

26

1.3.1 

網絡科學概述

. 

27

1.3.2 

復雜網絡的性質.

. 

27

1.3.3 

復雜網絡與網絡空間安全.

. 

32

總結

. 

33

參考文獻

. 

34

習題

. 

36

第

2 

章網絡空間安全中的理論工具37 

引言

. 

37

2.1 

新的挑戰

. 

39

2.2 

圖論

. 

42

III 

IV 

目錄

2.2.1 

圖論的起源

. 

42

2.2.2 

網絡安全中的圖論

. 

43

2.2.3 

圖論簡介.

. 

46

2.2.4 

小結.

. 

52

2.3 

控制論.

. 

52

2.3.1 

控制論的起源

. 

52

2.3.2 

網絡安全中的控制論.

. 

53

2.3.3 

控制論簡介

. 

53

2.3.4 

小結.

. 

59

2.4 

博弈論.

. 

59

2.4.1 

博弈論的起源

. 

59

2.4.2 

網絡安全中的博弈論.

. 

60

2.4.3 

博弈論簡介

. 

61

2.4.4 

小結.

. 

69

2.5 

最優化理論.

. 

70

2.5.1 

最優化的起源

. 

70

2.5.2 

網絡安全中的最優化.

. 

70

2.5.3 

最優化的簡介

. 

71

2.5.4 

小結.

. 

76

2.6 

概率論.

. 

76

2.6.1 

概率論的起源

. 

77

2.6.2 

網絡安全中的概率論.

. 

77

2.6.3 

概率論簡介

. 

77

2.6.4 

小結.

. 

82

總結

. 

82

參考文獻

. 

82

習題

. 

84

第

3 

章網絡空間安全基本機制86 

引言

. 

86

3.1 

網絡空間安全機制的整體發展脈絡

. 

86

3.2 

訪問控制

. 

89

3.2.1 

訪問控制的發展概況.

. 

89

目錄

V 

3.2.2 

訪問控制的安全目標.

. 

89

3.2.3 

訪問控制的基本思想和原理

. 

89

3.3 

沙箱

. 

91

3.3.1 

沙箱的發展概況.

. 

92

3.3.2 

沙箱的安全目標.

. 

92

3.3.3 

沙箱的基本思想和原理

. 

92

3.3.4 

反沙箱技術

. 

93

3.4 

入侵容忍

. 

94

3.4.1 

入侵容忍的發展概況.

. 

94

3.4.2 

入侵容忍的安全目標.

. 

94

3.4.3 

入侵容忍的基本思想和原理

. 

95

3.5 

可信計算

. 

96

3.5.1 

可信計算的發展概況.

. 

96

3.5.2 

可信計算的安全目標.

. 

97

3.5.3 

可信計算的基本思想和原理

. 

97

3.6 

類免疫防禦.

. 

98

3.6.1 

類免疫防禦的發展概況

. 

98

3.6.2 

類免疫防禦的安全目標

. 

99

3.6.3 

類免疫防禦的基本思想和原理

. 

99

3.7 

移動目標防禦

. 

99

3.7.1 

移動目標防禦的發展概況.

. 

100

3.7.2 

移動目標防禦的安全目標.

. 

100

3.7.3 

移動目標防禦的基本思想和原理.

. 

101

3.8 

擬態防禦

. 

101

3.8.1 

擬態防禦的發展概況.

. 

102

3.8.2 

擬態防禦的安全目標.

. 

102

3.8.3 

擬態防禦的基本思想和原理

. 

102

3.9 

零信任網絡.

. 

103

3.9.1 

零信任網絡的發展概況

. 

104

3.9.2 

零信任網絡的安全目標

. 

104

3.9.3 

零信任網絡的基本思想和原理

. 

104

總結

. 

106

參考文獻

. 

106

VI 

目錄

習題

. 

109

第

4 

章數據加密110 

引言

. 

110

4.1 

密碼學簡史.

. 

111

4.1.1 

古典密碼.

. 

111

4.1.2 

近代密碼.

. 

113

4.1.3 

現代密碼.

. 

116

4.2 

對稱密碼

. 

118

4.2.1 

分組密碼.

. 

118

4.2.2 

DES 

算法.

. 

