信息安全第四篇（加密解密及安全网络通信模型）

一、前言

加密技术是一门古老而深奥的学科，长期以来，都应用在很小的范围，如军事、外交、情报等部门。

公元前405年，斯巴达的将领就使用了原始的错乱密码；公元1世纪，罗马皇帝凯撒就使用了有序的单表代替密码。中国古代出现的“符”，也是一种数据加密的方法。

20世纪初，电子通讯技术的发展，尤其是两次世界大战中，密码通讯和第三方解密的较量更为激烈。

但计算机技术的出现，互联网技术的迅猛发展，到今天，有成千上万的组织和个人需要保护自己的隐私数据，需要保护相互通讯中的数据安全，这就为数据加密解密提供了用武之地。

那什么是加密和解密呢？简单来说：

加密，即采用一些方式对数据进行处理后，使数据从表面上看，已经不能表达出原有的意思。

解密，就是对加密过的数据采用某些方法，去还原原有数据面貌，从而了解所包含信息的真实意图。

 

二、名词解释

明文：待加密的报文

密文：加密后的报文

密钥：加密过程中或解密过程中输入的数据

算法：将明文和密钥相结合进行处理，生成密文的方法，叫加密算法；或将密文和密钥相结合进行处理，生成明文的方法，叫解密算法。

 

三、加密技术分类

（一）单向加密

将数据进行计算变成另一种固定长度的值，而且这种行为不可逆。

这种加密算法具备几个特点：

定长输出，碰撞几率极低

相同消息反复加密获得同样的密文

雪崩效应，即使微小的单个字节的变化，也能引起加密结果的巨大变化

密文不可逆，即从密文不可以推出原明文。

常用算法

MD5、SHA1、、SHA256、SHA384、SHA512

 

（二）对称加密技术

使用同一个密钥，对数据镜像加密和解密，这种加密技术，称为对称加密。

常用算法：

DES，3DES，IDEA，AES

优点

算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高

缺点

不同通讯双方使用不同密钥，导致密钥过多，难以管理

通讯双方密钥交换，无法保证安全

无法验证发送者和接受者身份

数据完整性无法保证

 

（三）非对称加密技术

Public-key cryptography，即公开密钥加密，又称非对称加密。在这个加密过程中，需要一对密钥，不公开的密钥称为私钥，公开的那一个密钥称为公钥。

常用算法：

RSA，DSA，EIGamal

优点

密钥数目较少。

从一对密钥中的任何一个密钥都不能计算出另一个密钥。

使用一对密钥中的任何一个加密，只有另一个密钥才能解密。如果截获公钥加密数据，没有私钥也无法解密。

缺点

算法复杂，加密解密速度要慢

密钥交换也不是非常安全

 

应用场景

1、A和B之间通信，首先互相发送各自的公钥给对方

2、A发数据给B，A将用B的 公钥加密 数据后发送给B

3、B收到这个数据后，B使用自己的私钥来解密数据。其他人截获了A发出的数据也没有用，他没有私钥。

注：如果2、3步骤中，A发给B的用B公钥加密的数据被C掉包，即使A的数据中，有自己数据的指纹信息，但是由于B的公钥是公开的，任何人都能获取B的公钥，C就可以做一个一样格式的数据包给B。B无法验证这就是A发过来的。

 

4、如果A用自己的 私钥加密 数据后，发送给B

5、B使用A的公钥解密数据成功，就能证明这段数据数据确实是A是发送者。

身份认证：  

以上步骤4、5中使用私钥加密后发布数据，数据的接受者可以使用发布者的公钥来验证数据的完整性，接受者由此可知这条信息确实来自私钥拥有者，这也被称为数字签名。解决了数据的不可否认性。

 

四、安全网络通信模型

从以上的介绍中可以看出，各种加密算法都有其特点和适用性：

• 使用非对称加密，发送者A使用私钥加密，接受者B能够验证数据的发送者A是谁，由于所有人都能使用发布者A公钥解密，这种方法只能适合发布公开的信息。

• 接受者B的公钥是公开的，用它加密数据后发给B，有可能被截获掉包。

• 非对称加密算法，加密速度很慢，强度高。对称加密算法，速度快，但是密钥交换是个问题。

• 单向加密不可逆，接收者无法还原到明文。

那么，就需要一种通信模型能够扬长避短，解决通信安全的问题，于是便有了下面的模型：

通信工作流程

1、发送者A准备好信息明文。

2、发送者A对信息进行哈希运算（单向加密算法），得到一个信息摘要。

3、发送者A使用自己的私钥（SK）对信息摘要进行加密，即数字签名，之后将其附件在发送的信息上。（实现不可否认性）

4、发送者A随机生成一个对称加密密钥，并使用它对发送的信息包括摘要进行对称加密，生成密文。

5、发送者A再使用接收方的公钥（PK）对第4步使用的随机对称密钥进行加密，之后将其附加至第4步生成的密文上，一并发给接收者B。

6、接收者B收到发送者A的密文后，首先使用自己的私钥（SK）解密出对称加密的密钥。

7、接收者B使用对称密钥解密密文，得到附加摘要的信息明文。

8、接收者B使用发送者的公钥（PK）解密摘要，获得哈希值

9、接收者B使用同样的哈希算法再次对信息明文计算，得到新的信息摘要，与解密后的摘要比对，如果一致，则说明收到的信息明文未被篡改。（保证数据完整性）

 

五、总结

以上的通信模型很好的解决了数据完整性、不可否认性，但这个模型的依赖的关键点是双方公钥。

这个模型中双方公钥来源无法验证，而且在通讯前，如何获得每个人的可信任的公钥也成了整个系统的关键。

因此，需要一套系统，能够解决以上存在的种种问题：身份认证、数据完整性、密钥交换、操作的不可否认性，它就是PKI。

 

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