密码学技术总结

前言 

本文内容主要摘抄网络规划设计师的教材和腾讯-SUMMER课堂，主要对网络安全进行简单梳理和总结

对称密码体制

密码分为私钥和公钥密码两种，而介于私钥和公钥只见密码成为混合密码。

私钥密码又称为对称密码，该体制的特点是加密和解密使用相同的密钥。消息的收发双方必须事先通过安全渠道交换密钥

优点：加解密速度快，密文紧凑，使用长密钥时难破解。

缺点：密钥分配问题，密钥管理问题，无法认证源。

 常见的对称密钥加密算法如下：DES,3DES,AES,RC4/5,IDEA

DES	Data Encryption Standard，数据加密标准，分组加密算法 采用移位+替换，速度快，密钥易产生。	分组长度64位，密钥长度64位，有效密钥长度56位
3DES	三重DES（TDEA），使用DES对明文进行“加密-解密-加密”操作。 • 加密：K1加密→K2解密→K3加密 • 解密：K3解密→K2加密→K1解密 一般K1和K3是相同的密钥。	密钥长度112位
IDEA	International Data Encryption Algorithm，国际数据加密算法， 分组加密算法。设计思想：混合使用来自不同代数群中的运算。	明文和密文分组都是64位，密钥长度为128位，用于PGP
AES	Advanced Encryption Standard，高级加密标准。 可以通过硬件实现，速度快，像3DES一样安全。	分组长度128位，支持128,192和256三种密钥长度
RC4/5	流加密算法，用于WIFI。加密速度快，可达到DES的10倍。	分组和密钥长度都可变

非对称密码体制

公钥密码又称为非对称加密，对数据加密和解密的密钥是不同的。

优点：密钥分发方便，密钥保管量少，支持数字签名。

缺点：加密速度慢（计算量大，不适合加密大数据），数据膨胀率高

常见的非对称加密算法如下：

RSA：512位密钥，计算量极大，难破解。（基于大素数因子分解困难性）

Elgamal，ECC（椭圆曲线算法），背包算法，Rabin，DH等。（基于离散对数问题困难性）

注：数据膨胀率高代表加密完数据比原来数据量大很多，例如1T数据加密完变成3T数据量

混合密码

混合密码：发送方用对称密钥加密需要发送的消息，再用接受方的公钥加密对称密钥，然后一起发送给接收方，接收方先用自己的私钥解密得到对称密钥，然后用对称密钥解密得到明文。

国密加密算法-SM系列

《中华人民共和国密码法》密码分为核心密码、普通密码和商用密码，实行分类管理。
• 核心密码、普通密码用于保护国家秘密信息，属于国家秘密，由密码管理部门依法实行严格统一管理。
• 商用密码用于保护不属于国家秘密的信息，公民、法人可用。
国产密码算法：是指由国家密码研究相关机构自主研发，具有相关知识产权的商用密码算法，目前已经公布的国产密码算法如下：

算法名称	算法特征描述
SM1	对称加密，分组长度和密钥长度都为128比特
SM2	非对称加密，用于公钥加密算法，密钥交换协议，数字签名算法 （椭圆曲线问题）
SM3	杂凑算法（哈希），分组512位，输出杂凑值长度为256位
SM4	对称加密，分组长度和密钥长度都为128比特
SM5	标识密码算法，支持公钥加密，密钥交换，数字签名等安全功能

哈希算法Hash

HASH函数，又称为杂凑函数、散列函数，它能够将任意长度的信息转换成固定长度的哈希值（数字摘要），并且任意不同消息或文件所生成的哈希值是不一样的。
h表示hash函数，则h满足下列条件：
• （1）h的输入可以是任意长度的消息或文件M。
• （2）h的输出的长度是固定的。
• （3）给定h和M，计算h（M）是容易的。
• （4）给定h的描述，找两个不同的消息M1和M2，使得h（M1）=h（M2）是计算上不可行的。
哈希函数特性：不可逆性（单向）、无碰撞性 、雪崩效应 。

常见的Hash算法有：
• （1）MD5算法：以512位数据块为单位来处理输入，产生128位的信息摘要。常用于文件校验。
• （2）SHA算法：以512位数据块为单位来处理输入，产生160位的哈希值，具有比MD5更强的安全性。
• （3）SM3国产算法：消息分组长度为512比特，输出256位摘要。