120

4.2.3 

流密碼

. 

125

4.3 

公鑰密碼

. 

127

4.3.1 

提出背景.

. 

127

4.3.2 

加密原理.

. 

128

4.3.3 

RSA 

算法.

. 

128

4.3.4 

應用場景.

. 

132

4.4 

摘要與簽名.

. 

133

4.4.1 

散列函數.

. 

133

4.4.2 

消息認證碼

. 

138

4.4.3 

數字簽名.

. 

141

4.5 

公鑰基礎設施PKI 

. 

143

4.5.1 

體系結構.

. 

144

4.5.2 

信任模型.

. 

147

4.5.3 

安全問題.

. 

149

4.5.4 

應用場景.

. 

150

4.6 

密碼分析技術

. 

152 

總結

. 

153 

參考文獻

. 

153 

習題

. 

157 

附錄

. 

158 

實驗一：制造MD5 

算法的散列值碰撞（難度：899

） 

. 

158 

實驗二：基於口令的安全身份認證協議（難度：888

） 

. 

160 

目錄VII 

實驗三：數字證書的使用（難度：899

） 

.

. 

162

第

5 

章隱私保護165 

引言

. 

165

5.1 

隱私保護技術初探

. 

167

5.1.1 

網絡空間中的隱私

. 

167

5.1.2 

隱私泄露的危害.

. 

168

5.1.3 

隱私保護技術介紹

. 

169

5.2 

匿名化.

. 

171

5.2.1 

匿名化隱私保護模型.

. 

172

5.2.2 

匿名化方法

. 

176

5.3 

差分隱私

. 

178

5.3.1 

差分隱私基礎

. 

178

5.3.2 

數值型差分隱私.

. 

181

5.3.3 

非數值型差分隱私

. 

183

5.4 

同態加密

. 

184

5.4.1 

同態加密基礎

. 

185

5.4.2 

半同態加密

. 

187

5.4.3 

全同態加密

. 

189

5.5 

安全多方計算

. 

190

5.5.1 

安全多方計算基礎

. 

190

5.5.2 

百萬富翁協議

. 

193

總結

. 

194

參考文獻

. 

195

習題

. 

197

附錄

. 

197

實驗：基於Paillier 

算法的匿名電子投票流程實現（難度：899）197

第

6 

章系統硬件安全199 

引言

. 

199

6.1 

系統硬件概述

. 

200

6.1.1 

硬件的範疇

. 

200

6.1.2 

硬件組成模塊

. 

201

VIII 

目錄

6.1.3 

中央處理器

. 

201

6.1.4 

硬件安全.

. 

203

6.2 

硬件安全問題

. 

203

6.2.1 

安全威脅事件

. 

204

6.2.2 

硬件攻擊分類

. 

206

6.2.3 

安全威脅剖析

. 

212

6.3 

硬件安全防護

. 

213

6.3.1 

處理器安全模型.

. 

213

6.3.2 

硬件防護技術

. 

214

6.4 

典型漏洞分析

. 

218

6.4.1 

Spectre 

. 

220

6.4.2 

VoltJockey 

漏洞

. 

221

總結

. 

223

參考文獻

. 

223

習題

. 

227

附錄

. 

228

實驗：Spectre 

攻擊驗證（難度：888

） 

. 

228

第

7 

章操作系統安全230 

引言

. 

230

7.1 

操作系統安全威脅示例.

. 

231

7.1.1 

操作系統安全威脅模型

. 

232

7.1.2 

操作系統安全威脅案例

. 

233

7.2 

操作系統基礎攻擊方案.

. 

233

7.2.1 

內存管理基礎

. 

234

7.2.2 

基礎的棧區攻擊方案.

. 

235

7.2.3 

基礎的堆區攻擊方案.

. 

239

7.2.4 

小結.

. 

243

7.3 

操作系統基礎防禦方案.

. 

243

7.3.1 

W.

X 

. 

243

7.3.2 

ASLR 

. 

244

7.3.3 

StackCanary

. 

244

7.3.4 

SMAP 

和SMEP

. 

245

目錄IX 

7.3.5 

小結.

. 

245

7.4 

高級控制流劫持方案

. 

246

7.4.1 

進程執行的更多細節.

