網絡通信中數據信息安全保障技術分析

程錦華

（深圳市電信工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

數據信息安全保障技術的研究和應用對于確保網絡通信的可靠性、保護用戶隱私和防止惡意攻擊具有重要意義，這些技術的發展不僅需要深入理解網絡通信中的安全挑戰，還需要對現有的安全保障技術進行全面的分析和評估。目前，數據加密技術、身份驗證與訪問控制技術、數據完整性和防篡改技術以及安全傳輸協議等是網絡通信中常用的數據信息安全保障技術。然而，隨著網絡攻擊技術的不斷演進和威脅的日益復雜化，這些技術也面臨著挑戰和限制。因此，對于這些技術的分析、評估以及改進具有重要的研究價值。

1 網絡通信中的數據信息安全問題

1.1 數據機密性

機密性是指確保數據只能被授權的用戶或實體所訪問和理解，而對未經授權的人員保持不可見和不可理解。在數據傳輸過程中，存在著許多潛在的風險，如竊聽、攔截以及篡改等，這些威脅可能導致敏感信息泄露或被惡意利用。為了保護數據的機密性，許多加密算法被廣泛應用于網絡通信中[1]。對稱加密算法使用相同的密鑰進行數據的加密和解密，具有高效性和速度快的優勢，但密鑰的分發和管理可能存在安全隱患。非對稱加密算法的公鑰和私鑰配對，公鑰用于加密數據，私鑰用于解密數據，具有更高的安全性，但加解密過程相對較慢。

1.2 數據完整性

數據完整性是指數據在傳輸或存儲過程中沒有被意外篡改或損壞的特性。網絡通信涉及多個節點和傳輸路徑，其中任何一個環節的意外干擾都可能導致數據完整性受到威脅。數據完整性問題的出現可能導致信息的錯誤傳遞，進而影響決策和業務流程，例如金融交易中數據篡改可能導致交易金額錯誤或者資金轉移錯誤，從而引發經濟損失；在醫療保健領域，患者醫療記錄被篡改可能導致錯誤診斷和治療，危及患者生命。為了保障數據的完整性，可以使用哈希算法對數據進行校驗和計算，以便在傳輸過程中驗證數據是否被篡改。數字簽名技術也常用于保護數據完整性，通過在數據上附加簽名，可以驗證數據的來源和是否被篡改。此外，傳輸層安全協議也能夠通過加密和認證機制來確保數據在傳輸過程中的完整性。

1.3 數據的可用性

數據可用性是網絡通信中數據信息安全的重要方面，在保障數據機密性和完整性的同時，數據的可用性也需要得到充分關注。數據可用性受到多種因素的影響，包括硬件故障、網絡故障、惡意攻擊以及自然災害等，這些因素可能導致數據不可用，造成業務中斷、數據丟失或損壞，從而對組織的運作和用戶體驗造成嚴重影響[2]。為了提高數據的可用性，可以采取一系列的技術手段。例如，使用冗余存儲和備份策略，確保數據在硬件故障或自然災害發生時能夠及時恢復。同時，采用負載均衡和故障轉移技術，使系統能夠在出現網絡故障或服務器故障時保持高可用性。

2 數據信息安全保障技術

2.1 加密算法

2.1.1 對稱加密算法

對稱加密算法是一種常見的數據信息安全保障技術，使用相同的密鑰用于加密和解密數據。在對稱加密算法中，發送方使用密鑰將明文數據轉換為加密數據，而接收方則使用相同的密鑰將加密數據還原為明文數據。這種算法具有高效性和快速性的優勢，因為它使用的密鑰長度相對較短，加密和解密的過程非常迅速。盡管在保護數據安全方面具有一定的局限性，但在許多應用場景中仍然是一種重要的保障技術，在保護大量數據傳輸和存儲中發揮著關鍵的作用，尤其在要求高效性和快速性的場景中表現出色。未來，隨著計算能力的提升和量子計算的發展，對稱加密算法仍需要不斷演進和改進，以應對不斷增長的安全挑戰。對稱加密算法的流程如圖1 所示。

