密碼學入門科普

一、對稱加密和非對稱加密入門

1. 如何不被竊聽 —— 加密

• 這種加密方案在密碼學裡稱為對稱密碼，加密方和解密方使用的是相同的密鑰。
• 知名的密碼演算法有 AES（2001）、Blowfish（1993）、DES（1977），再遠一點，有二戰時期的恩尼格碼（轉輪機原理，德國）、紫色密碼（轉輪機原理，日本），以及著名的凱撒密碼（沒錯就是地中海北岸那個凱撒）、柵欄密碼等。

2. 如何交換密鑰 —— 非對稱加密

解決信道安全問題

• Bob 事先生成一對公鑰和私鑰，私鑰 pri 由自己保管，把公鑰 pub 發給 Alice。
• Alice 使用 pub 對消息內容進行加密，Bob 用 pri 進行解密。
• 需要注意的是， 只有私鑰才可以解密，所以即使 Eve 竊取到了 pub（只有 pub 被傳輸而容易被竊取），她也無法解密。
• 這種加密方式在密碼學裡稱為非對稱密碼，所謂「非對稱」指的是加密方和解密方用的密鑰不一樣。
• 知名的非對稱演算法有：DSA（數字簽名演算法，只能用於簽名，1991）、ECC（橢圓曲線加密，1985）、RSA（公鑰加密演算法，1977）等。
• 這些演算法除了用於加密外，還可以用於 數字簽名。非對稱演算法有個致命弱點： 性能很低。實際應用中一般採用混合加密體制、哈希簽名體制。

3. 如何防止數據篡改 —— MAC

圖中的 MAC 指的是 消息認證碼（Message Authentication Code），你現在不需知道它的原理，只要記住 ：（1）傳入兩個參數 message 和 key，進行一系列計算後得到一個值叫 MAC。（2）只有 message 和 key 相同的情況下，才能得到相同的 MAC。

• 消息認證碼有多種實現方式，其中最常見的是 HMAC（Hash MAC），即使用哈希演算法來實現 MAC，還有一種是基於分組密碼演算法的 MAC，不常見。
• 聰明如你，肯定會想到如果 key 被竊取該怎麼辦？這就涉及到 數字簽名了，後文會講到。

4. 如何校驗身份 —— MAC

• MAC包含幾種實現方式：基於 HASH 的 MAC 稱為 HMAC，應用比較廣泛。
• 有些同學應該接觸過阿里雲的 Access Key，其實就是 HMAC 的原理。
• 有些同學在兩個系統之間API調用時，會使用同一個 key 做 md5 計算來實現 API 鑒權，這稱為「加鹽HASH」，可以簡單理解為 HMAC 的簡化版。
• 同樣的，如果 key 被竊取該怎麼辦？這可以用 數字簽名來解決。

5.更進一步 —— 數字簽名

發送方是用 私鑰進行簽名，而接收方用 公鑰 進行驗簽，這跟加密情況正好相反。

6. 公鑰的身份證 —— 數字證書

偽造公鑰，Bob 需要事先生成公鑰 pub 和私鑰 pri ，然後把 pub 分發給 Alice。那麼攻擊過程就從這入手，Eve 生成自己的一對公鑰 pub" 和 私鑰 pri"，截獲 Bob 的 pub，並用自己的 pub" 冒充 Bob 的公鑰發給 Alice。

這是個「偷天換日」的過程，Eve 通過偽造公鑰（中間人攻擊），不光竊聽到 Alice 的消息，還能保證整個過程中 Alice 和 Bob 都沒有察覺！

Eve 不是喜歡偽造公鑰嗎，Bob 這次就要請 Trent 為自己的公鑰註冊一張 「身份證」 —— 數字證書。見證如見人，哦不對，見證如見公鑰！以下是註冊數字證書的過程：

• Bob 請求 Trent 為自己的公鑰 pub 註冊一個證書。
• Trent 收到請求後，用自己的私鑰 pri " 對 pub（以及身份信息） 進行簽名，得到一個 sign。
• Trent 把證書 certificate = pub + sign 頒發給 Bob。
• Bob 把自己的證書 pub + sign 發給 Alice。
• Alice 使用 Trent 的公鑰 pub " 對 sign 進行驗簽，如果校驗成功則說明 pub 的確是 Bob 的公鑰，因為她相信 Trent 的權威性。

Eve 不可能找 Trent 為她辦一個 Bob 的數字證書，因為 Trent 不會同意的，就像警察蜀黍不會給我辦一張別人的身份證一樣。所以，Eve 無法偽造 Bob 的公鑰。

• 考慮到非對稱演算法的效率問題，實際應用中一般是先對數據進行哈希，然後才用私鑰對哈希值（摘要）進行簽名。
• Trent 在密碼技術領域中一般稱為 認證機構（Certification Authority，即 CA）。
• 以數字證書為基礎，業界制定了一系列的規範和規格，比如由誰頒發證書、如何進行頒發、如何作廢證書等，稱為 公鑰基礎設施（Public-Key Infrastructure，即 PKI）。

二、對稱加密常見密碼學

AES，DES，3DES，TDEA，Blowfish，RC5，IDEA

三、非對稱加密經典演算法

RSA、Elgamal、背包演算法、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密演算法）

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