Lec 1 什么是计算机安全？

TL;DR

• 安全结论只在明确的系统模型与威胁模型内成立；设计必须分别说明攻击者能力、安全目标和实现机制。
• 机密性、完整性与可用性描述不同保护目标，而现实系统不可能同时抵御所有物理、软件与社会工程攻击。
• 失败通常来自目标定义错误、威胁模型遗漏或实现漏洞；公开设计、最小权限和纵深防御用于降低单点假设失效的代价。

1. 安全的核心框架

计算机安全的目标：在对手（adversary）的攻击下，系统仍能正确运行。

系统设计的三要素：

要素	含义	示例
模型（Model / Threat Model）	系统与攻击者的交互方式，攻击者能力边界	攻击者可发送网络包，但不能物理接触服务器
目标（Goal）	系统需要保证的安全属性	只有 Alice 能读取文件 F
实现（Implementation）	如何在该模型下实现目标	设置文件权限、启用密码+双因素认证

2. 安全目标的三大类别

• 机密性（Confidentiality）：对手无法获取敏感信息
• 完整性（Integrity）：对手无法篡改系统状态
• 可用性（Availability）：系统在攻击下仍能正常运行

3. 安全为何困难

3.1 负向目标（Negative Goal）

实现正向功能只需一条代码路径，而安全要求没有任何漏洞路径——需要考虑所有可能攻击。

3.2 典型案例：成绩单文件

攻击途径包括：利用服务器漏洞、猜测助教密码、窃取笔记本、拦截网络传输、破解加密方案、入侵注册办公室……

4. 三类失败原因

4.1 目标设计不当

• 航空公司商务舱票：允许"随时改签不收费"，但未限定"登机后禁止改签"——攻击者可无限循环乘机。

• Sarah Palin 邮件被盗：Yahoo 密码重置通过安全问题完成，而答案可从互联网公开信息找到。策略实际上等价于"密码 OR 安全问题"。

• Mat Honan 账户链式攻击：

  1. Amazon 允许无验证添加信用卡
  2. 用刚添加卡的末四位通过 Apple 密码重置
  3. 进入 Apple 邮件 → 触发 Gmail 密码重置
  • 教训：各个策略单独看合理，组合后产生漏洞。

• Fairfax 学校权限提升： 老师可将学生加入班级 → 修改学生密码 → 将 Superintendent 变为"学生" → 修改其密码 → 获取全校文件访问权。

• TLS 证书 OCR 漏洞：CA 对 .eu 域名联系人邮件地址用 OCR 识别 ASCII 图片，a1telekom.at 被误读为 altelekom.at，攻击者注册误读域名即可冒充合法域名获取证书

• 管理/维护盲点：谁能修改权限？谁能访问审计日志？谁能管理备份？

4.2 威胁模型假设错误

假设	实际漏洞
用户不会向对手透露 2FA 码	电话社工可骗取用户实时输入验证码
个人信息难以获取	Facebook 等使安全问题答案几乎公开
56-bit DES 够安全（1980s）	如今暴力破解仅需 ~$100
IP 限速防止 DDoS	攻击者控制百万台僵尸设备
CAPTCHA 需要 OCR 才能破解	人工破解服务每个不到 $0.01
所有 CA 不会被攻破	2011 年 DigiNotar 被攻破，伪造了 Google/Yahoo/Tor 等证书
安全通过隐藏实现（Security through Obscurity）	Clipper Chip 等案例证明此策略不可靠

4.3 实现结果的漏洞

缓冲区溢出：C 代码对缓冲区边界检查不当 → 覆盖返回地址 → 任意代码执行。

iCloud 限速遗漏：对所有登录接口限速，但"查找 iPhone" API 遗忘限速 → 每天可暴力猜测数百万次密码。

不安全默认配置：路由器默认密码、AWS S3 Bucket 默认公开权限——大系统中极易遗漏配置，默认必须安全。

MS Office 签名绕过：

• Bug 1：未检查签名文档是否为顶层文档，可嵌套欺骗显示"已签名"
• Bug 2：Mac 版只要存在签名对象就显示"受数字签名保护"，不验证签名内容

Citi 缺失授权检查：账户页面 URL 含账户 ID（x.citi.com/id=1234），服务器未校验当前登录用户是否匹配，可枚举他人账户。

随机数质量问题：

• Sony PS3：签名时重用随机数 nonce → 私钥可被数学推导出
• Debian OpenSSL（2008）：开发者删除 PRNG 初始化代码，所有生成密钥可被猜测
• Android 比特币钱包：SecureRandom 未初始化 → ECDSA nonce 重复 → 私钥泄露 → 比特币被盗

5. 设计原则

目标与威胁模型层面

• 创建简单、通用的安全目标
• 通过更好的系统设计消除对不合理假设的依赖
• 不断学习、迭代（安全不可能一次做对）
• 纵深防御（Defense in Depth）：多层防御，单点失效不导致整体崩溃

实现层面

• 系统越简单，漏洞越少
• 将安全关键部分独立为小模块（如 HSM 硬件安全模块）
• 复用经过充分测试的代码和密码库
• 充分理解并测试边界情况

关键公式 / 定义

机密性（非正式）：对任意高效对手 $\mathcal{A}$，其输出与受害者秘密独立。

可行性阈值（实践经验值）：

$\text{运行时间} > 2^{128} \Rightarrow \text{不可行（infeasible）}$

$\Pr[\text{事件}] < 2^{-128} \Rightarrow \text{可认为永远不会发生（negligible）}$

安全的博弈定义（非正式）：

• 挑战者（Challenger）设置系统
• 对手（Adversary）在威胁模型约束下与系统交互
• 若对手无法以不可忽略概率违反安全目标，则称系统是安全的

公开漏洞数据库， 如https://www.cve.org/