常见的加密算法原理

Ⅰ 加密技术06-加密总结

对称密码是一种用相同的密钥进行加密和解密的技术，用于确保消息的机密性。在对称密码的算法方面，目前主要使用的是 AES。尽管对称密码能够确保消息的机密性，但需要解决将解密密钥配送给接受者的密钥配送问题。

主要算法

DES

数据加密标准（英语：Data Encryption Standard，缩写为 DES）是一种对称密钥加密块密码算法，1976年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），随后在国际上广泛流传开来。它基于使用56位密钥的对称算法。

DES现在已经不是一种安全的加密方法，主要因为它使用的56位密钥过短。

原理请参考： 加密技术01-对称加密-DES原理

3DES

三重数据加密算法（英语：Triple Data Encryption Algorithm，缩写为TDEA，Triple DEA），或称3DES（Triple DES），是一种对称密钥加密块密码，相当于是对每个数据块应用三次DES算法。由于计算机运算能力的增强，原版DES由于密钥长度过低容易被暴力破解；3DES即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。

注意：有3个独立密钥的3DES的密钥安全性为168位，但由于中途相遇攻击（知道明文和密文），它的有效安全性仅为112位。

3DES使用“密钥包”，其包含3个DES密钥，K1，K2和K3，均为56位（除去奇偶校验位）。

密文 = E k3 (D k2 (E k1 (明文)))

而解密则为其反过程：

明文 = D k3 (E k2 (D k1 (密文)))

AES

AES 全称 Advanced Encryption Standard（高级加密标准）。它的出现主要是为了取代 DES 加密算法的，因为 DES 算法的密钥长度是 56 位，因此算法的理论安全强度是 56 位。于是 1997 年 1 月 2 号，美国国家标准技术研究所宣布什望征集高级加密标准，用以取代 DES。AES 也得到了全世界很多密码工作者的响应，先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6 和 MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤，Rijndael 算法获胜。

AES 密码与分组密码 Rijndael 基本上完全一致，Rijndael 分组大小和密钥大小都可以为 128 位、192 位和 256 位。然而 AES 只要求分组大小为 128 位，因此只有分组长度为 128 位的 Rijndael 才称为 AES 算法。

本文 AES 默认是分组长度为 128 位的 Rijndael 算法

原理请参考： 加密技术02-对称加密-AES原理

算法对比

公钥密码是一种用不同的密钥进行加密和解密的技术，和对称密码一样用于确保消息的机密性。使用最广泛的一种公钥密码算法是 RAS。和对称密码相比，公钥密码的速度非常慢，因此一般都会和对称密码一起组成混合密码系统来使用。公钥密码能够解决对称密码中的密钥交换问题，但存在通过中间人攻击被伪装的风险，因此需要对带有数字签名的公钥进行认证。

公钥密码学的概念是为了解决对称密码学中最困难的两个问题而提出

应用场景

几个误解

主要算法

Diffie–Hellman 密钥交换

迪菲-赫尔曼密钥交换（英语：Diffie–Hellman key exchange，缩写为D-H） 是一种安全协议。它可以让双方在完全没有对方任何预先信息的条件下通过不安全信道创建起一个密钥。这个密钥可以在后续的通讯中作为对称密钥来加密通讯内容。公钥交换的概念最早由瑞夫·墨克（Ralph C. Merkle）提出，而这个密钥交换方法，由惠特菲尔德·迪菲（Bailey Whitfield Diffie）和马丁·赫尔曼（Martin Edward Hellman）在1976年发表，也是在公开文献中发布的第一个非对称方案。

Diffie–Hellman 算法的有效性是建立在计算离散对数很困难的基础上。简单地说，我们可如下定义离散对数。首先定义素数 p 的本原跟。素数 p 的本原根是一个整数，且其幂可以产生 1 到 p-1 之间所有整数，也就是说若 a 是素数 p 的本原根，则

a mod p, a 2 mod p,..., a p-1 mod p 各不相同，它是整数 1 到 p-1 的一个置换。

对任意整数 b 和素数 p 的本原跟 a，我们可以找到唯一的指数 i 使得

b ≡ a i (mod p) 其中 0 <= i <= p-1

其中 a, b, p 这些是公开的，i 是私有的，破解难度就是计算 i 的难度。

Elgamal

1985年，T.Elgamal 提出了一种基于离散对数的公开密钥体制，一种与 Diffie-Hellman 密钥分配体制密切相关。Elgamal 密码体系应用于一些技术标准中，如数字签名标准(DSS) 和 S/MIME 电子邮件标准。