. 

246

7.4.2 

面向返回地址編程

. 

247

7.4.3 

全局偏置表劫持.

. 

250

7.4.4 

虛假vtable 

劫持

. 

251

7.4.5 

小結.

. 

253

7.5 

高級操作系統保護方案.

. 

253

7.5.1 

控制流完整性保護

. 

253

7.5.2 

指針完整性保護.

. 

254

7.5.3 

信息流控制

. 

255

7.5.4 

I/

O 

子系統保護.

. 

256

7.5.5 

小結.

. 

257

總結

. 

258

參考文獻

. 

259

習題

. 

263

附錄

. 

263

實驗一：簡單棧溢出實驗（難度：889

） 

.

. 

263

實驗二：基於棧溢出的模擬勒索實驗（難度：888

） 

.

. 

265

第

8 

章TCP/IP 

協議棧安全268 

引言

. 

268

8.1 

協議棧安全的背景及現狀

. 

268

8.1.1 

協議棧安全的基本概念

. 

268

8.1.2 

協議棧安全的背景及研究範疇

. 

270

8.1.3 

協議棧安全問題現狀.

. 

270

8.2 

協議棧安全問題的本質及原因

. 

270

8.2.1 

多樣化的網絡攻擊

. 

271

8.2.2 

網絡攻擊的共性特征.

. 

279

8.2.3 

協議棧中的不當設計和實現

. 

280

8.3 

協議棧安全的基本防禦原理.

. 

281

8.3.1 

基於真實源地址的網絡安全防禦.

. 

282

8.3.2 

增強協議棧隨機化屬性

. 

282

X 

目錄

8.3.3 

協議的安全加密.

. 

283

8.3.4 

安全防禦實踐及規範.

. 

286

8.4 

典型案例分析

. 

286

8.4.1 

誤用IP 

分片機制汙染UDP 

協議

. 

286

8.4.2 

偽造源IP 

地址進行DDoS 

攻擊.

. 

288

8.4.3 

TCP 

連接劫持攻擊

. 

289

8.4.4 

利用Wi-Fi 

幀大小檢測並劫持TCP 

連接.

. 

290

8.4.5 

基於Wi-Fi 

網絡NAT 

漏洞檢測並劫持TCP 

連接

. 

292 

總結

. 

294 

參考文獻

. 

294 

習題

. 

298 

附錄

. 

299 

實驗一：SYN 

Flooding 

攻擊（難度：899

） 

. 

299 

實驗二：基於IPID 

側信道的TCP 

連接阻斷（難度：888

） 

300 

第

9 

章互聯網路由安全303 

引言

. 

303

9.1 

路由系統概述

. 

303

9.1.1 

互聯網路由的基本概念

. 

304

9.1.2 

域內路由協議

. 

306

9.1.3 

域間路由系統

. 

309

9.2 

互聯網路由的安全威脅與挑戰

. 

314

9.2.1 

域內路由系統安全

. 

315

9.2.2 

域間路由系統安全

. 

318

9.2.3 

路由安全典型案例分析

. 

321

9.3 

路由防劫持抗泄露相關技術.

. 

323

9.3.1 

路由源劫持防禦.

. 

324

9.3.2 

路由路徑偽造防禦

. 

331

9.3.3 

路由泄露防禦

. 

334

9.3.4 

惡意路由檢測機制

. 

337

9.3.5 

MANRS 

行動

. 

339

總結

. 

341

參考文獻

. 

342

目錄XI 

習題

. 

345

附錄

. 

345

實驗：互聯網路由異常檢測（難度：88

. ） 

. 

345

第10 

章DNS 

安全349 

引言

. 

349

10.1 

DNS 

概述

. 

349

10.1.1 

DNS 

的演進

. 

350

10.1.2 

DNS 

域名結構與區域組織形式.

. 

352

10.2 

DNS 

使用及解析過程.

. 

353

10.2.1 

DNS 

使用.

. 

353

10.2.2 

DNS 

解析過程.

. 

354

10.2.3 

DNS 

請求及應答報文

. 

356

10.3 

DNS 

攻擊

. 

359

10.3.1 

DNS 

攻擊目標及共性特征.

. 

