《商用密码-应用与安全性评估》学习1：密码基础知识

目录

第一章 密码基础知识

1.1 密码应用概述

1.1.1 密码的概念与作用

1.1.2 密码的概念与作用

1.1.3 密码应用中的安全性问题

1.2 密码应用安全性评估的基本原理

1.3 密码技术发展

1.3.1 密码技术发展

1.3.2 我国商用密码发展过程

1.4 密码算法

  1.4.1 对称密码算法

1.4.2 公钥密码算法

1.4.3 密码杂凑算法

1.4.4 密码算法分析概要

1.5 密钥管理

1.5.1 密钥生命周期管理

1.5.2 对称密码管理

1.5.3 公钥基础设施（PKI）

1.6 密码协议

1.6.1 密钥交换协议

1.6.2 实体鉴别协议

1.6.3 综合密码协议

1.7 密码功能实现示例

1.7.1 保密性实现

1.7.2 完整性实现

1.7.3 真实性实现

1.7.4 不可否认性实现

---

写在前面：建议没有学习过密码学基础知识的，

        请先移步——>《图解密码技术》学习笔记汇总

        密码算法作为国家战略资源，比历史上任何时候都显得更为关键。在大数据和云计算的时代，关键信息往往通过数据挖掘技术在海量数据中获得，所以每一个人的信息保护都非常重要。

        在《商用密码-应用与安全性评估》专题中，重点在于国密算法及测评的相关内容。对于密码学的基础知识，不再详细记录。另外，写这些博客，是学习过程中的笔记而已。欢迎交流学习心得。

第一章 密码基础知识

        密码技术的三个核心内容：

1. 密码算法
2. 密钥管理
3. 密码协议

        密码技术的四项功能：

1. 保密性
2. 完整性
3. 真实性
4. 不可否认性

1.1 密码应用概述

1.1.1 密码的概念与作用

1.1.2 密码的概念与作用

        1.密码的功能：CIA的相关概念。

        2.密码应用技术框架（重要，书中 p5）

                密码资源、密码支撑、密码服务、密码应用

1.1.3 密码应用中的安全性问题

1. 密码技术被弃用
2. 密码技术被乱用
3. 密码技术被误用

1.2 密码应用安全性评估的基本原理

1. 信息安全管理过程：BS7799、ISO/IEC27001、PCDA管理循环
2. 信息安全风险评估：
3. 密码应用安全性评估的定位：

1.3 密码技术发展

1.3.1 密码技术发展

1. 古典密码
2. 机械密码
3. 现代密码

1.3.2 我国商用密码发展过程

        为了保障商用密码的安全性，国家商用密码管理办公室制定了一系列密码标准，包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖冲之密码算法（ZUC)那等等。

        对称算法：其中SM1、SM4、SM7、祖冲之密码（ZUC）；

        非对称算法：SM2、SM9；

        哈希算法：SM3。

目前，这些算法已广泛应用于各个领域中，期待有一天会有采用国密算法的区块链应用出现。

1. SM1：算法不公开，调用该算法时，需要通过加密芯片的接口进行调用。
2. SM2：2010年，椭圆曲线公钥密码算法。可用于数字签名。
3. SM3：2010年，密码杂凑算法。2018年10月成为ISO/IEC国际标准。
4. SM4：2016年，无线局域网产品适用。
5. SM7：算法不公开，调用该算法时，需要通过加密芯片的接口进行调用。
6. SM9：2016年，标识密码算法（无需证书）。 可用于数字签名。
7. ZUC：2011年，序列密码（流密码）算法。4G移动通信密码算法国际标准。

1.4 密码算法

对称密码算法	国密：SM1、SM4、ZUC 国外算法：DES、3DES、AES
公钥密码算法	国密：SM2、SM9（无需证书） 国外算法：RSA
杂凑算法	国密：SM3 国外算法：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3

  1.4.1 对称密码算法

国密：SM1、SM4、ZUC

国外算法：DES、3DES、AES

1.4.1.1 序列密码与分组密码

对称密码算法	序列密码（流密码）：ZUC、SNOW、RC4
	分组密码（块密码）：SM1、SM4、DES、AES

        序列密码的特点：秘密流可以在明文序列到来之前生成。常用于功耗或者计算能力受限的系统中。

1.4.1.2 分组密码的工作模式

  分组密码的工作模式：ECB、CBC、CFB、OFB、CTR、BC、OFBNLF

        详细的介绍，请移步——>《图解密码技术》笔记4：分组密码的模式-分组密码是如何迭代的

1.4.1.3 ZUC序列密码算法

ZUC祖冲之算法：
        祖冲之序列密码算法是中国自主研究的流密码算法,是运用于移动通信4G网络中的国际标准密码算法,该算法包括祖冲之算法(ZUC)、加密算法(128-EEA3)和完整性算法(128-EIA3)三个部分。目前已有对ZUC算法的优化实现，有专门针对128-EEA3和128-EIA3的硬件实现与优化。