基本原理就是利用 Diffie–Hellman 进行密钥交换，假设交换的密钥为 K，然后用 K 对要发送的消息 M，进行加密处理。

所以 Elgamal 的安全系数取决于 Diffie–Hellman 密钥交换。

另外 Elgamal 加密后消息发送的长度会增加一倍。

RSA

MIT 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）在 1977 年提出并于 1978 年首次发表的算法。RSA 是最早满足要求的公钥算法之一，自诞生日起就成为被广泛接受且被实现的通用的公钥加密方法。

RSA 算法的有效性主要依据是大数因式分解是很困难的。

原理请参考： 加密技术03-非对称加密-RSA原理

ECC

大多数使用公钥密码学进行加密和数字签名的产品和标准都使用 RSA 算法。我们知道，为了保证 RSA 使用的安全性，最近这些年来密钥的位数一直在增加，这对使用 RSA 的应用是很重的负担，对进行大量安全交易的电子商务更是如此。近来，出现的一种具有强大竞争力的椭圆曲线密码学（ECC）对 RSA 提出了挑战。在标准化过程中，如关于公钥密码学的 IEEE P1363 标准中，人们也已考虑了 ECC。

与 RSA 相比，ECC 的主要诱人之处在于，它可以使用比 RSA 短得多的密钥得到相同安全性，因此可以减少处理负荷。

ECC 比 RSA 或 Diffie-Hellman 原理复杂很多，本文就不多阐述了。

算法对比

公钥密码体制的应用

密码分析所需计算量（ NIST SP-800-57 ）

注：L=公钥的大小，N=私钥的大小

散列函数是一种将长消息转换为短散列值的技术，用于确保消息的完整性。在散列算法方面，SHA-1 曾被广泛使用，但由于人们已经发现了一些针对该算法理论上可行的攻击方式，因此该算法不应再被用于新的用途。今后我们应该主要使用的算法包括目前已经在广泛使用的 SHA-2，以及具有全新结构的 SHA-3 算法。散列函数可以单独使用，也可以作为消息认证、数字签名以及伪随机数生成器等技术的组成元素来使用。

主要应用

主要算法

MD5

MD5消息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个 128 位（ 16 字节，被表示为 32 位十六进制数字）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。MD5 由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于 1992 年公开，用以取代 MD4 算法。这套算法的程序在 RFC 1321 中被加以规范。

2009年，中国科学院的谢涛和冯登国仅用了 2 20.96 的碰撞算法复杂度，破解了MD5的碰撞抵抗，该攻击在普通计算机上运行只需要数秒钟。2011年，RFC 6151 禁止MD5用作密钥散列消息认证码。

原理请参考： 加密技术04-哈希算法-MD5原理

SHA-1

SHA-1（英语：Secure Hash Algorithm 1，中文名：安全散列算法1）是一种密码散列函数，美国国家安全局设计，并由美国国家标准技术研究所（NIST）发布为联邦资料处理标准（FIPS）。SHA-1可以生成一个被称为消息摘要的160位（20字节）散列值，散列值通常的呈现形式为40个十六进制数。

2005年，密码分析人员发现了对SHA-1的有效攻击方法，这表明该算法可能不够安全，不能继续使用，自2010年以来，许多组织建议用SHA-2或SHA-3来替换SHA-1。Microsoft、Google以及Mozilla都宣布，它们旗下的浏览器将在2017年停止接受使用SHA-1算法签名的SSL证书。

2017年2月23日，CWI Amsterdam与Google宣布了一个成功的SHA-1碰撞攻击，发布了两份内容不同但SHA-1散列值相同的PDF文件作为概念证明。

