学前须知

虚拟人物设计

为了方便我们学习iOS的签名机制，本文设置了4个虚拟人物，分别是

Alice、Bob：相互通信
EVe：窃听者
Mallory：主动攻击者

消息通信与窃听

未使用加密时，通信双方以明文通信

但是这种通信方式很容易被他人窃听，从而被盗取机密信息

那么如何防止信息被监听呢？就需要对通信信息进行加密操作。
- 首先将明文加密成密文发送给接收方

- 接收方拿到密文后进行解密得到明文数据

- 通过加密之后，就算有他人窃听通信数据，也只能得到被加密后的密文数据

加密解密？

如何进行加密解密？

消息发送者使用密钥进行加密

消息接收者使用密钥进行解密

密码的类型

根据密钥的使用方式，我们可以将密码分为两种

对称密码

对称密码就是加密和解密使用相同密钥

常用的对称密码算法有三种

DES（Data Encryption Standard）

DES是一种将64bit明文加密成64bit密文的对称密码算法，密钥长度是56bit。其实从规格上来说，密钥的长度其实是64bit，但是每隔7bit会设置一个用于错误检查的bit，因此密钥的长度实质上是56bit。
由于DES每次只能加密64bit的数据，遇到较大数据时需要对DES加密进行迭代。而且由于DES加密算法已经可以在短时间内破解，所有不建议使用。

3DES

3DES是将DES重复3次所得到的一种密码算法，也叫做3重DES，此算法目前还被一些银行机构使用，但是处理速度不高，且有安全性问题。

3DES加密过程如下，将明文通过加密-解密-加密成密文

3DES解密过程如下，将密文通过解密-加密-解密成明文

以上加密解密过程中，3个密钥都是不同的，所以又称为DES-EDE3

如果以上过程的所有密钥都相同，则结果和普通的DES等价，3次加密解密就没有任何意义

如果密钥1、密钥3相同，密钥2不同，则称为DES-EDE2

AES（Advanced Encryption Standard）

AES是用来取代DES称为新标准的一种对称密码算法，AES的密钥长度有128、192、256bit三种。

密钥配送问题

什么是密钥配送问题？

使用对称密码时，一定会遇到密钥配送问题，具体如下图

假设Alice将使用对称密码加密后的消息发送给Bob，Bob想要查看明文信息，就需要拿到Alice加密的密钥，所以Alice同时要将密钥发送给Bob，在发送密钥的过程中，可能会被Eve窃听，Eve拿到窃取的密钥和密文，同样可以解析得到明文消息。

怎样解决密钥配送问题？

解决密钥配送问题，有以下几种方式

事先共享密钥。也就是Alice和Bob事先私下共享密钥，不能通过网络传输。不过这种方式非常麻烦，不建议使用。
密钥分配中心
Diffie-Hellman密钥交换
公钥密码。公钥密码是现在普遍使用的一种方式，也是我们主要学习的一种方式。

公钥密码（Public-key Cryptography）

公钥密码中，密钥分为加密密钥和解密密钥两种，它们不是同一个密钥，所以公钥密码又被称为非对称密码（Asymmetric Cryptography）

在公钥密码中：

加密密钥是公开的，所以该密钥称为公钥（public key）。
解密密钥，由消息接收者自己保管，不能公开，因此也称为私钥（private key）。
公钥和私钥是一一对应，不能单独生成的，一对公钥和私钥统称为密钥对（key pair）
由公钥加密的密文，必须使用该公钥对应的私钥才能解密。
由私钥加密的密文，必须使用该私钥对应的公钥才能解密。

公钥密码解决密钥配送问题

上面说到，密钥配送问题可以通过公钥密码来解决，具体解决流程如下：

首先，消息接收者生成一对公钥和私钥。
将公钥发给消息发送者。
消息发送者用公钥对消息进行加密。
消息发送者将加密后的密文发送给消息接收者。
消息接收者用私钥对密文进行解密，得到明文数据。

RSA

RSA是目前使用最广泛的公钥密码算法。它的名字是由3位开发者Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman的姓氏首字母组成

