密码学（一）—— 背景、常用的密码算法简介，单向散列简介、数字签名简介
背景
密码，最初的目的就是用于对信息的加密，计算机领域的密码技术种类繁多，但随着密码学的运用，密码还用于身份认证，防止否认等功能上。最基本的，是信息加密解密分为对称加密和非对称加密，这两者的区别在于是否在加密解密时是否使用了相同的密钥。除了信息的加密解密，还有用于确认数据完整性的单向散列技术，又称魏密码检验、指纹、消息摘要。信息的加密解密与信息的单向散列的区别时，加密解密是可以通过密钥来获取其加密的数据信息的，而单向散列则是不可逆的，信息的加密解密，数据信息或者密钥是不定长的，而单向散列可以是定长的。结合加密解密技术和单向散列技术，又有了用于防止篡改的消息认证码技术，防止伪装的数字签名技术以及认证证书。
常用的密码算法：
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对称加密体系
简介：加密解密的过程中使用的是同一个密钥，也称之为单密钥加密。
密文：加密后的结果。明文：需要被加密的信息。
对称加密的问题：
密钥的配送：接收者a收到b发送来的密文，a想要解密，就必须使用和b进行加密时相同的密钥，因此b必须要把密钥也发送给a，但是这样就产生了一个矛盾，如果有一种方法能将密钥安全的发送出去，那么也可以使用这种方式来发送明文。
对称加密的实例：
1.DES
DES是美国联邦信息处理标准中所采用的一种对称加密算法。是一种将64比特的明文加密成64比特密文的对称密码算法，它的密钥长度是56位，尽管从本质上说它的密钥是64位，但是由于每隔7位会设置一个用于错误检查的比特，奇偶校验位，因此实质上密钥的长度是56比特，DES以64比特明文为一个单位进行加密，DES每次只能加密64比特的数据，如果待加密的明文过长，就需要对DES加密进行迭代，迭代的具体方案称之为模式，具体的迭代模式会在这里讲解：https://mp.csdn.net/postedit/82468369
2.3DES：详解及Go语言实现实例：https://blog.csdn.net/The_Reader/article/details/82502945
三重DES是为了增强DES的强度，将DES重复3次所得到的一种密码算法。
3DES的加密机制为：
说明：1.明文经过三次DES处理才变成最后的密文，由于DES密钥的长度实际上是56比特，因此三重DES的密钥长度就是56*3 = 168 比特，2.三重DES并不是进行三次加密（加密->加密->加密）。而是加密->解密->加密的过程，这种设计是为了让3DES能够兼容普通的des，当三重DES密钥全部相同时，3重DES就相当于普通的DES，这是因为在前两轮加密->解密之后，得到的就是最初的明文，因此之前的des加密的密文，也就可以通过这种方式用三重des来进行解密。
3des解密机制：
3.AES
AES是取代其前任标准DES新的对称加密算法，其是通过公开竞选而指定的，在评选AES的时候不仅考虑到了算法的弱点，还考虑了算法的执行速度和实现的难度。
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非对称加密体系
简介：非对称加密也称之为公钥密码，密钥分为两种分别为加密密钥和解密密钥，发送者使用加密密钥加密数据，消息接收这使用解密密钥解密数据，解密密钥一开始就有接收者自己保管，因此只要将加密密钥发送给对方就可以解决密钥配送问题。由于加密密钥可以任意公开，因此该密钥也被称之为公钥，解密密钥绝对不能公开，只能由自己保管，因此也被称之为私钥，公钥和私钥是一一对应的关系，由公钥加密的文件只能由对应的私钥进行解密。
总结：
- 发送者只需要知道加密密钥
- 接收者只需要知道解密密钥
- 解密密钥不可以被窃听者获取
- 加密密钥被窃听者获取也没问题
公钥密码的通信流程：
非对称加密流程：
- 接收方生成公私钥对，私钥由接收方保管
- 接收方将公钥发送给发送方
- 发送方通过公钥对明文加密，得到密文
- 发送方向接收方发送密文
- 接收方通过私钥解密密文，得到明文
非对称加密实例：
ECC椭圆曲线算法
椭圆曲线密码学（英语：Elliptic curve cryptography，缩写为ECC），一种建立公开金钥加密的算法，基于椭圆曲线数学，椭圆曲线在密码学中的使用是在1985年由Neal Koblitz和Victor Miller分别独立提出的。