2020年，针对SHA-1的选择前缀冲突攻击已经实际可行。建议尽可能用SHA-2或SHA-3取代SHA-1。

原理请参考： 加密技术05-哈希算法-SHA系列原理

SHA-2

SHA-2，名称来自于安全散列算法2（英语：Secure Hash Algorithm 2）的缩写，一种密码散列函数算法标准，由美国国家安全局研发，由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年发布。属于SHA算法之一，是SHA-1的后继者。其下又可再分为六个不同的算法标准，包括了：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

SHA-2 系列的算法主要思路和 SHA-1 基本一致

原理请参考： 加密技术05-哈希算法-SHA系列原理

SHA-3

SHA-3 第三代安全散列算法(Secure Hash Algorithm 3)，之前名为 Keccak 算法。

Keccak 是一个加密散列算法，由 Guido Bertoni，Joan Daemen，Michaël Peeters，以及 Gilles Van Assche 在 RadioGatún 上设计。

2012年10月2日，Keccak 被选为 NIST 散列函数竞赛的胜利者。SHA-2 目前没有出现明显的弱点。由于对 MD5、SHA-0 和 SHA-1 出现成功的破解，NIST 感觉需要一个与之前算法不同的，可替换的加密散列算法，也就是现在的 SHA-3。

SHA-3 在2015年8月5日由 NIST 通过 FIPS 202 正式发表。

原理请参考： 加密技术05-哈希算法-SHA系列原理

算法对比

Ⅱ 常见密码技术简介

##

密码技术在网络传输安全上的应用

随着互联网电子商务和网络支付的飞速发展，互联网安全已经是当前最重要的因素之一。作为一名合格的软件开发工程师，有必要了解整个互联网是如何来保证数据的安全传输的，本篇文章对网络传输安全体系以及涉及到的算法知识做了一个简要的介绍，希望大家能够有一个初步的了解。

###密码技术定义

简单的理解，密码技术就是编制密码和破译密码的一门技术，也即是我们常说的加密和解密。常见的结构如图：

其中涉及到的专业术语：

1.秘钥：分为加密秘钥和解密秘钥，两者相同的加密算法称为对称加密，不同的称为非对称加密；

2.明文：未加密过的原文信息，不可以被泄露；

3.密文：经过加密处理后的信息，无法从中获取有效的明文信息；

4.加密：明文转成密文的过程，密文的长度根据不同的加密算法也会有不同的增量；

5.解密：密文转成明文的过程；

6.加密/解密算法：密码系统使用的加密方法和解密方法；

7.攻击：通过截获数据流、钓鱼、木马、穷举等方式最终获取秘钥和明文的手段。

###密码技术和我们的工作生活息息相关

在我们的日常生活和工作中，密码技术的应用随处可见，尤其是在互联网系统上。下面列举几张比较有代表性的图片，所涉及到的知识点后面都会一一讲解到。

1.12306旧版网站每次访问时，浏览器一般会提示一个警告，是什么原因导致的？ 这样有什么风险呢？

2.360浏览器浏览HTTPS网站时，点开地址栏的小锁图标会显示加密的详细信息，比如网络的话会显示```AES_128_GCM、ECDHE_RSA```，这些是什么意思？

3.在Mac系统的钥匙串里有很多的系统根证书，展开后有非常多的信息，这些是做什么用的？

4.去银行开通网上支付都会附赠一个U盾，那U盾有什么用呢？

##如何确保网络数据的传输安全

接下来我们从实际场景出发，以最常见的客户端Client和服务端Server传输文件为例来一步步了解整个安全体系。

####1. 保密性

首先客户端要把文件送到服务端，不能以明文形式发送，否则被黑客截获了数据流很容易就获取到了整个文件。也就是文件必须要确保保密性，这就需要用到对称加密算法。 

** 对称加密： **加密和解密所使用的秘钥相同称为对称加密。其特点是速度快、效率高，适用于对较大量的数据进行加密。常见的对称加密算法有DES、3DES、AES、TDEA、RC5等，让我们了解下最常见的3DES和AES算法：

** DES(Data Encryption Standard)： **1972年由美国IBM研制，数学原理是将明文以8字节分组（不足8位可以有不同模式的填充补位），通过数学置换和逆置换得到加密结果，密文和明文长度基本相同。秘钥长度为8个字节，后有了更安全的一个变形，使用3条秘钥进行三次加密，也就是3DES加密。