圖1 對稱加密算法

2.1.2 非對稱加密算法

非對稱加密算法是一種常用的數據信息安全保障技術，與對稱加密算法不同，非對稱加密算法采用了2個不同的密鑰，即公鑰和私鑰。公鑰用于加密數據，私鑰用于解密數據，這種算法的安全性基于數學難題，如大素數分解或橢圓曲線離散對數問題[3]。非對稱加密算法在網絡通信中的數據信息安全保障中扮演著重要的角色，通過合理的使用和結合其他數據安全技術，可以有效地保護數據的機密性和完整性，為用戶提供安全可靠的通信環境。

2.1.3 哈希算法

哈希算法的主要功能是將任意長度的輸入數據轉換為固定長度的哈希值，具有以下幾個重要特點。首先，它是單向函數，即從哈希值無法逆向推導出原始輸入數據。這種特性使得哈希算法在密碼存儲、數字簽名等場景中得到廣泛應用。其次，哈希算法具有固定輸出長度的特性，無論輸入數據的大小，輸出長度始終保持不變，這樣可以方便地用于校驗數據完整性。最后，哈希算法對輸入數據的任何細微改動都會導致輸出值的明顯變化，這被稱為“雪崩效應”，保證了數據的完整性。

2.2 訪問控制

訪問控制通過限制和控制對系統資源與數據的訪問，確保只有授權的用戶或實體能夠獲取所需的信息。訪問控制技術通過建立身份驗證和授權機制，對用戶進行身份驗證，確定其權限級別，并根據其權限級別授予或拒絕對系統資源的訪問。在訪問控制中，身份驗證是第一道防線。常見的身份驗證方式包括密碼、數字證書、生物特征識別等。用戶在登錄系統時需要提供有效的憑證以證明其身份合法性。一旦身份驗證成功，系統將為用戶分配相應的權限。授權是訪問控制的核心機制，用于定義用戶能夠訪問的資源范圍和操作權限。基于角色的訪問控制（Role-Based Access Control，RBAC）是一種常見的授權模型，將用戶組織成不同的角色，并為每個角色分配相應的權限。這種模型簡化了權限管理，提高了系統的可維護性和安全性。

2.3 安全傳輸協議

2.3.1 SSL/TLS 協議

安全套接層/傳輸層安全性（Secure Sockets Layer/Transport Layer Security，SSL/TLS）協議是一種廣泛應用于網絡通信中的安全傳輸協議，提供了一種加密和認證機制，用于保護數據在網絡傳輸過程中的機密性和完整性。SSL/TLS 協議基于公鑰加密和對稱加密算法，通過建立安全的通信通道，使通信雙方能夠進行私密的數據傳輸。其核心功能包括身份認證、加密和數據完整性保護。在握手階段，SSL/TLS 協議使用公鑰加密算法來進行服務器和客戶端的身份認證，確保雙方的身份可信。協議使用對稱加密算法來加密通信數據，保護數據的機密性[4]。同時，通過使用消息認證碼（Message Authentication Code，MAC）或哈希算法，SSL/TLS 協議能夠驗證數據的完整性，防止數據在傳輸過程中被篡改。

2.3.2 IPSec 協議

互聯網協議安全（Internet Protocol Security，IPSec）是一種廣泛應用于網絡通信中的安全傳輸協議，通過提供機密性、完整性和身份認證等安全服務，為IP數據包的傳輸提供了強大的保障。首先，IPSec 協議通過在IP 層對數據進行加密和驗證，有效防止了數據在傳輸過程中被篡改和竊聽。其次，IPSec 協議使用了多種安全機制，包括加密算法、完整性校驗和密鑰管理等。在加密算法方面，IPSec 支持多種對稱和非對稱加密算法，如數據加密標準（Data Encryption Standard，DES）、3DES、高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）、RSA 等，以適應不同安全需求的場景。通過使用這些加密算法，IPSec 可以對數據進行加密，使其在傳輸過程中難以被破解和解密。最后，IPSec 協議還使用了完整性校驗機制，如哈希消息認證碼（Hash-based Message Authentication Code，HMAC），用于檢測數據是否在傳輸過程中被篡改。通過計算并在數據包中添加校驗值，接收方可以驗證數據的完整性，確保數據沒有被非法篡改。

