信息安全特性
- 完整性
- 保密性
- 可用性
- 不可否认性
- 可控性
密码学三大阶段
1949 年以前：密码学还不是科学，而是艺术 1949-1975：密码学成为科学 1976 年以后：密码学新方向-公钥密码学
古典密码学
1949 年以前：密码学还不是科学，而是艺术
主要特点： 数据的安全基于算法的保密
典型代表：
- 单表替换密码（凯撒密码）
特点： 原文替换成密文，原文和密文使用同一张表
破解： 较易被频率分析法破解
频率分析法：
在任何一种书面语言中，不同的字母或字母组合出现的频率各不相同。
通过分析字母或字母组合在文本中出现的频率，分析出密文和原文的对应关系。
- 多表替换密码
特点： 原文替换成密文，有多张表将原文和密文进行对比替换
破解： 较易被已知明文破解
近代密码学
1949-1975：密码学成为科学
主要特点： 数据的安全基于密钥的保密而不是算法的保密
典型代表： Enigma 机
Enigma 机是一种多表替换的加密实践
现代密码学
1976 年以后：密码学新方向-公钥密码学
主要特点： 公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输的保密通信成为可能
典型代表： AES 加密 RAS 加密
进制与计量
进制
- 2 进制
- 10 进制
- 16 进制
计量
- bit （位）最小的数据单位
- Byte （字节）存储空间的最小单位
- 1 Byte = 8 bit
- 1 KB = 1024 Byte
加解密基础操作
替换
按照规则替换明文信息
移位
调整字符排列顺序
编码
- ASCII 编码
- Base64 编码
- Base58 编码
Base64 编码
小写字母 a-z、大写字母 A-Z、数字 0-9、符号"+"、"/"一共 64 个字符的字符集 （以及"="，用于填充空字符） 任何符号都可以转换成这个字符集中的字符
编码流程：
- 每字节占 8bit；以每 3 字节为一组，总计 24bit；将其转为 4 组 6bit
- 转为 4 组 6bit 后，每组高位补 0，转为 4 组 8bit
- 每组高位补 0 后，仍不够 8bit 的组，在低位补 0，转为 4 组 8bit
- 转为 4 组 8bit 后，每组可编码成 Base64 中的字符
- 注：若不够 3 字节，在转为 4 组 6bit 过程中，例如只够 2 组 6bit，则只对这 2 组 6bit 补 0 成 8bit，余下 2 组 6bit 为空白，使用"="填充
Base58 编码
在 Base64 编码的字符集上，剔除掉容易混淆的字符，形成 Base58 的字符集 去除字符 0（零）、O（大写字母 O）、I（大写字母 i）、l（小写字母 L）以及"+"和"/"符号 任何符号都可以转换成这个字符集中的字符
编码流程：
- 将字符串的每个字节换算成 ASCII(0-255)
- 将 256 进制的数字转换成 10 进制数字
- 将 10 进制数字转换成 58 进制数字
- 将 58 进制数字的每个数字编码成 Base58 中的字符
对称加密算法
特点： 使用同一个密钥进行加密和解密
优点： 加解密速度快，密文是紧凑的，安全
缺点： 密钥分发，密钥存储和密钥管理。 缺乏对数字签名/不可否认的支持。
典型代表： DES/3DES AES RC 算法（RC2/RC4/RC5）
DES 算法
DES 是一种分组加密算法 DES 密钥是固定的 56bit，不安全 DES 以块模式对 64bit 的密文进行加密操作
DES 的密钥长度是 64 比特，也就是 8 个字节。但是 DES 每隔 7 比特会设置一个错误校验位，所以真正的密钥长度是 56 比特。
因为 DES 的密钥长度是 64 比特，他每次只能将长度为 64 比特的原文进行加密，如果原文长于 64 比特的话，需要多次分组进行加密，这 64 比特的单位也叫做分组。
加密流程：
- 输入 64bit 明文数据
- 初始替换
- 在密钥控制下 16 轮迭代
- 交换左右 32bit
- 初始逆替换
- 输出 64bit 密文数据
加密模式：
- ECB 模式
电子密码本模式
特点： 明文分组后，每组信息都被相同密钥加密 优点： 加密速度快，可以并行加密 缺点： 每组相同明文得到相同密文，容易被统计学破解部分或者全部密文
- CBC 模式
加密块链模式
特点： 通过初始随机向量，将明文分组后的信息，依次加密； 每组加密后的结果，作为下一组加密的初始随机向量； 优点： 因使用随机向量加密，每组得到的密文是不同的 缺点： 加密速度较慢，不可并行加密
3DES 算法
将 DES 算法密钥长度放大 3 倍，达到 168 位 暴力破解几乎不可实现 底层基于 DES 算法 安全，但增加延时，语音视频不适用
AES 算法