**3DES：**可以理解为对明文进行了三次DES加密，增强了安全程度。

** AES(Advanced Encryption Standard)： **2001年由美国发布，2002年成为有效标准，2006年成为最流行的对称加密算法之一。由于安全程度更高，正在逐步替代3DES算法。其明文分组长度为16字节，秘钥长度可以为16、24、32(128、192、256位)字节，根据秘钥长度，算法被称为AES-128、AES-192和AES-256。

对称加密算法的入参基本类似，都是明文、秘钥和模式三个参数。可以通过网站进行模拟测试：[http://tool.chacuo.net/crypt3des]()。其中的模式我们主要了解下ECB和CBC两种简单模式，其它有兴趣可自行查阅。

** ECB模式(Electronic Codebook Book)： **这种模式是将明文分成若干小段，然后对每一段进行单独的加密，每一段之间不受影响，可以单独的对某几段密文进行解密。

** CBC模式(Cipher Block Chaining)： **这种模式是将明文分成若干小段，然后每一段都会和初始向量(上图的iv偏移量)或者上一段的密文进行异或运算后再进行加密，不可以单独解密某一断密文。

 ** 填充补位： **常用为PKCS5Padding，规则为缺几位就在后面补几位的所缺位数。，比如明文数据为```/x01/x01/x01/x01/x01/x01```6个字节，缺2位补```/x02```，补完位```/x01/x01/x01/x01/x01/x01/x02/x02```。解密后也会按照这个规则进行逆处理。需要注意的是：明文为8位时也需要在后面补充8个```/x08```。

####2. 真实性

客户端有了对称秘钥，就需要考虑如何将秘钥送到服务端，问题跟上面一样：不能以明文形式直接传输，否则还是会被黑客截获到。这里就需要用到非对称加密算法。

** 非对称加密： **加密和解密秘钥不同，分别称为公开秘钥(publicKey)和私有秘钥(privateKey)。两者成对出现，公钥加密只能用私钥解密，而私钥加密也只能用公钥加密。两者不同的是：公钥是公开的，可以随意提供给任何人，而私钥必须保密。特点是保密性好，但是加密速度慢。常见的非对称加密算法有RSA、ECC等；我们了解下常见的RSA算法：

** RSA(Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman)： **1977年由麻省理工学院三人提出，RSA就是他们三个人的姓氏开头字母拼在一起组成的。数学原理是基于大数分解。类似于```100=20x5```，如果只知道100的话，需要多次计算才可以试出20和5两个因子。如果100改为极大的一个数，就非常难去试出真正的结果了。下面是随机生成的一对公私钥:

这是使用公钥加密后结果：

RSA的这种特性就可以保证私钥持有者的真实性，客户端使用公钥加密文件后，黑客就算截获到数据因为没有私钥也是无法解密的。

** Tips： **

+** 不使用对称加密，直接用RSA公私钥进行加密和解密可以吗？ **

答案：不可以，第一是因为RSA加密速度比对称加密要慢几十倍甚至几百倍以上，第二是因为RSA加密后的数据量会变大很多。

+** 由服务端生成对称秘钥，然后用私钥加密，客户端用公钥解密这样来保证对称秘钥安全可行吗？ **

答案：不可行，因为公钥是公开的，任何一个人都可以拿到公钥解密获取对称秘钥。

####3. 完整性

当客户端向服务端发送对称秘钥加密后的文件时，如果被黑客截获，虽然无法解密得到对称秘钥。但是黑客可以用服务端公钥加密一个假的对称秘钥，并用假的对称秘钥加密一份假文件发给服务端，这样服务端会仍然认为是真的客户端发送来的，而并不知道阅读的文件都已经是掉包的了。