        国标与行标：

#	标准号	标准中文名称	发布日期	实施日期	标准状态
1	GB/T 33133.1-2016	信息安全技术 祖冲之序列密码算法 第1部分：算法描述	2016-10-13	2017-05-01	现行
2	GB/T 33133.3-2021	信息安全技术 祖冲之序列密码算法 第3部分：完整性算法	2021-10-11	2022-05-01	即将实施
3	GB/T 33133.2-2021	信息安全技术 祖冲之序列密码算法 第2部分：保密性算法	2021-10-11	2022-05-01	即将实施

1.4.1.4 SM1序列密码算法

SM1对称密码：
         SM1 算法是分组密码算法，分组长度为128位，密钥长度都为 128 比特，算法安全保密强度及相关软硬件实现性能与 AES 相当，算法不公开，仅以IP核的形式存在于芯片中。
        采用该算法已经研制了系列芯片、智能IC卡、智能密码钥匙、加密卡、加密机等安全产品，广泛应用于电子政务、电子商务及国民经济的各个应用领域（包括国家政务通、警务通等重要领域）。

        国标与行标： 无。算法不公开

1.4.1.5 SM4分组密码算法

SM4对称算法：
        此算法是一个分组算法，用于无线局域网产品。该算法的分组长度为128比特，密钥长度为128比特。加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构。解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
        此算法采用非线性迭代结构，每次迭代由一个轮函数给出，其中轮函数由一个非线性变换和线性变换复合而成，非线性变换由S盒所给出。其中rki为轮密钥，合成置换T组成轮函数。轮密钥的产生与上图流程类似，由加密密钥作为输入生成，轮函数中的线性变换不同，还有些参数的区别。SM4算法的具体描述和示例见SM4标准。

        国标与行标：

#	标准号	标准中文名称	发布日期	实施日期	标准状态
1	GB/T 32907-2016	信息安全技术 SM4分组密码算法	2016-08-29	2017-03-01	现行

1.4.2 公钥密码算法

        国密：SM2、SM9        国外算法：RSA
1. 公钥密码模型

        加密和解密、数字签名。

2. SM2椭圆曲线公钥密码算法：
        SM2算法就是ECC椭圆曲线密码机制，但在签名、密钥交换方面不同于ECDSA、ECDH等国际标准，而是采取了更为安全的机制。另外，SM2推荐了一条256位的曲线作为标准曲线。
 SM2标准包括总则，数字签名算法，密钥交换协议，公钥加密算法四个部分，并在每个部分的附录详细说明了实现的相关细节及示例。
         SM2算法主要考虑素域Fp和F2m上的椭圆曲线，分别介绍了这两类域的表示，运算，以及域上的椭圆曲线的点的表示，运算和多倍点计算算法。然后介绍了编程语言中的数据转换，包括整数和字节串，字节串和比特串，域元素和比特串，域元素和整数，点和字节串之间的数据转换规则。
        详细说明了有限域上椭圆曲线的参数生成以及验证，椭圆曲线的参数包括有限域的选取，椭圆曲线方程参数，椭圆曲线群基点的选取等，并给出了选取的标准以便于验证。最后给椭圆曲线上密钥对的生成以及公钥的验证，用户的密钥对为（s，sP），其中s为用户的私钥，sP为用户的公钥，由于离散对数问题从sP难以得到s，并针对素域和二元扩域给出了密钥对生成细节和验证方式。总则中的知识也适用于SM9算法。
        在总则的基础上给出了数字签名算法（包括数字签名生成算法和验证算法），密钥交换协议以及公钥加密算法（包括加密算法和解密算法），并在每个部分给出了算法描述，算法流程和相关示例。
        数字签名算法，密钥交换协议以及公钥加密算法都使用了国家密管理局批准的SM3密码杂凑算法和随机数发生器。数字签名算法，密钥交换协议以及公钥加密算法根据总则来选取有限域和椭圆曲线，并生成密钥对。
        SM2算法在很多方面都优于RSA算法（RSA发展得早应用普遍，SM2领先也很自然）。

      国标与行标：

#	标准号	标准中文名称	发布日期	实施日期	标准状态
1	GB/T 35276-2017	信息安全技术 SM2密码算法使用规范	2017-12-29	2018-07-01	现行
2	GB/T 35275-2017	信息安全技术 SM2密码算法加密签名消息语法规范	2017-12-29	2018-07-01	现行
3	GB/T 32918.1-2016	信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥密码算法 第1部分：总则	2016-08-29	2017-03-01	现行
4	GB/T 32918.5-2017	信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥密码算法 第5部分：参数定义	2017-05-12	2017-12-01	现行
5	GB/T 32918.2-2016	信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥密码算法 第2部分：数字签名算法	2016-08-29	2017-03-01	现行
6	GB/T 32918.3-2016	信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥密码算法 第3部分：密钥交换协议	2016-08-29	2017-03-01	现行
7	GB/T 32918.4-2016	信息安全技术 SM2椭圆曲线公钥密码算法 第4部分：公钥加密算法	2016-08-29	2017-03-01	现行