使用 128bit/192bit/256bit 的密钥块（能以 32bit 扩展） 3DES 的替代加密技术，软硬件运行效率高，可用于无线/语音视频加密
RC 算法
- RC2 算法
密钥长度可变 RC2 运算速度比 DES 快 RC2 是否比 DES 安全取决于所使用的密钥长度
- RC4 算法
密钥长度可变 流模式加密算法，面向 bit 操作 算法基于随机置换 RC4 应用范围广（https/WEP/WPA）
- RC5 算法
分组长度、密钥长度、迭代次数都可以变化 面向字结构，便于软件和硬件快速实现 数据相倚旋转技术
非对称加密算法
特点： 有一对密钥，分为公钥和私钥； 私钥需要安全保存，公钥可以公开； 私钥可以推导出公钥，公钥不可推导私钥； 一个密钥用于加密，需要用另一个密钥解密； 加密速度慢，密文非紧凑；
典型应用： 加解密数据：公钥加密数据，私钥解密数据； 数字签名：发送方使用私钥签署报文进行签名，接收方使用公钥验证签名； 密钥交换：双方协商会话密钥；
典型代表： Diffie-Hellman RSA ECC DSA
| 算法 | 加密解密 | 数字签名 | 密钥交换 |
|---|---|---|---|
| RSA | 支持 | 支持 | 支持 |
| DH 算法 | 不支持 | 不支持 | 支持 |
| DSA | 不支持 | 支持 | 不支持 |
Diffie-Hellman 密钥交换算法
解决对称加密系统中密钥的发布问题 不需要使用较高代价即可对私钥达成共识 安全性来源于很难计算出很大的离散对数 在现代密钥管理中提供其他算法的密钥管理
加密流程：
Alice 和 Bob 双方约定 2 个大整数 n 和 g,其中 1<g<n，这两个整数无需保密
Alice 随机选择一个大整数 x(保密)，并计算 X=g^x mod n
Bob 随机选择一个大整数 y(保密)，并计算 Y=g^y mod n
Alice 把 X 发送给 Bob,Bob 把 Y 发送给 Alice
Alice 计算 K=Y^x mod n
Bob 计算 K=X^y mod n
K 即是共享的密钥
监听者在网络上只能监听到 X 和 Y，但无法通过 X，Y 计算出 x 和 y，因此，无法计算出 K= g^xy mod n
RSA 算法
安全性基于大素数因子分解的困难性 RSA 比用软件实现的 DES 慢 100 倍 RSA 比用硬件实现的 DES 慢 1000 倍 RSA 主要功能：加密、数字签名和密钥交换（加密散列、密钥）
ECC 椭圆曲线加密算法
原理：给定椭圆曲线上的两点 A 和 B，如 A=kB，要找到整数 K 非常困难 密钥更小：ECC 密钥 160 位与 RSA 密钥 1024 位具有相同安全性 广泛应用于数字货币（比特币）
摘要算法
摘要算法又称哈希算法、散列算法
可以对任意一组输入数据进行计算，得到一个固定长度的输出摘要
主要特性： 不可逆性：无法通过已知的 Hash 值推导出明文 无碰撞性：很难找到两段内容不同的明文，使得它们的 Hash 值一致 雪崩效应：原始输入信息轻微修改，产生的 Hash 值有很大不同
主要分类： MD(Message Digest)：消息摘要算法 SHA(Secure Hash Algorithm)：安全散列算法
典型代表： MD5 SHA1 SHA256 SHA512
破解方式： 彩虹表攻击 彩虹表的核心原理就是组合了暴力法和查表法，比对彩虹表产生的 Hash 和原文的 Hash 是否一致，通过一致的 Hash 值找到原文；
解决方式： 哈希算法+盐 使得彩虹表攻击失效
应用场景： 密码保存 完整性校验 数字签名
MD5
-
填充数据 对输入信息进行填充，使其位长对 512 求余的结果为 448 此时数据长度为 N 个 512bit + 448bit
-
补充长度信息 用 64 位数据来记录填充前信息长度，把长度信息数据补充在最后 此时数据长度为 M 个 512bit
-
初始化标准幻数 四个标准幻数均为 8 个 16 进制数据组合，每个 16 进制数据为 4bit，每个标准幻数占 32bit A: 01 23 45 67 （16 进制） B: 89 ab cd ef （16 进制） C: fe dc ba 98 （16 进制） D: 76 54 32 10 （16 进制）
-
分组运算 数据以每 512bit 为一组；每组再分为 16 个子分组，每个子分组 32bit； 每个子分组结合标准幻数做 4 次运算，16 个子分组总计 64 次运算，直到本组 512bit 数据全部运算完； 运算后会得到一个新的标准幻数；
-
结果累加 上一个 512bit 分组的标准幻数入参，和运算之后的结果，进行相加； 作为下一个 512bit 分组的标准幻数参数； 然后继续运算，直到所有 512bit 分组全部完成计算； 最后运算得到的 4 个标准幻数结果，即 MD5 值