应用场景1-文件完整性校验：

 只要文件有缺失或者增加都会导致散列值不同，就能知道目标文件是否被篡改过。

应用场景2-账号密码存储

如数据库存储密码是存储hash值而非密码，通过hash值是不可逆的，所以无法从hash值反推原始密码，但是还是可以通过彩虹表攻击（彩虹是存储了常见的hash值对应密码的一个表），通过匹配来得到原始密码。所以才有了盐+哈希的方式，原理是通过原始密码+一个很小固定值得出hash值，相比于直接使用原始密码得出hash值来说，由于hash特性雪崩效应，一点微小值都会导致整个hash值变化，彩虹表查询方式就失效了。

应用场景3-身份认证

这个场景有点像第二场景中的盐+哈希，只不过场景2是在存储中，场景3是在通信过程中，不传递明文，而是传输hash值对身份进行认证。

 数字签名

在计算机世界通过数字签名来实现同样的功能。签名方用自己的私钥进行签名，对方收到后，用签名方的公钥进行验证。数字签名是用于确认发送者身份和消息完整性的一个加密消息摘要，具有如下特点：

1. 数字签名是可信的。
2. 数字签名不可伪造。
3. 数字签名不能重新使用。
4. 签名文件是不能改变的。
5. 数字签名不能抵赖。
6. 接收者能够核实发送者身份。

常用的签名算法是RSA，采用发送者私钥签名，接收方收到数据后，采用发送者的公钥进行验证。可以直接对明文进行签名，由于明文文件可能很大，这种签名方案效率低。所以也可以先由明文生成Hash（比如MD5生成128位），再对Hash值进行签名，效率更高。 

数字证书

数字证书就是互联网通讯中标志通讯各方身份信息的一串数字，提供了一种在Internet上验证通信实体身份的方式，数字证书不是数字身份证，而是身份认证机构盖在数字身份证上的一个章或印（或者说加在数字身份证上的一个签名）。

它是由权威机构——CA机构，又称为证书授权（Certificate Authority）中心发行的，人们可以在网上用它来识别对方的身份。

数字证书是一种权威性的电子文档，可以由权威公正的第三方机构，即CA（例如中国各地方的CA公司）中心签发的证书，也可以由企业级CA系统进行签发。

PKI体系

1、用户/终端实体：指将要向认证中心申请数字证书的客户，可以是个人，也可以是集团或团体、某政府机构等。
2、注册机构RA：负责受理用户申请证书，对申请人的合法性进行认证，并决定是批准或拒绝证书申请。注册机构并不给用户签发证书，而只是对用户进行资格审查。较小的机构，可以由CA兼任RA的工作。
3、证书颁发机构CA：负责给用户颁发、管理和撤销证书。
4、证书发布系统：负责证书发放，如可以通过用户自已或是通过目录服务。
CRL库：证书吊销列表，存放过期或者无效证书。 

数字证书应用

例如这个场景，发送方的Alice想要和接收方Bob进行通信，因为Bob提供某种服务，所以不单单是Alice可能很多人都想和Bob通信，但是这个过程中这么多人包括Alice如果才能确信自己是和真正的Bob进行通信是个问题？

所以数字证书作用就体现出来了，如果Bob有权威机构颁发的数字证书，那么Alice和其他人就会信任Bob的数字证书，然后拿取证书里面的Bob公钥进行加密，Bob收到信息后用自己私钥进行解密。

上面所述的场景最经常用的是浏览器访问某个网站如下图，浏览器会内置很多CA证书，当浏览器访问服务器时候，服务器会返回相应证书，浏览器会验证证书的合法性（涉及到证书链，下文会提到），然后验证通过了就会利用证书里面公钥加密后续通信消息，服务器会利用私钥解密通信消息。

实际上服务器和浏览器交互过程中，只在通信协商阶段会经历浏览器公钥加密，服务器私钥解密，通信协商阶段会商量对称密钥，便于后续数据通信，因为对称加密速度快，而如果数据通信用非对称加密就有前面说的加密速度慢，数据膨胀率高的问题。

证书链

准确来说，服务端所返回证书不是一个单一的证书，而是一组有序的证书，称为证书链。证书链由终端证书开始，然后是签署颁发该终端证书的中间CA证书，再然后是签署颁发前一个中间CA证书的另一个中间CA证书…中间CA证书的数量可以是0个到多个，一直链接下去，在证书链的末端，是根证书。当然这边根证书可以有也可以没有。

 浏览器就会一级一级的向上查找知道找到最终的根证书，匹配信任的根证书列表，如果匹配就信任该证书，匹配规则参考ThinkStu博客的图片：

 

参考文献：

网络规划设计师教材

腾讯SUMMER课堂

数字证书简介-CSDN博客

证书链简介_Dancen的博客-CSDN博客