这个问题就需要用到散列算法，也可以译为Hash。常见的比如MD4、MD5、SHA-1、SHA-2等。

** 散列算法(哈希算法)： **简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。而且该过程是不可逆的，无法通过摘要获得原文。

** SHA-1(Secure Hash Algorithm 1)： **由美国提出，可以生成一个20字节长度的消息摘要。05年被发现了针对SHA-1的有效攻击方法，已经不再安全。2010年以后建议使用SHA-2和SHA-3替代SHA-1。

** SHA-2(Secure Hash Algorithm 2)： **其下又分为六个不同算法标准：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA512/256。其后面数字为摘要结果的长度，越长的话碰撞几率越小。SHA-224的使用如下图：

客户端通过上面的散列算法可以获取文件的摘要消息，然后用客户端私钥加密后连同加密的文件发给服务端。黑客截获到数据后，他没有服务端私钥无法获取到对称秘钥，也没有客户端私钥无法伪造摘要消息。如果再像上面一样去掉包文件，服务端收到解密得到摘要消息一对比就可以知道文件已经被掉包篡改过了。

这种用私钥对摘要消息进行加密的过程称之为数字签名，它就解决了文件是否被篡改问题，也同时可以确定发送者身份。通常这么定义：

** 加密： **用公钥加密数据时称为加密。

** 签名： **用私钥加密数据时称为签名。

####4. 信任性

我们通过对称加密算法加密文件，通过非对称加密传输对称秘钥，再通过散列算法保证文件没被篡改过和发送者身份。这样就安全了吗？

答案是否定的，因为公钥是要通过网络送到对方的。在这期间如果出现问题会导致客户端收到的公钥并不一定是服务端的真实公钥。常见的** 中间人攻击 **就是例子：

** 中间人攻击MITM(Man-in-the-MiddleAttack)： **攻击者伪装成代理服务器，在服务端发送公钥证书时，篡改成攻击者的。然后收到客户端数据后使用攻击者私钥解密，再篡改后使用攻击者私钥签名并且将攻击者的公钥证书发送给服务器。这样攻击者就可以同时欺骗双方获取到明文。

这个风险就需要通过CA机构对公钥证书进行数字签名绑定公钥和公钥所属人，也就是PKI体系。

** PKI(Privilege Management Infrastructure)： **支持公钥管理并能支持认证、加密、完整性和可追究性的基础设施。可以说整个互联网数据传输都是通过PKI体系进行安全保证的。

** CA(Certificate Authority)： **CA机构就是负责颁发证书的，是一个比较公认的权威的证书发布机构。CA有一个管理标准：WebTrust。只有通过WebTrust国际安全审计认证，根证书才能预装到主流的浏览器而成为一个全球可信的认证机构。比如美国的GlobalSign、VeriSign、DigiCert，加拿大的Entrust。我国的CA金融方面由中国人民银行管理CFCA，非金融CA方面最初由中国电信负责建设。

CA证书申请流程：公司提交相应材料后，CA机构会提供给公司一张证书和其私钥。会把Issuer,Public key,Subject,Valid from,Valid to等信息以明文的形式写到证书里面，然后用一个指纹算法计算出这些数字证书内容的一个指纹，并把指纹和指纹算法用自己的私钥进行加密。由于浏览器基本都内置了CA机构的根证书，所以可以正确的验证公司证书指纹（验签），就不会有安全警告了。

但是：所有的公司其实都可以发布证书，甚至我们个人都可以随意的去发布证书。但是由于浏览器没有内置我们的根证书，当客户端浏览器收到我们个人发布的证书后，找不到根证书进行验签，浏览器就会直接警告提示，这就是之前12306打开会有警告的原因。这种个人发布的证书，其实可以通过系统设置为受信任的证书去消除这个警告。但是由于这种证书机构的权威性和安全性难以信任，大家最好不要这么做。

我们看一下网络HTTPS的证书信息：

其中比较重要的信息：

签发机构：GlobalSign Root CA；

有效日期：2018-04-03到2019-05-26之间可用；

公钥信息：RSA加密，2048位；

数字签名：带 RSA 加密的 SHA-256 ( 1.2.840.113549.1.1.11 )

