密码学概论之基本概念

news2024/12/23 1:37:45

本人信息安全专业，大三，为着将来考研做准备，打算按照自己目前的理解给大家唠唠密码学。

这个专栏我将从以下七个章节来聊聊密码学，若有不当之处，敬请指出。

• 密码学概论

• 流密码

• 分组密码

• 公钥密码

• 消息认证和Hash函数

• 数字签名和认证协议

• 密钥分配与密钥管理

这篇文章则主要是聊聊密码学的一些基本概念。

什么是密码学？

信息在网络中不总是安全的，存在着人为攻击以获取信息或破坏信息；其中获取信息属于被动攻击，破坏信息属于主动攻击，那么什么是被动攻击？什么是主动攻击？两者的区别是啥呢？

如上图所示，被动攻击只获取信息，不破坏伪造信息，也就是说不改变信息；而主动攻击则改变了传递的信息。两者的区别正在于是否改变了传递的信息。

正是由于信息或数据在网络中传递的这种不安全性，密码学应运而生。维基百科上是这样说的：密码学是对安全通信技术的研究，要能够有效的防范潜在攻击。

用通俗易懂的语言来说就是，密码学是研究如何安全传递信息的一门学科，其中包括加密解密、hash函数、数字签名等。加密解密实现数据的保密性，hash函数验证数据的完整性，数字签名验证发送方的身份。

很多同学可能把密码学等同于加密解密，事实上这种观点是不太全面的，毕竟仅仅实现数据保密还远远不够。

举个例子，假设你发现自己收到小明发来的好友申请，同意后，他发消息让你借给他一万元，说第二天还你两万，你傻呵呵地给他转过去了，结果第二天和小明说起这件事时，他却死不承认，“我昨天没给你发消息借钱呀，还什么钱？”

当然，这完全有可能发生，你以为对面给你发消息的是小明，事实上可不一定是小明，很可能是别人冒充小明的身份给你发消息。但是如果这时候你能够验证对方是不是小明，这个问题不就不存在了吗？假设验证结果显示对面确实是小明，第二天他就没法赖账不还了；而如果验证显示不是小明，那很显然你也不会被骗了。

结果，第二天你让小明还你两万的时候小明说：“我明明说的是到时候还你10002。”你傻眼了。这不都保证数据保密和验证身份了吗，他怎么还能抵赖呢？可别忘了，数据虽然保密了，但是保密不代表不被篡改，没准小明当时发送的确实是10002，被攻击方篡改，恰好改成两万了，这个又怎么说得清呢？但假设你能够验证数据的完整性，即是否被篡改，小明就算想抵赖也不成了。

大家是不是清楚多了呢？如果现在对这几个概念不太理解也没事，谁都是从不懂到懂的，知道有这么个概念就行，之后将详细讲解。

密码发展简史

大体分三个阶段

• 历史时期的古典密码加密手段（1949年之前加密技术的开拓）

– 恺撒密码

• 计算机出现以来的现代阶段（1949-1976年密码学成为一门科学）

– Shannon

• 公钥体系阶段（1976年之后公钥密码思想的出现）

– Diffie/Hellman、RSA

如果大家之前没接触过密码学，可能对这些概念不是很了解，没关系，咱们之后还会讲解的（如果没讲的话，可以提醒一下），我在这里也不过分解释了。

密码学基本概念

明文P：发送方即将要发送的消息。

密文C：明文经过密码变换后的消息。

加密E：由明文变换为密文的过程。

解密D：由密文恢复出原明文的过程。

加密算法：对明文进行加密时所采用的一组规则。

解密算法：对密文进行解密时所采用的一组规则。

K密钥：是一种特定的值，能使密码算法按照指定的方式进行，并产生相应的密文。

开始时，可能会把P和C搞混，把E和D搞错，在这里教大家一个小窍门，大家应该对Ciphertext不陌生，这是密文的意思，那自然C和P谁对应明文谁对应密文就很清楚了。什么？之前不知道这个单词？

那教大家个记忆方法，你看C是不是一个半圆，看起来快把自己包裹住了，为啥把自己包住呀，肯定有秘密呗，这不就记住了吗？另一个P自然对应着明文。当然，前提是你得清楚P和C一个是明文一个是密文，要是和E、D搞混了，我就爱莫能助了。不过，也不是没办法，记英语单词。

E和D也是同样的道理，加密的英文encrypt，解密的英文decrypt，记住一个的英文就记住另一个了，也不是必须记住英语单词，记首字母也行，但很容易就弄混了。当然也有个窍门，en前缀表示“使……成某种状态”，使明文被加密；de前缀表示“否定”，对密文进行反加密，即解密。这样是不是就清楚多了呢？

加密算法是对明文进行加密时采用的算法；解密算法则是对密文进行解密是采用的算法，举个栗子，小明给好哥们用英文发微信约他出去玩耍，又怕被女朋友发现，于是将每个英文单词向后移一位，得到的结果发给好哥们。小明和好哥们事先就约定好了，如果发的是一团奇奇怪怪的字母，那就说明字母往后移了一位。于是，收到消息的好哥们将字母往前一位以得到小明发来的消息。在这里，加密算法就是所有字母全都向后移一位；解密算法就是所有字母全向前移一位。在这个层面看，其实密码学也就是为了保证信息的安全性，所以运用数学知识进行一些变换，以达到数据安全的目的。

密码学基本术语

发送者：对明文进行加密操作的人员。

接收者：传送消息的预定对象。

敌手：在信息传输和处理系统中，通过搭线窃听、电磁窃听、声音窃听等方式来窃取机密信息。

加密密钥和解密密钥：加密算法和解密算法的操作通常都是在一组密钥控制下进行。

单钥密码体制（对称密码体制，分组密码体制）：传统密码体制所用的加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同，即从一个易于得出另一个。

双钥密码体制（非对称密码体制，公钥密码体制）：若是加密密钥和解密密钥不相同，即从一个难于推出另一个。

发送方顾名思义就是发送消息的一方，而消息如果以明文的形式发送很容易被窃取，于是自然发送方需要对信息进行加密，接收方收到消息后需要进行解密以获取消息，毕竟一串奇奇怪怪的东西谁看得懂呢？

加密密钥可以理解为一把钥匙，发送方用加密密钥对信息进行上锁，防止别的人看见或窃取；解密密钥也类似，接收方用解密密钥对信息开锁，获得锁里面的东西。我们的日常生活中，同一把钥匙既能上锁也能开锁，如果上锁时向左边转三圈，那开锁自然是向右边转三圈。密码学中与之对应的是对称密码，对称密码加密解密使用同一把密钥或易于从加密密钥得出解密密钥。

然而，密码学中还有一种密码：公钥密码，也被称为非对称密码。与对称密码不同，公钥密码使用一对密钥来进行加密和解密操作：公钥和私钥。在公钥密码中，发送方会生成一对密钥，其中一个是公钥，用于加密要发送的信息。公钥可以被任何人获取，并用于对信息进行加密。而私钥则由接收方保密，并用于解密被加密的信息。公钥密码的工作原理是基于数学上的难题，例如大素数分解或椭圆曲线离散对数等。通过这些数学问题的特性，公钥和私钥之间存在一种数学上的关联，使得使用公钥加密的信息只能通过私钥解密，而无法通过公钥本身推导出私钥。