密码技术

密码算法的特性

1、是否需要事先配送私钥：对称密码需要考虑

2、是否会遭到中间人攻击：非对称密码分发公钥时需要考虑

3、不可抵赖（可被双方 和 第三方 用原理证明）：非对称密码分发公钥时需要考虑

4、能否保证消息的机密性：即不可破译

5、能否保证消息的完整性（一致性）：即不可篡改

6、不可冒充（伪造）

总结：对称密码（解决456）--非对称密码之单向通信--> 混合密码（解决1） --非对称密码之数字签名--> 公钥证书（解决23）

概念

密码算法：加密算法 + 密钥 + 解密算法，简称密码

密钥空间：密钥的所有取值

隐蔽式安全性：以密码算法不为人所知，来保证机密性

分组密码：对明文进行分组加密，而非以全文作为输入

流密码：不分组，整体加密

破解密文的方法

1、窃听 + 破译

2、社会工程学

破解密钥的方法

1、暴力破解（密钥穷举），例如破译凯撒密码

2、频率分析，例如破译简单替换密码

3、选择明文攻击（对分组进行明文穷举）

加密系统的可选技术

隐写术：将消息藏在更大的数据中，例如藏头诗

伪随机数生成器

散列值（摘要，哈希值，指纹）：原文经过散列函数（摘要函数，哈希函数，杂凑函数，单向加密）计算出来的值

对称密码（共享密钥密码）：加密和解密用同一个私钥

非对称密码（公钥密码）：公钥加密，私钥解密

消息认证码

数字签名

公钥证书

碰撞：两个消息的散列值相同

弱抗碰撞性：给定一条消息，很难找到另一条消息与其散列值相同。防止以下情形，Bob持有一个消息A，计算其摘要；Alice找到与A散列值相同的另一条消息B，用B将A调包；由于摘要不变，不被Bob发觉

强抗碰撞性：很难找到两条散列值相同的消息。防止以下情形，Alice拿两个摘要相同的消息A和B，将A发给Bob；Bob计算其摘要；Alice再用B将A调包；由于摘要不变，不被Bob发觉

MD5（Message Digest 5）

历史：1991年Ronald Rivest 设计出MD5

现状：2004年王小云提出了MD5碰撞攻击算法

SHA

历史：1993年NIST发布SHA，1995年发布SHA-1，2002年发布SHA-2

现状：2004年王小云提出了SHA-0的碰撞攻击算法；2005年王小云提出了SHA-1的碰撞攻击算法

SHA-3

历史：2007年NIST发起选拔SHA-3，2012年Joan Daemen等人设计的Keccak算法被选定为SHA-3

弱伪随机数：随机性

强伪随机数：不可预测性

真随机数：不可重现性

随机数生成器：硬件可以通过热噪声实现真随机数

伪随机数生成器：软件只能生成伪随机数，需要一种子seed来初始化

伪随机数算法：线性同余法、散列法、密码法等

好的对称密码解决：不可破译

缺点：需要事先配送密钥

凯撒密码

加密算法：字母平移

密钥：平移位数

解密算法：逆向平移

破解密钥：穷举可能的密钥

简单替换密码

加密算法：一个字母替换成另一个字母

密钥：替换表

解密算法：逆向替换

破解密钥：对密文的字母 和 字母组合进行频率分析，与通用频率表对比；用破译出来的明文字母，代入密文，循环分析

Enigma密码

发明者：德国人Arthur Sherbius

加密算法：双重加密，每日密钥作为密钥1，想一个密钥2；用密钥1加密密钥2，得到密钥2密文；用密钥2加密消息；将密钥2密文和消息密文一起发出

密钥：密钥册子记录的每天不同的密钥

解密算法：用每日密钥解密密钥2密文，得到密钥2；用密钥2解密消息密文

破译者：Alan Turing 图灵

DES密码（Data Encryption Standard）

历史：1974年IBM公司的Horst Feistel开发出了Lucifer密码，1977年被美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）确定为DES标准

