數據加密以及國密基礎知識

數據加密以及國密基礎知識

• 加密基礎知識
• • 爲何要進行加密
  • 密碼學的發展史
  • • 古典密碼學
    • • 置換密碼加密法
      • 柵欄加密法
      • 代換密碼
    • 現代密碼學
    • • 百科
      • 基本準則
      • 密碼體制的安全性
      • 現代密碼破譯(密碼分析)
      • 密碼體制
• 國際標準加密算法
• • 對稱性祕鑰加密
  • • DES
    • • 簡介
      • 安全性
    • AES
    • • 簡介
      • 安全性
    • IDEA
    • • 簡介
      • 安全性
    • 非對稱性祕鑰加密
    • RSA
    • • 簡介
      • 安全性
    • DSA
    • • 簡介
      • 安全性
  • 單向散列算法
  • • MD5
    • • 簡介
      • 安全性
    • SHA
    • • 簡介
      • 安全性
• 國密
• • 非對稱密鑰加密 - SM2橢圓曲線算法
  • 單向散列算法 - SM3雜湊算法
  • 對稱密鑰加密 - SM4分組密碼算法
  • 總結
• 經常使用加密工具及資源

加密基礎知識

爲何要進行加密

數據加密是爲了保證 數據存儲 和 傳輸中 的保密性、完整性、及進行身份驗證。

密碼學的發展史

古典密碼學

置換密碼加密法

置換密碼(Transposition Technique): 將明文字母互相換位，打亂順序。

柵欄加密法

柵欄加密法(Rail Fence):就是把要加密的明文分紅N個一組，而後把每組縱向連起來，造成一段無規律的話。

代換密碼

代換密碼(Substitution Technique) : 將明文的每一個字母用密文字母或符號替代。

• 維吉尼亞密碼
  
  好比咱們協定
  
  
• 第一行是密鑰字母列
• 第一列是明文字母行
• 密鑰爲： redio

現代密碼學

百科

現代密碼學 研究信息從發端到收端的安全傳輸和安全存儲，是研究「知己知彼」的一門科學。其核心是密碼編碼學和密碼分析學。前者致力於創建難以被敵方或對手攻破的安全密碼體制，即「知己」；後者則力圖破譯敵方或對手已有的密碼體制，即「知彼」。

基本準則

基本原則(Kerckhoff原): 安全的加密算法創建在算法的公開不用想文明和祕鑰的安全

密碼體制的安全性

• 無條件安全
  即便破譯者提供了無窮的資源，依然沒法破譯，則該密碼體制是無條件安全的，也稱爲完善保密性（PerfectSecrecy）。
  

• 可證實安全性
  該方法是將密碼算法的安全性歸結爲某個數學難題，而這個數學難題被證實在目前求解是困難的。
  

• 計算安全性
  指在目前的計算資源條件下，破譯該密碼算法所須要的努力超出了破譯者的破譯能力（諸如時間、空間、資金等資源）。該密碼算法的安全是暫時的，也稱爲實際安全性（PracticalSecrecy）。
  

現代密碼破譯(密碼分析)

• 窮舉法
  密碼分析者試圖試遍全部的明文或密鑰來進行破譯。
  – 窮舉明文-主要用於公鑰密碼技術及數字簽名。
  – 窮舉密文-增長祕鑰長度、添加隨機冗餘信息進行預防。
  
  
  

• 統計分析法
  密碼分析者經過分析密文、明文和密鑰的統計規律來達到破譯密碼技術。
  – 使明文的統計特性與密文的統計特性不同來預防。
  
  

• 密碼體制分析法
  根據所掌握的明文、密文的有關信息，經過數學求解的方法找到相應的加解密算法。
  – 選用具備堅實數學基礎和足夠複雜的加解密算法來預防。
  
  

密碼體制

• 明文P（Plaintext）或 M（message）：消息的初始形式
• 密文C（Cipher Text）：加密後的形式
• 祕鑰K（Key）：加密或解密算法用的隨機數
• 加密E（Encryption）：C=Ek( P)，E爲加密算法
• 解密D（Decryption）：P=Dk( C)，D爲解密算法
• 知足：P=D(E( P))

國際標準加密算法

對稱性祕鑰加密

加密密鑰、解密密鑰能夠相互推算得出，一般是相同的

DES

Data Encryption Standard 數據加密標準

簡介

• 由IBM公司研發，並於1977年定爲美國聯邦信息加密標準。
• 它是一種分組密碼，以64位爲分組對數據加密，它的密鑰長度是56位（每一個第8位做爲奇偶校驗，共64位），加密解密用同一算法。

安全性

• DES如今已經不是一種安全的加密算法，主要由於它使用的56位密鑰太短。。
• 1999年1月，distributed.net與電子前哨基金會合做，在22小時15分鐘內即公開破解了一個DES密鑰。
• 爲了提高安全性，派生了3DES。但如今它們已經被AES取代。

AES

Advanced Encryption Standard 高級加密標準

簡介

• 1997年，美國國家標準與技術研究所NIST開始徵集新一代數據加密標準來接任即將退役的DES。2000年10月，由比利時密碼學家JoanDaemen和VincentRijmen發明的Rijndael密碼算法當選成爲新一代數據加密標準——AES（Advanced Encryption Standard）。2001年11月26日，NIST正式公佈高級加密標準，並於2002年5月26日正式生效。
• 分組密碼算法，分組長度是128位，密鑰長度爲128，192和256位；

