密码学概论

news2024/11/26 6:02:33

1.密码学的三大历史阶段：

第一阶段古典密码学依赖设备，主要特点数据安全基于算法的保密，算法不公开，只要破译算法密文就会被破解，在1883年第一次提出加密算法应该基于算法公开不影响密文和秘钥的安全；衡量加密算法的安全是所需要话费的时间，一般电脑需要300年才能破译认为强度是安全的
第二阶段计算机的出现进入电子密码学阶段，加密算法公开主要特点：数据安全基于秘钥安全而不是算法的保密。衡量保密强度是破译的时间
第三阶段：公钥密码使得发送端和接收端无秘钥传输的保密通讯成为可能。

2.加解密的基础操作：

1. 置换：按照规则替换内容信息

置换是用一个特定的值替换另一个特定值得过程
置换需要通信双方事先通知置换的方法
置换比较简单，频繁使用会找到规律
上例中置换基础原则为：基数未ASCII 码值加1，偶数为 ASCII 码值加2

2. 移位：打乱字母的排列顺序

移位把某个字母以前或其后几位的某个特定字母替代
移位具有规律，容易被攻破

3. 编码：ASCII编码 BASE64编码

3.加密算法分类

密码设计的基本公理是算法公开
系统安全性仅依赖于秘钥的保密性

加密算法的分类：

对称秘钥密码算法（又称私有秘钥算法）
非对称秘钥密码算法（又称公钥密码算法）

加密算法秘钥强度对比：

4.对称加密算法：

使用同一秘钥进行加密解密
优势：加解密速度快，密文是紧凑（密文和原文大小相差不大）安全的
缺点：秘钥分发，秘钥存储和管理无法解决秘钥在传输、存储过程中的安全。缺乏对数字签名/不可否认的支持

著名对称加密算法：

➥ DES 3DES

DES 是一种块或分组加密算法 (Data Encryption Standard）
20世纪70年代 IBM 公司发明
DES 秘钥固定 56bit太短 不安全（暴力破解）,需要经常更换秘钥， 3DES 可解决秘钥短带来的安全性
DES 以块模式对 64bit 的源文块 进行操作
使用 DES CBC模式（ IV 向量）增加安全性, 3DES 秘钥放大3倍，168位以提高安全性

➥ ASE （Advanced Encrytion Standard）

1997年颁布用于取代 DES加密算法
适合高速网络，适合在硬件上实现
使用128位， 192位或256位的秘钥块（还能以32bit 扩展）
3DES 的替代加密方案，硬件运行效率高适用于无线、音视频加密

➥ RC 系列轻量级速度块对硬件要求低（RC2, RC4, RC5）这里主要讲下 RC4

Rivest 设计
秘钥长度可变
流模式加解密算法，面向bit 操作
算法基于随机置换
RC4 应用范围广（https/WEP/WPA） WPA2-AES

➥ IDEA 国际数据加密算法

分组长度64位，秘钥长度128位
设计原理：来自不同代数群的混合运算
```
➥ 异或
➥ 模216加
➥ 模216 + 1 乘
```

➥ CASR

➥ Blowfish

Bruce Schneier 设计
秘钥长度可变
易于软件快速实现，所需存储控件不到5KB
安全性可以通过改变秘钥长度进行调整
适用于秘钥不经常改变的加密
不适用于需要经常交换秘钥的情况

5. 公钥加密算法（非对称加密算法）：

公钥加密比私钥出现的晚
私钥加密使用同一个秘钥来加密和解密信息
私钥可以生成公钥，私钥加密公钥解密；公钥加密私钥解密
公钥加密使用两个秘钥，一个秘钥用来加密信息，另外一个用来解密信息
应用：公钥加密保密性，私钥签名数字签名

优点：私钥不用存储/传输公钥可传输，可以保证秘钥在传输过程中的安全。
缺点：加密相对速度慢，密文不紧凑， 可以和对称加密相互配合使用

常用的公钥加密算法：

➥ RSA 最主流的公钥加密算法

1977年由 Ron Rivest, Adi Shamir 和 Len Adelman 开发
专利于2000年9月到期
秘钥长度在512 - 8192 bit 之间
安全性基于 大素数因子分解的困难性
RSA 比用软件实现的DES慢 100倍
RSA 比用硬件实现的DES慢 1000倍
RSA 的主要用途： 解码数字签名和密钥交换（加密散列秘钥）

➥ HD （Diffie-Hellman）

1976年 Whitfield Diffie 和 Martin Hellman 发明
解决对称加密系统中的秘钥的发布问题
无需使用代价高昂既可对秘钥达成共识
安全性来基于很难计算出很大的离散对数
现在秘钥管理中提供其他算法的秘钥管理

➥ DSA

➥ ECC 区块链中的椭圆加密算法

1985年提出
原理：给定椭圆曲线上的两个点 A和B，如A = kB,要找到整数 k非常困难
秘钥更小：与1024位和RSA秘钥具有同样的安全性的秘钥只有 160位

公钥加密算法常见的应用：

加密&解密
数字签名：发送方用自己的私钥签署报文，接收方用对方的公钥验证对方的签名
秘钥交换：双方协商回话秘钥

6. 数字签名：

➥ RSA 提供认证和抗抵赖性（私钥签名）

➥ 数字签名 Digital Signature

7. 数字证书与CA

CA（Certificate Authority, 电子商务认证授权机构）解决签名认证问题，类似身份证颁发机构

8. 哈希与HMAC

哈希 Hash(也叫散列函数), 常用的有：MD5 SHA
将一段数据（任意长度）经过计算，转化为一段 定长的数据
不可逆性 几乎无法通过Hash 结果推导出原文，既无法通过 x 的 hash 推导出 x
无碰撞性   几乎没有可能找到一个 y, 使得 y的 Hash 值等于x的 hash值
雪崩效应   输入轻微变化 Hash 输出值产生巨大变化
单向          不可能从散列值推出原始数据
使用场景
1.发布文件的完整性验证  篡改， 如金融类软件  MD5
2.服务器中保存用户密码
3.数据签名