加密算法：以64比特为一组，进行16轮运算。在一轮中，把一组分为左侧和右侧，并从密钥中提取子密钥；轮函数用一侧和子密钥生成一个比特序列，用这个比特序列对另一侧进行异或运算（XOR）

密钥：长度56位

破译：可在现实时间内被暴力破解

三重DES密码（triple-DES，TDEA，3DES）

加密算法：将DES重复三次

密钥：长度 56 3

AES密码（Advanced Encryption Standard）

历史：1997年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）公开募集AES，2000年比利时密码学家Joan Daemen 和 Vincent Rijmen提交的Rijndael方案，被选为标准

加密算法：以128比特为一组，进行多轮的替换、平移、矩阵运算

密钥：有128,192,256三种长度

分组密码的迭代模式

ECB模式：Electronic CodeBook mode，电子密码本模式；明文分组 和 密文分组 顺序对应。主动攻击者可以改变密文分组的顺序，复制 或 删除密文分组，使得接受者解密后得到错误的明文

CBC模式：Cipher Block Chaining mode，密码分组链接模式；将本组明文 和 上组密文 进行异或运算后，在进行加密；如果被篡改，则不能正常解密

CFB模式：Cipher Feedback mode，密文反馈模式；将本组明文 和 上组密文 进行异或运算后，就得到本组的密文

OFB模式：Output Feedback mode，输出反馈模式；用随机比特序列作为初始化组（初始化向量）；用初始化组的密文和 明文分组 异或运算，得到密文分组；再次对初始化组密文进行加密运算，得到新的初始化组密文，跟下组明文进行异或运算，以此类推

CTR模式：CounTeR mode，计数器模式；用随机比特序列作为计数器的初始值，加密后与明文分组进行异或 *** 作，得到密文分组；计数器加一，对下组明文进行加密