安全性

• 速度比3DES快，安全性至少和3DES同樣。
• 目標：能抗擊全部的已知攻擊；在廣大範圍平臺上的快速和代碼簡潔；

IDEA

International Data Encryption Algorithm 國際數據加密算法

簡介

• 由瑞士聯邦理工學院Xuejia Lai和James Massey的在1990年提出的
• 以64位分組爲單位，使用128位密鑰，加密數據。

安全性

• 比DES更加安全，最近幾年提出的用來替代DES的許多算法中的一種。
• 密碼強度包括分組長度、密鑰長度、混淆（Confusion）和擴散（Diffusion）。
• 方便硬件和軟件實現：經過由超大規模集成電路（VLSI）進行的硬件實現的設計目標是取得高速度，而軟件實現則有靈活和低價的優勢。

非對稱性祕鑰加密

• 加密、解密密鑰不相同，不能推算。通訊模型1-數據加密
  
  

• 加密、解密密鑰不相同，不能推算。通訊模型2-數字簽名
  
  

RSA

簡介

• 1978年，R.L.Rivest，A.Shamir和L.Adleman實現了RSA公鑰密碼學，此後成爲了公鑰密碼學中傑出的表明。
• 兩個相關密鑰中任何一個均可以用做加密而讓另外一個用做解密（數據加密與數據簽名）
• SA算法的安全性依賴於大整數分解因子的難度。。

安全性

• 1999年末，有人把512位的整數分解因子，512位的RSA祕鑰被破解。。
• 就目前的計算機水平，用1024位的密鑰是安全的，2048位是絕對安全的。
• 私鑰的長度和安全性是保證RSA加密算法安全的重要手段。

DSA

• Digital Signature Algorithm 簽名算法

簡介

• Schnorr和ElGamal簽名算法的變種
• 驗證時計算 w = s^(-1)mod q

安全性

• DSA是基於整數有限域離散對數難題的，其安全性與RSA相比差很少。
• DSA的一個重要特色是兩個素數公開，這樣，當使用別人的p和q時，即便不知道私鑰，你也能確認它們是不是隨機產生的，仍是做了手腳。RSA算法卻作不到。

單向散列算法

單向散列算法，又稱hash函數，Hash函數（也稱雜湊函數或雜湊算法）
將任意長度的二進制值映射爲較短的固定長度的二進制值，這個較短的固定長度的二進制值稱爲哈希值

MD5

Message Digest Algorithm 信息摘要

簡介

• MD系列單向散列算法是Ron Rivest設計的，包括MD二、MD4和MD5。
• 以變長的信息爲輸入，把其壓縮成一個定長128位（即32位16進制）的散列值輸出。例如：2db3f62a87dfd43714394a0d971060ea

安全性

• MD5的安全性弱點在於其壓縮函數的衝突已經被找到。1995年有論文指出，花費 1,000萬美圓，設計尋找衝突的特製硬件設備，平均在24天內能夠找出一個MD5的衝突。
• 主要破解手段：使用彩虹表記錄明文與密文之間的對應關係，根據得到的密文從彩虹表查找其對應的明文。

SHA

• Secure Hash Algorithm，安全哈希算法

簡介

是美國國家標準技術研究所發佈的國家標準FIPS PUB 180，最新的標準已經於2008年更新到FIPS PUB 180-3。其中規定了SHA-1，SHA-224，SHA-256，SHA-384，和SHA-512這幾種。SHA-1，SHA-224和SHA-256適用於長度不超過2^{64二進制位的消息。SHA-384和SHA-512適用於長度不超過2}128二進制位的消息。

安全性

• 2005年，密碼學家就證實SHA-1的破解速度比預期提升了2000倍。隨着計算機發展，計算速度的加快，SHA-1算法的安全性逐年下降，如今逐漸由安全強度更高的SHA-2（SHA-25六、HSA-512）替代它。

國密

非對稱密鑰加密 - SM2橢圓曲線算法

• SM2算法就是ECC橢圓曲線密碼機制，包括:
  – 數字簽名算法（包括數字簽名生成算法和驗證算法）。
  – 密鑰交換協議
  – 以及公鑰加密算法（包括加密算法和解密算法）。
  
  
  
• 在簽名、密鑰交換方面不一樣於ECDSA、ECDH等國際標準，而是採起了更爲安全的機制。
• SM2推薦了一條256位的曲線做爲標準曲線。

單向散列算法 - SM3雜湊算法

• SM3算法適用於商用密碼應用中的:
  – 數字簽名和驗證。
  – 消息認證碼的生成與驗證
  – 以及隨機數的生成。
  
  
  
• 在SM2，SM9標準中使用。
• 此算法對輸入長度小於2的64次方的比特消息，通過填充和迭代壓縮，生成長度爲256比特的雜湊值。
• 其中使用了異或，模，模加，移位，與，或，非運算，由填充，迭代過程，消息擴展和壓縮函數所構成。

對稱密鑰加密 - SM4分組密碼算法

• SM4算法主要用於無線局域網產品。該算法的分組長度爲128比特，密鑰長度爲128比特。
• 加密算法與密鑰擴展算法都採用32輪非線性迭代結構。解密算法與加密算法的結構相同，只是輪密鑰的使用順序相反。
• 此算法採用非線性迭代結構，每次迭代由一個輪函數給出，其中輪函數由一個非線性變換和線性變換複合而成，非線性變換由S盒所給出。

總結

經常使用加密工具及資源

• 工具類
  – SM.js
  
• 書籍 – 《Java加密與解密的藝術》 – 《Communication Theory of Secrecy Systems》