混合密码系统

对称密码和非对称密码的对比

对称密码不能很好的解决密钥配送问题
公钥密码加密和解密速度比较慢，因为消息本身多大，加密后的密文就有多大，所以对于大批量的数据，加密解密速度过慢。
为了解决密钥配送问题，同时提升加密解密的速度。于是采取了将对称密码和公钥密码相结合的方式，取长补短。现在网络上密码通信所用到的SSL/TLS都是运用了混合密码系统。

混合密码系统-加密

会话密钥（session key）

会话密钥是专门为本次通信随机生成的临时的密钥，使用伪随机数生成器来生成
会话密钥作为对称密码的密钥，用来对消息进行加密，从而提高速度

加密步骤-发送消息

第一步，消息发送者需要拿到消息接收者的公钥
第二步，生成会话密钥，作为对称密码的密钥，将消息加密成密文
第三步，使用消息接收者的公钥，来加密会话密钥
第四步，将第二步和第三步生成的加密结果一起发送给消息接收者

发送的内容包括

用会话密钥加密的消息（使用对称密码加密）
用公钥加密的会话密钥（使用公钥密码加密）

混合密码系统-解密

收到==消息发送者==发过来的消息之后，需要进行解密操作，具体步骤如下：

第一步，消息接收者用自己的私钥解密出会话密钥
第二步，用第一步解密得到的会话密钥解密消息，得到明文数据

混合密码系统-加密解密完整步骤总结

使用Alice作为==消息发送者==，Bob作为消息接收者

发送消息（加密）

Bob首先生成一对公钥、私钥
Bob将公钥共享给Alice
Alice随机生成一个会话密钥（临时密钥）
Alice用会话密钥加密需要发送的消息（对称密码加密）
Alice用Bob的公钥加密会话密钥（公钥密码加密、也称为非对称密码加密）
Alice将4、5步加密得到的结果一起发送给Bob

接收消息（解密）

Bob利用自己的私钥解密会话密钥（公钥密码解密、也称为非对称密码解密）
Bob使用会话密钥解密发送过来的消息（对称密码解密）

单项散列函数（哈希函数）

单向散列函数可以根据消息内容计算出散列值。并且散列值的长度和消息的长度无关，无论是1bit、10M、100G的消息，单向散列函数都会计算出固定长度的散列值。

单向散列函数的特点

根据任意长度的消息，计算出固定长度的散列值。
计算速度快，能够快速计算出散列值
消息不同，哪怕就相差1bit数据，散列值也不同

具备单向性，不可逆

常用的单向散列函数

单向散列函数又称为消息摘要函数、哈希函数。输出的散列值也被称为消息摘要、指纹。

常见的几种单向散列函数如下

MD4、MD5

产生128bit的散列值，MD就是Message Digest的缩写，目前已经不安全

SHA-1

产生160bit的散列值，目前也不安全

SHA-2

SHA-256、SHA-384、SHA-512,散列值的长度分别为256bit、384bit、512bit。散列值长度越大，安全性就越高

SHA-3

SHA3（Secure Hash Algorithm-3）是一种作为新标准发布的单向散列函数算法，用来替代在理论上已被找出攻击方法的SHA-1算法。全世界企业和密码学家提交了很多SHA-3的候选方案，经过长达5年的选拔，最终于2012年正式确定将Keccak算法作为SHA-3标准。

单向散列函数的应用

防止数据被篡改

防止文件被篡改，具体的做法是将文件通过单向散列函数得到散列值。将散列值存放到安全的地方。如果一段时间后，文件被篡改，那么拿到最新的文件，通过单向散列函数，得到最新的散列值，同之前的散列值进行对比，就可以确定文件是否被篡改。

软件被篡改。一般为了分散通信负荷，一些软件公司会将自己的软件放在镜像站点上供用户下载。那么用户如何判断从镜像站点下载的软件是否被恶意篡改呢？一般软件公司会将软件通过散列函数得到的散列值放在官网上，供用户来对比，只要用户下载的软件得到的散列值和官网一致，那么就表明用户下载的软件没有被恶意篡改过。例如软件VNC，可点击VNC官网查看。