密码学相关知识梳理

作者&投稿:乔怀 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
~ 密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。

密码学的历史最早可以追溯到几千年以前,古今中外都有密码学运用的记载,从历史看,战争很大程度给密码学提供了应用环境,推动了密码学的发展,密码学按照发展历程,大体可以分为三个阶段,手工加密、机械加密和计算机加密阶段,下面是近代密码学的一些重要进展。
1949年,信息论始祖克劳德·艾尔伍德·香农(Claude Elwood Shannon)发表了《保密系统的通信理论》一文,把密码学建立在严格的数学基础之上,奠定理论基础,从此成为真正的科学。
1976年,密码学专家惠特菲尔德·迪菲(Bailey Whitfield Diffie)和马丁·赫尔曼(Martin Edward Hellman)两人发表了《密码学的新方向》一文,解决了密钥管理的难题,把密钥分为加密的公钥和解密的私钥,提出了密钥交换算法Diffie-Hellman。
1977年,美国国家标准技术研究所制定数据加密标准(Data Encryption Standard ),将其颁布为国家标准。
1977年,麻省理工学院的罗纳德·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RSA加密算法,RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。
1997年4月,美国ANSI发起征集AES(advanced encryption standard)的活动,并为此成立了AES工作小组,经过几年的时间筛选,最终采用了由比利时的Joan Daemen和Vincent Rijmen设计的Rijndael算法,并在2002年5月26日成为有效的加密标准。

按密码体制划分:对称密码体制密码学和非对称密码体制密码学对应的有对称密码算法和非对称密码算法。

消息摘要算法又称散列算法,其核心在于散列函数的单向性,即通过散列函数可获得对应的散列值,但不可通过该散列值反推其原始信息,这是消息摘要算法的安全性的根本所在,我们通常使用该算法判断数据的完整性。

消息摘要算法我们常见比如MD(Message Digest)、SHA(Secure Hash Algorithm)、HMAC(Hash Message Authentication Code)等,常用于验证数据的完整性,是数字签名算法的核心算法。

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对称加密简单的说就是加密和解密使用同一个密钥,解密算法是加密算法的逆运算。

对称加密算法主要有DES、DES算法的变种DESede、DES替代者AES算法、IDEA、PBE等

非对称加密算法称为双钥或公钥加密算法,跟对称加密算法不同的是,对称加密算法只一个密钥,非对称加密算法 一个公钥和一个私钥,一个用于加密,另外一个用于解密。
简单的说:一对密钥公钥A和私钥B,A加密只能B解密,B加密只能A解密。

非对称加密算法源于DH算法(Diffie-Hellman,密钥交换算法)由W.Diffie和 M.Hellman共同提出,该算法为非对称加密算法奠定了基础,下面我们先来了解下密钥交换算法DH和ECDH算法。
为什么需要密钥交换算法?前面我们提到对称加密算法加解密都是用同一个密钥,我们可以想一下,我们怎样能安全的把一个密钥给到对方呢?比如我们经常用到HTTPS,大家都说HTTPS加密了是安全的,那它加密的密钥怎么来的呢?很显然我们在访问一个https地址的时候,事先并没有密钥,访问过程中客户端跟服务端通过握手协议协商出来的密钥,如果服务端直接把密钥在网络上传输那肯定不安全的,所以这过程到底发生了什么?后面专门分析https的时候会详细写,这里先了解下该算法。
DH密钥交换算法的安全性基于有限域上的离散对数难题
ECDH密钥交换算法是基于椭圆曲线加密

从上面图中可以看出,DH&ECDH密钥交换算法交互双方都会向对方公开一部分信息,即所谓的公钥,这部分即使被别人拿到了也不会威胁到最终的密钥,这里很关键的一点是甲乙两方公布的公钥是不相同的,但是最终生成的密钥两边是一致的,这里是利用的算法原理,有兴趣的可以去查阅详细的算法公式,因为最终的密钥不需要传输给对方,所以很大程度保证安全性。
非对称加密算法:
比较典型的非对称加密算法有RSA、ECC、ElGamal,RSA算法基于大数因子分解难题,而ElGamal和ECC算法则是基于离散对数难题。

从上面消息传递模型我们可以看出,非对称加密算法遵循“私钥加密,公钥解密”和“公钥加密,私钥解密”的原则,但是有一点需要注意,公钥是公开的,所以用在什么场景是需要根据该算法的特征来考虑的,比如既然公钥是公开的,你用私钥加密敏感数据传递给第三方合适么?显然不合适,因为公钥公开的,别人都可以拿到公钥,也就意味着你加密的数据都可以解密,所以适合的场景比如私钥加密,公钥只是用来验证加密的内容,每个人都可以来验证,该场景是不在乎加密内容被其它攻击者看到的,甚至说内容本来就是公开的,对于接收者用公钥确保内容没有被篡改即可,所以我们通常说非对称算法“私钥签名,公钥验证签名”,另外一点,“公钥加密,私钥解密”,因为私钥只有我们自己手上有,所以理论上也只有我们自己可以解密,这样是安全的,https证书验证以及握手协议过程中会体现这一点。

数字签名算法可以看做是一种带有密钥的消息摘要算法,并且这种密钥包含了公钥和私钥。也就是说数字签名算法是非对称加密算法和消息摘要算法的结合体,遵循“私钥签名,公钥验证”的签名认证方式。
数字签名算法是公钥基础设施(Public Key Infrastructure,PKI)以及许多网络安全机制(SSL/TLS,VPN等)的基础。
数字签名算法要求能够验证数据完整性、认证数据来源,并起到抗否认的作用。

数字签名算法主要包括RSA、DSA、ECDSA共3种算法,其中RSA算法源于整数因子分解问题,DSA和ECDSA算法源于离散对数问题。

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