ECC的主要优势是在某些情况下它比其他的方法使用更小的密钥——比如RSA加密算法——提供相当的或更高等级的安全。ECC的另一个优势是可以定义群之间的双线性映射，基于Weil对或是Tate对；双线性映射已经在密码学中发现了大量的应用，例如基于身份的加密。不过一个缺点是加密和解密操作的实现比其他机制花费的时间长。
RSA加密算法：概念及实例详解：https://blog.csdn.net/The_Reader/article/details/82503060
RSA加密算法是一种非对称加密算法。在公开密钥加密和电子商业中RSA被广泛使用。RSA是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。RSA 的安全性，是基于现阶段对大整数的质因数分解未发现高效的算法。一旦发现，则 RSA 就能够破译。
强度比较：密码强度，默认的 RSA 长度为 2048 bit
| AES（bit） | RSA（bit） |
|---|---|
| 128 | 3072 |
| 192 | 7680 |
| 256 | 15360 |
存在问题：
- 效率慢，因此工业场景下，往往是通过非对称加密配送密钥，对称加密加密明文的混合加密方式，最著名的如 SSL
- 公钥认证问题难。消息发送方无法确认公钥的身份问题，应该收到甲的公钥，却收到了乙的。
- 无法避免中间人攻击。可能被人于中间劫持后，发送一个伪造的公钥，此公钥加密后的密文，可以被劫持者解密，之后所有的密文都对劫持者透明了。
- 选择密文攻击，即通过不断的发送请求，分析请求的反馈，猜测密钥和明文。有改良算法 RSA-OAEP （Optimal Asymmetric Encryption Padding）最优非对称加密填充，该算法是通过对明文前加入认证信息头，若信息头校验失败，则拒绝请求。
- 密码劣化，随着算力的提升，密码的安全性下降。
单向散列
单向散列技术是为了保证信息的完整性，防止信息被篡改的一项技术。
特点：
- 无论消息长度，计算出的长度永远不变
- 快速计算
- 消息不同，散列值不同，需要具有抗碰撞性 Collision Resistance
- 弱抗碰撞性：给定散列值，找到和该消息具有相同散列值的另一条消息是困难的
- 强抗碰撞性：任意散列值，找到散列值相同的两条不同的消息是困难的
- 具有单向性 one-way，不可由散列值推出原消息
单向散列算法
MD（Message Digest）
MD 散列算法分为 MD4, MD5 两套算法，都可计算出 128 bits 的散列。MD 系列算法已经被中国科学家王小云破解（可于有限时间内找出碰撞）。
SHA（Secure Hash Algorithm）
SHA是单向散列算法的一个标砖的统称，其下又分为SHA-1，SHA-2,SHA-3三套算法
其中 SHA-1 可生成 160 bit 散列值，已被攻破（由王小云、姚期智联手破解），不推荐使用。
SHA-2 可生成不同长度的散列，如 256 bits (SHA-256), 384 bits (SHA-384), 512 bits (SHA-512)，同时对输入的消息长度存在一定限制，SHA-256 上限接近于 2^{64}-1比特，SHA-384、SHA512 则接近于 2^{128}-1 比特。
SHA-3，是 2012 年被采用的最新标准，采用了 Keccak 算法。
Keccak 算法的优点：
- 采用与 SHA2 完全不同的结构
- 结构清晰，易于分析
- 适用于各种硬件，性能优越
- 可生成任意长度
- 对消息长度无限制
- 可采用双工结构，输入同时输出，提升效率
MD4,5, RIPEMD, RIPEMD-160, SHA-1, SHA-2 均采用 MD 结构（Merkle-Damgard construction）
SHA-3 采用海绵结构
| 算法 | 散列长度，bit | 输入长度 | |
|---|---|---|---|
| MD4 （Message Digest 4） | 128 | 已破解 | |
| MD5 | 128 | 已破解 | |
| SHA-1 | 160 | 2^{64} = 2048 \text{ PB} | 谨慎使用，不推荐 |
| SHA2 (SHA-224) | 224 (32*8 - 32) | 2^{64} | - 32 表示截去 32 bit，下同 |