359

10.3.2 

緩存中毒攻擊

. 

361

10.3.3 

來自惡意權威域名服務器的回復偽造攻擊.

. 

367

10.3.4 

拒絕服務攻擊

. 

369

10.4 

DNS 

攻擊防禦策略

. 

371

10.4.1 

基於密碼技術的防禦策略.

. 

372

10.4.2 

基於系統管理的防禦策略.

. 

375

10.4.3 

新型架構設計

. 

376

10.5 

典型案例分析

. 

378

10.5.1 

Kaminsky 

攻擊.

. 

378

10.5.2 

惡意服務器回復偽造攻擊.

. 

379

總結

. 

381

參考文獻

. 

382

習題

. 

384

附錄

. 

385

實驗：實現本地DNS 

緩存中毒攻擊（難度：889

） 

.

. 

385

第11 

章真實源地址驗證388 

引言

. 

388

XII 

目錄

11.1 

真實源地址驗證體系結構的研究背景

. 

389

11.1.1 

當前互聯網體系結構缺乏安全可信基礎

. 

389

11.1.2 

IP 

地址欺騙

. 

391

11.1.3 

真實源地址驗證體系結構SAVA 

的提出

. 

395

11.2 

真實源地址驗證SAVA 

體系結構設計

. 

396

11.2.1 

當前互聯網的地址結構

. 

397

11.2.2 

真實源地址驗證SAVA 

體系結構設計原則.

. 

398

11.3 

SAVA 

體系結構及其關鍵技術

. 

400

11.3.1 

真實源地址驗證SAVA 

體系結構

. 

401

11.3.2 

接入網真實源地址驗證技術SAVI

. 

402

11.3.3 

域內真實源地址驗證技術SAVA-

P 

. 

405

11.3.4 

域間真實源地址驗證技術SAVA-

X 

. 

408

11.3.5 

基於IPv6 

的可信身份標識

. 

412

11.3.6 

數據包防篡改機制

. 

412

11.4 

真實可信新一代互聯網體系結構

. 

414

總結

. 

415

參考文獻

. 

416

習題

. 

417

附錄

. 

417

實驗：域間源地址驗證技術SMA 

簡單模擬（難度：889

） . 

417

第12 

章流量識別與分析技術421 

引言

. 

421

12.1 

流量分析系統概述

. 

423

12.1.1 

流量分析問題定義

. 

423

12.1.2 

流量分析系統模型

. 

425

12.2 

負載特征驅動的流量檢測

. 

426

12.2.1 

基於固定規則的流量檢測.

. 

426

12.2.2 

基於人工智能的流量檢測.

. 

427

12.2.3 

基於人工智能的負載分析：網站應用防火墻

. 

428

12.2.4 

基於人工智能的負載分析：惡意軟件檢測.

. 

430

12.3 

統計特征驅動的流量識別方案

. 

432

12.3.1 

基於包粒度特征的流量檢測

. 

433

目錄XIII 

12.3.2 

基於流粒度特征的流量檢測

. 

434

12.3.3 

基於可編程網絡設備的流量檢測.

. 

438

12.3.4 

針對加密攻擊流量的檢測.

. 

440

12.4 

檢測後的防禦方法

. 

442

12.4.1 

檢測後的防禦方案設計理念

. 

442

12.4.2 

基於地址匹配的傳統流量清洗

. 

443

12.4.3 

基於特征匹配的可編程交換機防禦

. 

444

12.5 

基於流量分析的攻擊

. 

446

12.5.1 

網站指紋攻擊

. 

446

12.5.2 

其他流量分析攻擊

. 

448

12.5.3 

針對流量分析攻擊的防禦.

. 

449

12.6 

流量分析技術的發展

. 

449

12.6.1 

對流量分析技術的批判

. 

449

12.6.2 

流量檢測的假陽性警報問題

. 

450

12.6.3 

流量分析的可解釋性問題.

. 

451

總結

. 

452

參考文獻

. 

453

習題

. 

461

附錄

. 

461

實驗一：可視化分析流量交互圖（難度：889

） 

. 

461

實驗二：網站指紋攻擊實現（難度：889

） 

. 

463

第13 

章分布式系統安全465 

引言

. 

