密码学基础知识

一、安全原则

信息安全三要素（CIA）：机密性（confidential）、完整性（integrality）、可用性（availability）

• 机密性
  

机密性是指保证信息不被非授权访问，即使非授权用户得到信息也无法知晓信息内容，因而不能使用。他的任务是确保信息不会被未授权用户访问，通常是通过访问控制阻止非授权用户获得机密信息，通过加密变换阻止非授权用户获知信息内容。

• 完整性
  

完整性是指维护信息的一致性，即信息在生成、传输、存储和使用过程中不应该发生人为或非人为的非授权篡改。信息的完整性包括两个方面：1.数据完整性：数据没有被(未授权)篡改或者损坏； 2.系统完整性：系统未被非法操纵，按既定的目标运行。

• 可用性
  

可用性是指保障信息资源随时可提供服务的能力特性，即授权用户可根据需要可以随时访问所需信息。可用性是信息资源服务功能和性能可靠性的度量，涉及到物理、网络、系统、数据、应用和用户等多方面的因素，是对信息网络总体可靠性的要求。
二、密码学组件知识

如果把密码体系比作一栋积木搭建的房子，里面的房间、家具、装饰等就是各种基本构成组件了，它们包括：对称密码、公钥密码、单向散列函数、消息认证码、数字签名以及伪随机数生成器。
任何密码体系都可被拆分成各种密码组件，对于密码体系的攻击也可以从 密码组件 和 密码体系本身来进行。


1、对称密码算法

加密和解密密钥相同，加密强度高、速度快；密钥管理是最大的问题（要满足保密性、唯一性）；
常见的对称密码算法有：DES（不安全不使推荐）、三重DES（在DES的基础上增长了密钥长度）、AES（在用）、IDEA （国际数据加密算法）。
1.1 分组密码

分组密码：在密码学中，分组加密（英语：Block cipher），又称分块加密或块密码，是一种对称密钥算法。它将明文分成多个等长的模块（block），使用确定的算法和对称密钥对每组分别加密解密。分组加密是极其重要的加密协议组成，其中典型的如AES和3DES作为美国政府核定的标准加密算法，应用领域从电子邮件加密到银行交易转帐，非常广泛。DES、AES都属于分组密码。

ECB模式容易被攻击，不推荐使用。

2、公钥密码算法

公钥密码算法 又称 非对称密码算法，加密和解密密钥不同，通常是 公钥加密、私钥解密（公钥默认公开、私钥保密），常用于对称加密过程中密钥的传递。
常见的公钥密码算法有：RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、Diffie-Hellman、ECC（椭圆曲线加密算法），使用最广泛的是RSA算法（推荐使用密钥长度大于768的，常见密钥长度1024、2048、4096）。
3、单向散列函数

单向散列函数（也叫Hash算法、消息摘要算法、散列算法、杂凑算法），输入不同长度的消息，生成固定长度的摘要值，通过前后对比摘要值来判断消息是否有被篡改（但不能实现身份的认证），具有单向性的特点（消息不可被解密回明文）。
常见单向散列函数有：

• MD4，可被爆破、不推荐使用；
  
• MD5，强抗碰撞性已被攻破，彩虹表，不推荐使用；
  
• SHA-1，可被爆破、不推荐使用；
  
• SHA-2，包含 SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256;
  
• SHA-3，包含 SHA3-224、SHA3-256、SHA3-384、SHA3-512。
  

应用场景：

• 文件完整性保护，通过Hash值检查软件指纹、判断是否被篡改；
  
• 密码保护，不直接记录密码本身、记录加盐的密码hash值；
  
• 数字签名，对消息的Hash值进行签名；
  
• 消息认证码（HMAC），Hash（消息，密钥），用于防止消息被篡改；
  
• 伪随机数生成器；
  
• 一次性口令。
  

4、消息认证码（Message Authentication Code）

消息认证码（Message Authentication Code）是一种确认完整性并进行认证的技术（消息是否被篡改、发送者身份是否被伪装）。
输入 消息 + 双方共享的密钥，输出 固定长度的 MAC 值，通过比对 MAC 来完成消息完整性和认证；由于发送者和接收者共享相同的密钥，因此会产生无法向第三方证明以及无法防止否认的问题。
常见的一种实现方法是HAMC（Hash-based Message Authentication Code），HMAC（Message,Key）；此外还有使用分组密码来实现的（AES CBC模式）。
常见应用场景：

• SWIFT
  
• IPsec
  
• SSL/TLS
  

5、数字签名

使用非对称加密算法实现数字签名：消息发送者使用自己的私钥加密、消息接收者使用消息发送者的公钥解密验证，用于识别篡改和伪装、防止否认。 和公钥加密是刚好相反的过程；例如在RSA算法中：

• 公钥加密：公钥加密、私钥解密
  
• 数字签名：私钥签名（加密）、公钥验签（解密）
  
  实现方法：
  
• 直接对消息进行签名
  
• 对消息的散列值进行签名（较为常见的一种）
  

应用场景：

• 消息发布，加上发布者的签名以证明消息的真实性；
  
• 软件下载，证明其来自合法的渠道（配合单向散列函数，验证消息的完整性）；
  
• 公钥证书
  
• SSL/TLS
  
  

6、公钥基础设施（PKI）

Referer：《信息安全技术公钥基础设施PKI 系统安全技术要求》
要保证所使用的数字证书是合法的，有个前提就是 保持公钥是合法的（没有被篡改和伪造），那么就要对该公钥进行签名、对为公钥进行签名的公钥进行签名、、、、、 需要构建一个可信的数字签名链条，就引入了PKI（Public Key Infrastructure）公钥基础设施。
证书的作用：对公钥进行认证（对公钥进行数字签名），证明该公钥是来自可信的公钥所有者。
PKI的组成：

• 用户：使用PKI的实体（人/服务）
  
• 认证机构（CA，Certification Authority）：颁发证书
  
• 仓库：保存证书的数据库
  
  

6.1 PGP中的信任网

不依赖特定的证书机构，通过对用户对每个公钥进行互相签名从而建立起一个信任网络
7、密码协议

IPsec、SSL
IPsec：网络层，站到站通信
SSL：应用层和传输层，端到站通信 ，TLS 1.2/1.3
二、密码组件的应用

1、SSL/TLS

SSL/TLS是一种安全的密码协议，可以承载HTTP/SMTP/POP3/FTP等通信协议，在它们上面“套一层”安全协议，可以解决如下问题：

• 机密性——对称密码算法
  
• 完整性——消息认证码（HMAC）
  
• 认证——数字签名
  

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