-
MD5 值长度 每个标准幻数为 8 个 16 进制数据组成，每个 16 进制数据为 4bit，每个标准幻数占 32bit； 四个标准幻数总计 128bit； 当展示为 16 进制时，可以展示为 32 个 16 进制数，因此有 32 个字符； 展示为 16 个字符的 MD5 值，是截取了 32 个字符居中的 16 个字符；
HMAC
HMAC = Hash 算法 + Key（Message Authentication Code 消息验证码）
HMAC 过程：
- 客户端发送认证请求
- 服务端将 Key 发送给客户端
- 客户端将认证信息+Key 做 Hash 算法，把 HMAC 结果发回给服务端；
- 服务端把客户端存到服务器的认证信息+Key 做 Hash 算法，然后与客户端的 HMAC 结果对比；
- 两者一致，则客户端认证成功
PBKDF2
PBKDF2(Password-Based Key Derivation Function)是一个用来导出密钥的函数，常用于生成加密的密码
PBKDF2 过程：
- 定义一个哈希算法，例如 HMAC-SHA256
- 传入明文密码
- 传入盐值
- 传入循环计算次数
- 传入期望的密钥长度
- 通过传入的哈希算法，将明文密码+盐值，循环重复运算，计算出密钥
如果哈希算法输出的结果比期望得到的密钥长度要短，则要通过拼接多个结果以满足密钥的长度
数字签名
数字签名作用： 认证签署人身份 确定消息的不可抵赖性 保障消息的完整性
数字签名过程：
- 发送方对明文加密，使用接收方公钥加密，得到原文密文；
- 发送方对明文进行摘要算法（哈希算法），得到数字摘要；
- 发送方对数字摘要加密，使用发送方私钥加密，作为发送方的签名；
- 发送方将原文密文和发送方签名发送给接收方；
- 接收方将原文密文解密，使用接收方私钥解密，得到原文明文；
- 接收方将明文进行摘要算法（哈希算法），得到明文的数字摘要；
- 接收方将发送方签名解密，使用发送方公钥解密，得到签名的数字摘要；
- 接收方将明文数字摘要和签名数字摘要对比，相同则数据没有篡改；
数字证书与 CA
虽然数字签名能保证信息的完整性，不被篡改； 但如果公钥不是真实的发送方的公钥；而是被仿冒者替换成了自己的公钥； 则通信数据被仿冒者拦截，使用了仿冒者的公钥和私钥加解密；即中间人攻击；
为了避免中间人攻击，需要确认公钥是真实的发送方的公钥，而不是被其他人仿冒； 因此需要数字证书对发送方的公钥和身份做认证；
数字证书颁发过程：
- 用户产生了自己的密钥对，并将公共密钥及部分个人身份信息传送给一家认证中心（CA）。
- 认证中心在核实身份后，将执行一些必要的步骤，以确信请求确实由用户发送而来。
- 认证中心将发给用户一个数字证书，该证书内附了用户和他的密钥等信息，同时还附有对认证中心公共密钥加以确认的数字证书。
- 当用户想证明其公开密钥的合法性时，就可以提供这一数字证书。
数字证书内容（X.509 标准）：
- 证书的版本信息
- 证书的序列号，每个证书都有一个唯一的证书序列号
- 证书所使用的签名算法
- 证书的发行机构名称，命名规则一般采用 X.500 格式
- 证书的有效期，通用的证书一般采用 UTC 时间格式
- 证书所有人的名称，命名规则一般采用 X.500 格式
- 证书所有人的公开密钥
- 证书发行者对证书的签名
对称加密与非对称加密结合
加解密流程：
- 发送方对明文进行摘要算法，生成数字摘要；
- 发送方对数字摘要进行加密，使用发送方私钥加密，生成发送方签名；
- 发送方打包信息（明文+发送方签名+发送方公钥），将打包信息加密，使用对称密钥加密，生成打包信息密文；
- 发送方将对称密钥加密，使用接收方公钥加密，得到对称密钥密文；
- 发送方将数字信封（打包信息密文+对称密钥密文）发送给接收方；
- 接收方把对称密钥密文解密，使用接收方私钥解密，得到对称秘钥；
- 接收方把打包信息密文解密，使用对称密钥解密，得到打包信息（明文+发送方签名+发送方公钥）；
- 接收方把明文进行摘要算法，生成数字摘要 1；
- 接收方把发送方签名解密，使用发送方公钥解密，得到数字摘要 2；
- 接收方判断数字摘要 1 是否与数字摘要 2 相同，相同则数据没有篡改，且数据是发送方发送；
参考资料： www.bilibili.com/video/BV1tz… www.bilibili.com/video/BV1vq… zhuanlan.zhihu.com/p/339477329 www.jianshu.com/p/d8af38e09… www.cnblogs.com/xiaxveliang… blog.csdn.net/xy010902100… www.cnblogs.com/wfy680/p/14… blog.csdn.net/weixin_3408…
