密碼學入門科普

1、對稱加密和非對稱加密入門

1. 如何不被竊聽 —— 加密

• 這種加密方案在密碼學裏稱爲對稱密碼，加密方和解密方使用的是相同的密鑰。

• 知名的密碼算法有 AES（2001）、Blowfish（1993）、DES（1977），再遠一點，有二戰時期的恩尼格碼（轉輪機原理，德國）、紫色密碼（轉輪機原理，日本），以及著名的凱撒密碼（沒錯就是地中海北岸那個凱撒）、柵欄密碼等。

2. 如何交換密鑰 —— 非對稱加密

解決信道安全問題

• Bob 事先生成一對公鑰和私鑰，私鑰 pri 由本身保管，把公鑰 pub 發給 Alice。

• Alice 使用 pub 對消息內容進行加密，Bob 用 pri 進行解密。

• 須要注意的是， 只有私鑰才能夠解密，因此即便 Eve 竊取到了 pub（只有 pub 被傳輸而容易被竊取），她也沒法解密。

• 這種加密方式在密碼學裏稱爲非對稱密碼，所謂「非對稱」指的是加密方和解密方用的密鑰不同。

• 知名的非對稱算法有：DSA（數字簽名算法，只能用於簽名，1991）、ECC（橢圓曲線加密，1985）、RSA（公鑰加密算法，1977）等。

• 這些算法除了用於加密外，還能夠用於 數字簽名。非對稱算法有個致命弱點： 性能很低。實際應用中通常採用混合加密體制、哈希簽名體制。

3. 如何防止數據篡改 —— MAC

圖中的 MAC 指的是 消息認證碼（Message Authentication Code），你如今不需知道它的原理，只要記住 ：（1）傳入兩個參數 message 和 key，進行一系列計算後獲得一個值叫 MAC。（2）只有 message 和 key 相同的狀況下，才能獲得相同的 MAC。

• 消息認證碼有多種實現方式，其中最多見的是 HMAC（Hash MAC），即便用哈希算法來實現 MAC，還有一種是基於分組密碼算法的 MAC，不常見。

• 聰明如你，確定會想到若是 key 被竊取該怎麼辦？這就涉及到 數字簽名了，後文會講到。

4. 如何校驗身份 —— MAC

• MAC包含幾種實現方式：基於 HASH 的 MAC 稱爲 HMAC，應用比較普遍。

• 有些同窗應該接觸過阿里雲的 Access Key，其實就是 HMAC 的原理。

• 有些同窗在兩個系統之間API調用時，會使用同一個 key 作 md5 計算來實現 API 鑑權，這稱爲「加鹽HASH」，能夠簡單理解爲 HMAC 的簡化版。

• 一樣的，若是 key 被竊取該怎麼辦？這能夠用 數字簽名來解決。

5.更進一步 —— 數字簽名

發送方是用 私鑰進行簽名，而接收方用 公鑰 進行驗籤，這跟加密狀況正好相反。

6. 公鑰的身份證 —— 數字證書

僞造公鑰，Bob 須要事先生成公鑰 pub 和私鑰 pri ，而後把 pub 分發給 Alice。那麼攻擊過程就從這入手，Eve 生成本身的一對公鑰 pub' 和 私鑰 pri'，截獲 Bob 的 pub，並用本身的 pub' 冒充 Bob 的公鑰發給 Alice。

這是個「偷天換日」的過程，Eve 經過僞造公鑰（中間人攻擊），不光竊聽到 Alice 的消息，還能保證整個過程當中 Alice 和 Bob 都沒有察覺！

Eve 不是喜歡僞造公鑰嗎，Bob 此次就要請 Trent 爲本身的公鑰註冊一張 「身份證」 —— 數字證書。見證如見人，哦不對，見證如見公鑰！如下是註冊數字證書的過程：

• Bob 請求 Trent 爲本身的公鑰 pub 註冊一個證書。

• Trent 收到請求後，用本身的私鑰 pri ' 對 pub（以及身份信息） 進行簽名，獲得一個 sign。

• Trent 把證書 certificate = pub + sign 頒發給 Bob。

• Bob 把本身的證書 pub + sign 發給 Alice。

• Alice 使用 Trent 的公鑰 pub ' 對 sign 進行驗籤，若是校驗成功則說明 pub 的確是 Bob 的公鑰，由於她相信 Trent 的權威性。

Eve 不可能找 Trent 爲她辦一個 Bob 的數字證書，由於 Trent 不會贊成的，就像警察蜀黍不會給我辦一張別人的身份證同樣。因此，Eve 沒法僞造 Bob 的公鑰。

• 考慮到非對稱算法的效率問題，實際應用中通常是先對數據進行哈希，而後才用私鑰對哈希值（摘要）進行簽名。

• Trent 在密碼技術領域中通常稱爲 認證機構（Certification Authority，即 CA）。

• 以數字證書爲基礎，業界制定了一系列的規範和規格，好比由誰頒發證書、如何進行頒發、如何做廢證書等，稱爲 公鑰基礎設施（Public-Key Infrastructure，即 PKI）。

2、對稱加密常見密碼學

AES，DES，3DES，TDEA，Blowfish，RC5，IDEA

3、非對稱加密經典算法

RSA、Elgamal、揹包算法、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密算法）