465

13.1 

分布式系統概述

. 

466

13.1.1 

分布式系統的組成

. 

466

13.1.2 

分布式系統中的舍與得

. 

470

13.1.3 

安全問題的根源.

. 

473

13.2 

協作的前提：建立安全、穩定的交互網絡

. 

475

13.2.1 

建立安全、穩定的交互信道

. 

475

13.2.2 

建立應用層路由.

. 

479

13.2.3 

選擇可靠的鄰居節點.

. 

481

13.3 

實現穩定協同：安全穩定的分布式算法.

. 

482

XIV 

目錄

13.3.1 

時鐘同步.

. 

482

13.3.2 

並發控制.

. 

484

13.3.3 

故障容錯.

. 

487

13.4 

實現可信協同：解決信任問題

. 

493

13.4.1 

身份認證和訪問控制.

. 

493

13.4.2 

信用模型.

. 

495

13.4.3 

拜占庭容錯共識.

. 

495

總結

. 

500

參考文獻

. 

501

習題

. 

503

附錄

. 

504

實驗：拜占庭

/ 

故障容錯共識的模擬與驗證（難度：889

） . 

504

第14 

章應用安全508 

引言

. 

508

14.1 

網絡應用及其相關的應用安全問題

. 

509

14.1.1 

網絡應用安全問題概覽

. 

510

14.1.2 

各種應用安全攻擊分析

. 

511

14.1.3 

網絡應用安全攻擊的共性特征

. 

526

14.2 

應用安全的基本防禦原理

. 

527

14.2.1 

身份認證與信任管理.

. 

527

14.2.2 

隱私保護.

. 

528

14.2.3 

應用安全監控防禦

. 

528

14.3 

典型案例分析

. 

528

14.3.1 

微博病毒.

. 

528

14.3.2 

劍橋分析通過社交網絡操縱美國大選.

. 

530

總結

. 

531

參考文獻

. 

532

習題

. 

533

附錄

. 

534

實驗：實現本地Web 

攻擊（難度：889

） 

. 

534

目錄XV 

第15 

章人工智能安全536 

引言

. 

536

15.1 

人工智能安全緒論

. 

539

15.1.1 

人工智能發展史.

. 

539

15.1.2 

人工智能基本組件

. 

542

15.1.3 

人工智能安全

. 

543

15.1.4 

人工智能敵手分析

. 

546

15.2 

框架安全

. 

547

15.2.1 

框架發展簡史

. 

548

15.2.2 

框架自身的安全漏洞.

. 

552

15.2.3 

環境接觸帶來的漏洞.

. 

554

15.3 

算法安全

. 

556

15.3.1 

人工智能算法簡介

. 

557

15.3.2 

人工智能算法的魯棒性

. 

560

15.3.3 

人工智能算法的魯棒性攻防

. 

561

15.3.4 

人工智能算法的隱私攻防.

. 

564

15.4 

人工智能算法的局限性.

. 

568

15.4.1 

數據局限性

. 

568

15.4.2 

成本局限性

. 

570

15.4.3 

偏見局限性

. 

571

15.4.4 

倫理局限性

. 

573

總結

. 

574

參考文獻

. 

574

習題

. 

577

附錄

. 

577

實驗：後門攻擊與防禦的實現（難度：889

） 

. 

577

第16 

章大模型安全579 

引言

. 

579

16.1 

大模型安全緒論

. 

581

16.1.1 

大模型的發展

. 

581

16.1.2 

大模型安全研究範疇.

. 

586

16.1.3 

大模型安全政策及規範

. 

588

XVI 

目錄

16.2 

大模型系統安全

. 

589

16.2.1 

系統安全威脅

. 

589

16.2.2 

系統安全防禦手段

. 

593

16.3 

大模型數據安全

. 

598

16.3.1 

數據安全威脅

. 

598

16.3.2 

數據安全防禦策略

. 

603

16.4 

大模型對抗安全

. 

612

16.4.1 

對抗攻擊威脅

. 

612

16.4.2 

對抗防禦策略

. 

617

總結

. 

623

參考文獻

. 

624

習題

. 

633

附錄

. 

633

實驗：流量大模型的流量檢測能力實現（難度：888

） 

. 

633