对称密码中，发送方发送密文时，带上消息的MAC值A；接收方用相同方法计算出MAC值B；对比A和B，确保消息不被篡改

Encrypt-then-MAC：MAC值为消息密文的散列值

Encrypt-and-MAC：MAC值为消息明文的散列值

MAC-then-Encrypt：MAC值为明文散列值的密文

重放攻击：攻击者窃听到Alice给Bob发送的消息后，重复给Bob发送，Bob以为都是Alice发的

预防重放攻击：消息里带有一个id

比对称密码：不可篡改、不可伪造

缺点：需要实现配送私钥

基于口令的密码：Password Based Encryption，PBE

解决：密钥（会话密钥）保存问题

CEK：会话密钥

KEK：用来加密CEK的密钥

方案

1、随机数作为盐salt，口令 + 盐 的散列值作为KEK

2、用KEK加密CEK，得到CEK密文

3、只保存盐和CEK密文，人脑记住口令，丢弃KEK

字典攻击：如果没有盐参与生成KEK，那么口令决定了KEK，常用的口令对应一个常用KEK字典，攻击者直接拿常用KEK去解密CEK密文

盐的作用：KEK由盐参与形成，不可能有KEK字典包含这样的KEK

非对称密码单向通信，不能单独用于通信，只用在混合密码中

方案：Alice 给 Bob 分发加密密钥（公钥）；Bob用公钥加密消息，发送给Alice；Alice用解密密钥（私钥）解密

总结：消息接收者是密钥对主人，即私钥持有人；公钥用于加密，私钥用于解密

RSA密码

历史：1978年，Ron Rivest、Adi Shamir、Reonard Adleman共同发表了RSA

加密算法：密文 = 明文 E mode N

公钥：E 和 N的组合

解密算法：明文 = 密文 D mode N

私钥：D 和 N的组合

生成密钥对

生成质数：用伪随机数生成随机数，通过Miller-Rabin测试法测试它是不是质数，直到得到质数

求最大公约数：欧几里得的辗转相除法

1、求N

生成两个512位的质数p和q，N = p q

2、求L

L是p-1 和 q-1 的最小公倍数

3、求E

用伪随机数生成(1,L)范围内的随机数，直到满足E和L的最大公约数为1

4、求D

用伪随机数生成(1,L)范围内的随机数，直到满足(E D) mod L = 1

破解：对N进行质因数分解，得到p和q，从而求出D。但是对大数的质因数分解，未有快速有效的方法

首次通信为混合密码，后续通信为对称密码

比消息认证码：无需事先配送私钥

总体思路：Bob 用会话密钥加密消息，用Alice的公钥加密会话密钥，一起发给Alice；Alice用私钥解密会话密钥，用会话密钥解密消息

会话密钥：用来加密消息的 对称密码的密钥

1、Alice 给 Bob 发送公钥

2、Bob随机生成会话密钥，用会话密钥加密消息，得到消息密文

3、Bob用公钥加密会话密钥，得到会话密钥密文

4、Bob将会话密钥密文和消息密文一起发给Alice

5、Alice用私钥解密会话密钥，再用会话密钥解密消息

6、双方都有了会话密钥，从此以后，可以用对称密码通信了，带上消息认证码

缺点：分发公钥时，可能遭受中间人攻击；Alice可能对给Bob发送公钥这件事进行抵赖

中间人攻击：中间人从一开始Alice向Bob发放公钥时，就拦截了消息，得到Alice的公钥；然后伪装成Alice，向Bob发送自己的公钥；从而Bob打算发给Alice的消息，能被中间人解密

不能单独用于通信，只用在公钥证书中

明文签名：Alice用签名密钥（私钥）加密消息的摘要，把摘要密文和消息明文一起发给Bob；Bob解密摘要密文，得到摘要A；算出明文摘要B，对比A和B

总结：私钥用于加密，公钥用于解密，与 非对称加密之单向通信，刚好反过来

公钥证书：Public-Key Certificate，PKC，简称证书

认证机构：Certification Authority，CA

证书标准：国际电信联盟ITU 和 国际标准化组织ISO指定的X509标准

流程：

1、Alice在CA登记

2、CA生成Alice的证书明文，包含Alice登记的信息、Alice的公钥、CA信息

3、CA用自己的私钥加密证书明文部分，得到数字签名

4、证书明文部分 和 数字签名 组成PKC，颁发给Alice

5、Bob向Alice获取这个PKC，拿本地已有的CA公钥去验证证书，就得到了可信的Alice的公钥

6、从此Alice 和 Bob之间可以进行混合密码通信

首次通信为从CA获取PKC，后续通信为混合密码

比混合密码：防止了中间人攻击；CA不能抵赖自己的证书

历史：1994年网景公司设计出SSL，2014年SSL 30被发现安全漏洞，1999年IEIF发布TLS

TLS（Transport Layer Security）是SSL（Secure Socket Layer）的后续版本，在tcp和>

在密码学史上被称为永远无法破译的二战德国密码机是恩尼格玛密码机。

1918年，德国人Arthur Sherbius发明了一种能够进行加密和解密的密码机，叫做恩格尼码密码机（Enigma）。谢尔比乌斯使用能够转动的圆盘和电路，创造出前所未有的高强度密码算法。最初，Enigma只是用在商业领域，纳粹时期德国国防军正式采用Enigma作为传递军事情报的密码机。

在密码学史中，恩尼格玛密码机是一种用于加密与解密文件的密码机。确切地说，恩尼格玛是对二战时期纳粹德国使用的一系列相似的转子机械加解密机器的统称，它包括了许多不同的型号，为密码学对称加密算法的流加密。

恩尼格玛密码机的工作原理

Enigma由键盘、齿轮、电池和灯泡所组成。发送者和接收者都必须有Enigma，发送者使用Enigma将明文（军事信息）加密成密文并通过电报发送给接收者，接收者将收到的密文用Enigma解密得到明文。

键盘一共有26个字母键，键盘上方就是显示器，由26个灯泡组成，对应着26个字母。当键盘上的某个键被按下时，和这个字母被加密后的密文字母所对应的小灯泡就亮了起来。在显示器的上方是转子。当按下键盘上的一个字母键，相应加密后的字母在显示器上通过灯泡闪亮来显示，而转子就自动地转动一个字母的位置。

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