| SHA2 (SHA-256) | 256 (32*8) | 同上 | |
| SHA2 (SHA-512/224) | 224 (64*8 - 288) | 同上 | |
| SHA2 (SHA-512/256) | 256 (64*8 - 256) | 同上 | |
| SHA2 (SHA-384) | 384 (64*8 - 128) | $2^{128}$ | |
| SHA2 (SHA-512) | 512 | 同上 | |
| SHA-3 | 无限制 | ||
| RIPEMD-128 | 已破解 | ||
| RIPEMD-160 | 谨慎使用，是比特币采用的 | ||
| RIPEMD-256 | |||
| RIPEMD-320 |
对散列的攻击
暴力破解，冗余碰撞
生日攻击，针对强抗碰撞性
数字签名
采用非对称加密的消息认证码的技术，就是数字签名。
- 在非对称加密中，私钥用来解密，公钥用来加密。
- 在数字签名技术中，私钥用来加密，公钥用来解密。
数字签名步骤
- 签名方 A 生成非对称公私钥对 public-key、private-key
- A 向消息接收方 B 发送公钥 publi-key
- A 采用 private-key 加密（一般是对消息的散列值进行加密），生成数字签名
- A 将消息与数字签名发往 B
- B 采用 public-key 解密数字签名
- B 验证数字签名
由于用于解密的是公钥，是公开的。因此任何人都可以验证数字签名。
数字签名的核心，就是非对称加密，在前文已经介绍了一些非对称加密算法，均可用于数字签名之中。
常见的有如下几种：
- RSA
- ElGamal
- DSA
- ECDSA（Elliptic Curve Signature Algorithm），结合椭圆曲线算法的数字签名技术
- Rabin
数字签名的问题
数字签名由于采用了非对称加密，因此可以防止否认。但发送方怎么能知道所收到的公钥就是接收方私钥所对应的公钥呢？
如果不小心采用了攻击者的公钥，然后接收了攻击者私钥签名的信息，公私钥完全匹配，于是信息就被接受了，那么就 GG 了。
因此，业界便推出了证书。由权威机构颁布，认证公钥的合法性，那么就可以了
证书
对数字签名所发布的公钥进行权威的认证，便是证书。证书可以有效地避免中间人攻击的问题。
PKC：Public-Key Certificate，公钥证书，简称证书。CA：Certification Authority，认证机构。对证书进行管理，负责 1.生成密钥对、2. 注册公钥时对身份进行认证、3. 颁发证书、4. 作废证书。其中负责注册公钥和身份认证的，称为 RA（Registration Authority 注册机构）PKI：Public-Key Infrastructure，公钥基础设施，是为了更高效地运用公钥而制定的一系列规范和规格的总称。比较著名的有PKCS（Public-Key Cryptography Standards，公钥密码标准，由 RSA 公司制定）、X.509等。PKI 是由使用者、认证机构 CA、仓库（保存证书的数据库）组成。CRL：Certificate Revocation List 证书作废清单，是 CA 宣布作废的证书一览表，会带有 CA 的数字签名。一般由处理证书的软件更新 CRL 表，并查询证书是否有效。
证书使用步骤
下图比较详细的阐述了证书的使用步骤
证书的层级
对于认证机构的公钥，可以由其它的认证机构施加数字签名，从而对认证机构的公钥进行验证，即生成一张认证机构的公钥证书，这样的关系可以迭代好几层，一直到最高一层的认证机构时该认证机构就称为根CA，根CA会对自己的公钥进行数字签名叫做自签名。
针对证书的问题
- 公钥注册前进行攻击
- 注册相似信息进行攻击，例如 Bob 和 BOB，一旦没看清，就会泄露信息
- 窃取 CA 的私钥进行攻击，CA 的私钥一旦被泄露，需要通过 CRL 通知客户
- 伪装成 CA 进行攻击，一般证书处理软件只采纳有限的根 CA
- 利用 CRL 发布时间差，私钥被盗-通知 CA-发布 CRL，均存在时间差，攻击者可以利用此时间差进行攻击
- 利用 CRL 发布时间差否认信息。发布有害信息-通知 CA 作废证书-发布 CRL，由于存在时间差，恶意消息的发布者完全可以否认恶意消息是由其发出的。