2.4 網絡防火墻技術

網絡防火墻技術用于保護網絡系統免受未經授權的訪問、惡意攻擊和信息泄露的威脅，通過在網絡邊界處建立安全的防御屏障，監控和過濾進出網絡的數據流量，以確保只有經過授權的數據能夠通過。可以根據特定的規則和策略對數據進行檢查與過濾，基于源IP 地址、目標IP 地址、傳輸協議、端口號以及數據包內容等多種因素進行決策。通過配置適當的規則，防火墻能夠限制不必要的網絡訪問、阻止惡意軟件傳播、防范拒絕服務攻擊和網絡入侵等安全威脅。除了基本的包過濾功能，現代的網絡防火墻通常還具備其他高級功能。例如，應用層防火墻可以深入分析數據包的應用層協議，以檢測和阻止潛在的攻擊行為。網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）功能可以隱藏內部網絡的真實IP 地址，增加網絡的安全性。虛擬專用網絡（Virtual Private Network，VPN）功能可以建立安全的遠程訪問連接，使遠程用戶可以通過加密的隧道安全地訪問內部網絡資源。然而，隨著網絡攻擊技術的不斷演進和網絡環境的復雜化，網絡防火墻技術也面臨一些挑戰。例如，傳統的防火墻難以有效應對零日漏洞攻擊和高級持續性威脅（Advanced Persistent Threat，APT）等新型威脅。此外，隨著移動設備和物聯網的普及，防火墻需要適應新的網絡架構和通信方式，以保護各種類型的終端設備與應用程序[5]。

2.5 入侵檢測與預防技術

入侵檢測與預防技術旨在識別和阻止未經授權的訪問及惡意活動，以保護系統與網絡免受攻擊和入侵。入侵檢測系統（Intrusion Detection System，IDS）通過監測網絡流量和系統活動，識別潛在的入侵行為，可以分為基于網絡的IDS 和基于主機的IDS。基于網絡的IDS 監控網絡流量，分析數據包內容和行為特征，檢測異常活動和已知攻擊簽名；基于主機的IDS 則監控主機系統的活動，識別異常進程、文件修改和權限變更等。入侵預防系統（Intrusion Prevention System，IPS）在檢測到潛在入侵后，采取主動措施來阻止攻擊，可以通過阻斷惡意流量、攔截攻擊請求或重新配置網絡規則來實現防御。IPS 能夠與IDS 結合使用，實現實時監測和自動響應，提高網絡的安全性和響應能力。未來入侵檢測與預防技術需要進一步發展和創新，基于機器學習與人工智能的方法可以提高檢測系統的準確性和自適應性，使其能夠識別未知攻擊和零日漏洞。同時，與其他安全技術的集成和協同配合也是提升整體安全性的關鍵。對于入侵預防技術而言，自動化響應和實時更新的能力將成為未來發展的方向，以應對日益復雜和高級的攻擊手段。

3 結 論

數據的機密性、完整性以及可用性是網絡通信中的關鍵安全問題，為了解決這些問題，現有的數據信息安全保障技術提供了多種解決方案，包括加密算法、訪問控制、安全傳輸協議、網絡防火墻以及入侵檢測與預防技術等。惡意攻擊和高級持續性威脅對數據安全構成威脅，需要持續研究和創新來應對新興的安全威脅。隨著技術不斷發展，數據量增長和數據傳輸速度的提升也對數據信息安全提出了新的要求，需要進一步研究和發展數據信息安全保障技術，以應對不斷變化的威脅和需求。