Mount256
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图解密码技术

文章目录

  • 一、对称密码和公钥密码
    • 对称密码系统
    • 公钥密码系统
    • 公钥通信的流程
    • 对称密码与公钥密码的比较
    • 分组密码的模式
    • 中间人攻击（man-in-the-middle attack）
  • 二、混合密码系统
    • 加密流程
    • 解密流程
    • 伪随机数生成器
  • 三、消息鉴别——消息认证码（MAC）
    • 消息鉴别的流程
    • 单向散列函数
    • 重放攻击（replay attack）
    • 抵御重放攻击——不重数（nonce）
  • 四、实体鉴别——数字签名与证书
    • 数字签名的流程
    • 数字签名与消息认证码的比较
    • 证书和认证机构（CA）
  • 五、基于口令的密码（PBE）
    • 加密流程
    • 解密流程
  • 六、密码软件PGP的原理
    • 发送者A：生成数字签名并加密
    • 接收者B：解密并验证数字签名

参考书籍：《图解密码技术：第3版》

一、对称密码和公钥密码

对称密码系统

加密
加密
解密
解密
明文
密文
密钥
明文

公钥密码系统

加密
加密
解密
解密
明文
密文
公钥
私钥
明文

公钥通信的流程

消息发送者A 消息接收者B 消息 B的公钥 B的私钥 请把B的公钥发来 B的公钥 【A进行加密】 消息+B的公钥→密文 密文 【B进行解密】 密文+B的私钥→消息 消息发送者A 消息接收者B

对称密码与公钥密码的比较

项目 对称密码 公钥密码
发送者 用共享密钥加密 用公钥加密
接收者 用共享密钥解密 用私钥解密
密钥配送问题 存在（Diffie-Hellman密钥交换算法可解决） 不存在，但公钥需要另外认证
机密性 好 好
常见算法 DES、3DES、AES RSA、ElGamal、Rabin、椭圆曲线密码

Diffie-Hellman算法的有效性依赖于计算离散对数的难度，离散对数的概念：如果对于一个整数 b b b 和素数 p p p 的一个原根 a a a，可以找到一个唯一的指数 i i i，使得

b = a i m o d    p ,   0 ≤ i ≤ p − 1 b = a^i \mod p, \ 0 \leq i \leq p-1 b=aimodp, 0≤i≤p−1

分组密码的模式

分组密码：每次只能处理特定长度的一组数据的一类密码算法。常用模式有：

  • ECB模式：电子密码本模式
  • CBC模式：密码分组链接模式
  • CFB模式：密文反馈模式
  • OFB模式：输出反馈模式
  • CTR模式：计数器模式

中间人攻击（man-in-the-middle attack）

消息发送者A 中间攻击者M 消息接收者B 消息 伪消息 M的公钥 M的私钥 B的公钥 B的私钥 请把B的公钥发来 B的公钥 M拦截并保存B的公钥 M的公钥 【A进行加密】 消息+M的公钥（误以为B的公钥）→密文 密文 【M拦截并解密】 密文+M的公钥→消息 【M伪造消息】 伪消息+B的公钥→伪密文 伪密文 【B进行解密】 伪密文+B的私钥→伪消息 消息发送者A 中间攻击者M 消息接收者B

中间人攻击问题的实质是公钥分配问题，该问题的解决需要引入数字签名和证书功能。

二、混合密码系统

加密流程

生成
对称加密<明文>
对称加密<密钥>
公钥加密<明文>
公钥加密<密钥>
组合
组合
伪随机数生成器
会话密钥
消息明文
对称加密的消息密文
公钥加密的会话密钥
接收者B的公钥
会话密钥+消息密文

解密流程

分离
分离
对称解密<密文>
公钥解密<密文>
公钥解密<密钥>
对称解密<密钥>
会话密钥+消息密文
公钥加密的会话密钥
对称加密的消息密文
消息明文
会话密钥
接收者B的私钥

伪随机数生成器

随机数的分类：

随机数的种类 随机性 不可预测性 不可重现性
弱伪随机数（不可用于密码技术） √ x x
强伪随机数（可用于密码技术） √ √ x
真伪随机数（可用于密码技术） √ √ √

随机数生成器：通过硬件生成的随机数列。

伪随机数生成器：通过软件生成的伪随机数列，需要种子（seed）对生成器的内部状态进行初始化。具体的伪随机数生成器有：

  • 线性同余法（不可用于安全相关的用途）
  • 单向散列函数法（如SHA-1等）
  • 密码法（如AES、RSA等）
  • ANSI X9.17
  • 梅森旋转算法（不可用于安全相关的用途）