3. SM9标识密码算法：
        为了降低公开密钥系统中密钥和证书管理的复杂性，以色列科学家、RSA算法发明人之一Adi Shamir在1984年提出了标识密码（Identity-Based Cryptography）的理念。标识密码将用户的标识（如邮件地址、手机号码、QQ号码等）作为公钥，省略了交换数字证书和公钥过程，使得安全系统变得易于部署和管理，非常适合端对端离线安全通讯、云端数据加密、基于属性加密、基于策略加密的各种场合。2008年标识密码算法正式获得国家密码管理局颁发的商密算法型号：SM9(商密九号算法)，为我国标识密码技术的应用奠定了坚实的基础。
        SM9算法不需要申请数字证书，适用于互联网应用的各种新兴应用的安全保障。如基于云技术的密码服务、电子邮件安全、智能终端保护、物联网安全、云存储安全等等。这些安全应用可采用手机号码或邮件地址作为公钥，实现数据加密、身份认证、通话加密、通道加密等安全应用，并具有使用方便，易于部署的特点，从而开启了普及密码算法的大门。

        国标与行标：

#	标准号	标准中文名称	发布日期	实施日期	标准状态
1	GB/T 38635.2-2020	信息安全技术 SM9标识密码算法 第2部分：算法	2020-04-28	2020-11-01	现行
2	GB/T 38635.1-2020	信息安全技术 SM9标识密码算法 第1部分：总则	2020-04-28	2020-11-01	现行

1.4.3 密码杂凑算法

        国密：SM3        国外算法：MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3

SM3密码杂凑（哈希、散列）算法：

        SM3密码杂凑（哈希、散列）算法给出了杂凑函数算法的计算方法和计算步骤，并给出了运算示例。此算法适用于商用密码应用中的数字签名和验证，消息认证码的生成与验证以及随机数的生成，可满足多种密码应用的安全需求。在SM2，SM9标准中使用。
        此算法对输入长度小于2的64次方的比特消息，经过填充和迭代压缩，生成长度为256比特的杂凑值，其中使用了异或，模，模加，移位，与，或，非运算，由填充，迭代过程，消息扩展和压缩函数所构成。具体算法及运算示例见SM3标准。

       国标与行标：

#	标准号	标准中文名称	发布日期	实施日期	标准状态
1	GB/T 32905-2016	信息安全技术 SM3密码杂凑算法	2016-08-29	2017-03-01	现行

1.4.4 密码算法分析概要

        柯克霍夫原则：密码系统应该就算被所有人知道系统的运作步骤，仍然是安全的。

        

1.5 密钥管理

1.5.1 密钥生命周期管理

1. 密钥生成
2. 密钥存储
3. 密钥导入和导出
4. 密钥分发
5. 密钥使用
6. 密钥备份和恢复
7. 密钥归档
8. 密钥销毁

1.5.2 对称密码管理

        对称密码分发主要由两种基本结构：

1. 点到点结构
2. 基于密钥中心的结构

1.5.3 公钥基础设施（PKI）

        PKI主要解决公钥属于谁的问题。

        关于PKI的详细介绍，请移步——>PKI公钥基础设施

        双证书体系：签名证书、加密证书。

1.6 密码协议

1.6.1 密钥交换协议

1. Diffie-Hellman密钥交换协议
2. MQV密钥交换协议
3. SM2密钥交换协议

1.6.2 实体鉴别协议

1. 一次传递鉴别
2. 两次传递鉴别

1.6.3 综合密码协议

1. IPSec协议
2. SSL协议

1.7 密码功能实现示例

1.7.1 保密性实现

三种基本方法：

1. 访问控制的方法
2. 信息隐藏的方法
3. 信息加密的方法

1.7.2 完整性实现

两种基本方法：

1. 访问控制方法
2. 损坏-检测方法
   1. 消息验证码（MAC）：对称密码、杂凑算法都可用于生成MAC
   2. 数字签名

1.7.3 真实性实现

        四种基本方法： 后面3种没有直接使用密码技术，但是在鉴别发过程中需要使用密码技术提供保护或支撑。

1. 基于密码技术的鉴别机制：对称密码、公钥密码等密码技术
2. 基于静态口令的鉴别机制
3. 基于动态口令的鉴别机制
4. 基于生物特征的鉴别机制

1.7.4 不可否认性实现

        通过数字签名技术来实现：

1. 起源的不可否认
   1. 使用发起者的数字签名
   2. 使用可信第三方数字签名
2. 传递的不可否认：
   1. 使用接受者的签名确认
   2. 使用可信传递代理
   3. 使用两阶段传递