三、消息鉴别——消息认证码（MAC）

消息鉴别的流程

发送方：

拼接
散列计算
散列计算
拼接
消息
消息+MAC
消息认证码MAC
共享密钥

接收方：

分离
分离
散列计算
散列计算
消息+MAC
MAC
消息
MAC
共享密钥
对比

单向散列函数

单向散列函数，又称为消息摘要函数、哈希函数：

消息
or
原像
单向散列函数
or
消息摘要函数
or
哈希函数
散列值
or
消息摘要
or
指纹

单向散列函数的常见算法：

算法 版本
MD MD4、MD5
SHA SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-512/224、SHA-512/256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3（Keccak）
RIPEMD RIPEMD-160、RIPEMD-128、RIPEMD-256、RIPEMD-320

重放攻击（replay attack）

消息发送者A 中间攻击者M 消息接收者B 发送者根据消息 计算MAC值 攻击者窃听、保存 接收者验证报文 是否被篡改 消息+正确MAC 攻击者在之后时间内， 不断发送窃听而来的消息 消息+正确MAC 消息+正确MAC 消息+正确MAC 消息发送者A 中间攻击者M 消息接收者B

抵御重放攻击——不重数（nonce）

消息发送者A 消息接收者B 消息 B的公钥 B的私钥 请把B的公钥发来 B的公钥 随机生成一个不重数R， B的私钥加密不重数R 加密的不重数R 用B的公钥解密得到不重数R 【A进行加密】 消息+不重数R+B的公钥→密文 密文 【B进行解密并核对不重数R】 密文+B的私钥→消息+不重数R 下一次通信时， 再随机生成另外的不重数R 消息发送者A 消息接收者B

四、实体鉴别——数字签名与证书

数字签名的流程

发送方：

拼接
散列计算
加密
加密
拼接
消息
消息+签名
消息摘要
发送方的私钥
签名

接收方：

分离
分离
散列计算
散列计算
散列计算
消息+签名
签名
消息
消息摘要
散列值
发送方的公钥
对比

数字签名与消息认证码的比较

项目 消息认证码（MAC） 数字签名
发送方 用共享密钥计算MAC值 用私钥生成签名
接收方 用共享密钥计算MAC值 用公钥验证签名
密钥配送问题 存在 不存在，但公钥需要另外认证
完整性 好 好
认证 仅限通信双方 可适用于任何第三方
防止否认 不能防止 可以防止

证书和认证机构（CA）

B的公钥
保存证书（=B的公钥+CA的数字签名）
下载证书（=B的公钥+CA的数字签名）
消息接收者B（B生成密钥对）
可靠的认证机构CA（注册B的公钥）
仓库（证书目录）
消息发送者A（确认B公钥的合法性）

五、基于口令的密码（PBE）

加密流程

散列计算
散列计算
对称加密<明文>
对称加密<密钥>
对称加密<密钥>
对称加密<明文>
用户记忆
口令
密钥加密密钥KEK
伪随机数生成器
盐
会话密钥CEK
KEK加密后的CEK
用会话密钥加密的消息
消息

最后，用户将“盐”和“KEK加密后的CEK”保存在安全的地方。

解密流程

散列计算
散列计算
对称解密<密钥>
对称解密<密文>
对称解密<密钥>
对称解密<密文>
用户记忆
口令
密钥加密密钥KEK
盐
会话密钥CEK
KEK加密后的CEK
消息
用会话密钥加密的消息

六、密码软件PGP的原理

发送者A：生成数字签名并加密

生成数字签名：

散列计算
散列计算
对称解密<密钥>
对称解密<密文>
散列计算
公钥加密<明文>
公钥加密<密钥>
发送者A的记忆
口令
私钥的解密密钥
盐
A的私钥
已加密的A的私钥
消息
消息摘要
数字签名

消息加密：

拼接
拼接
压缩
对称加密<明文>
对称加密<密钥>
公钥加密<明文>
公钥加密<密钥>
拼接
拼接
数字签名
签名+消息
消息
压缩消息
加密的压缩消息
会话密钥
伪随机数生成器
加密的会话密钥
接收者B的公钥
报文数据

接收者B：解密并验证数字签名

消息解密：

散列计算
散列计算
对称解密<密钥>
对称解密<密文>
分解
公钥解密<密钥>
公钥解密<密文>
对称解密<密钥>
分解
对称解密<密文>
接收者B的记忆
口令
私钥的解密密钥
盐
B的私钥
已加密的B的私钥
报文数据
加密的会话密钥
会话密钥
压缩消息
加密的压缩消息

验证数字签名：

解压缩
分解
分解
散列计算
公钥解密<密文>
公钥解密<密钥>
压缩消息
消息+签名
数字签名
消息
消息摘要
散列值
A的公钥
对比

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