绑定域名：再进行HTTPS验证时，如果当前域名和证书绑定域名不一致，也会出现警告；

URI：在线管理地址。如果当前私钥出现了风险，CA机构可以在线吊销该证书。

####5. 不可抵赖性

看起来整个过程都很安全了，但是仍存在一种风险：服务端签名后拒不承认，归咎于故障不履行合同怎么办。

解决方法是采用数字时间戳服务：DTS。

** DTS(digital time-stamp)： **作用就是对于成功的电子商务应用，要求参与交易各方不能否认其行为。一般来说，数字时间戳产生的过程为：用户首先将需要加时间戳的文件用Hash算法运算形成摘要，然后将该摘要发送到DTS。DTS在加入了收到文件摘要的日期和事件信息后再对该文件进行数字签名，然后送达用户。

####6. 再次认证

我们有了数字证书保证了身份的真实性，又有了DTS提供的不可抵赖性。但是还是不能百分百确定使用私钥的就是合法持有者。有可能出现被别人盗用私钥进行交易的风险。

解决这个就需要用到强口令、认证令牌OTP、智能卡、U盾或生物特征等技术对使用私钥的当前用户进行认证，已确定其合法性。我们简单了解下很常见的U盾。

** USB Key(U盾)： **刚出现时外形比较像U盘，安全性能像一面盾牌，取名U盾。其内部有一个只可写不可读的区域存储着用户的私钥(也有公钥证书)，银行同样也拥有一份。当进行交易时，所有涉及到私钥的运算都在U盾内部进行，私钥不会泄露。当交易确认时，交易的详细数据会显示到U盾屏幕上，确认无误后通过物理按键确认就可以成功交易了。就算出现问题黑客也是无法控制U盾的物理按键的，用户可以及时取消避免损失。有的U盾里面还有多份证书，来支持国密算法。

** 国密算法： **国家密码局针对各种算法制定了一些列国产密码算法。具体包括：SM1对称加密算法、SM2公钥算法、SM3摘要算法、SM4对称加密算法、ZUC祖冲之算法等。这样可以对国产固件安全和数据安全进行进一步的安全控制。

## HTTPS分析

有了上面的知识，我们可以尝试去分析下HTTPS的整个过程，用Wireshark截取一次HTTPS报文：

Client Hello: 客户端发送Hello到服务端443端口，里面包含了随机数、客户端支持的加密算法、客户端的TLS版本号等；

Server Hello: 服务端回应Hello到客户端，里面包含了服务端选择的加密套件、随机数等；

Certificate： 服务端向客户端发送证书

服务端计算对称秘钥：通过ECDH算法得到对称秘钥

客户端计算对称秘钥：通过ECDH算法得到对称秘钥

开始用对称秘钥进行加密传输数据

其中我们又遇到了新的算法：DH算法

** DH(Diffie-Hellman)： **1976年由Whitefield与Martin Hellman提出的一个奇妙的秘钥交换协议。这个机制的巧妙在于可以通过安全的方式使双方获得一个相同的秘钥。数学原理是基于原根的性质，如图：

*** DH算法的用处不是为了加密或解密消息，而是用于通信双方安全的交换一个相同的秘钥。 ***

** ECDH： **基于ECC(椭圆曲线密码体制)的DH秘钥交换算法，数学原理是基于椭圆曲线上的离散对数问题。

** ECDHE： **字面少了一个E，E代表了临时。在握手流程中，作为服务器端，ECDH使用证书公钥代替Pb，使用自身私钥代替Xb。这个算法时服务器不发送server key exchange报文，因为发送certificate报文时，证书本身就包含了Pb信息。

##总结

| 算法名称  | 特点 | 用处 | 常用算法名 |

| --- | :--- | :---: | ---: |

| 对称加密  | 速度快，效率高| 用于直接加密文件 | 3DES、AES、RC4 |

| 非对称加密  | 速度相对慢，但是确保安全 | 构建CA体系 | RSA、ECC |

| 散列算法 | 算出的摘要长度固定，不可逆 | 防止文件篡改 | SHA-1、SHA-2 |

| DH算法 | 安全的推导出对称秘钥 | 交换对称秘钥 | ECDH |

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Ⅲ 古典密码学常用的技术和主要的密码算法原理

古典密码技术根据其基本原理大体可以分为两类：替换密码技术和换位密码技术。

古典悄和含密码是密码学中的其中一个类型，其大部分加密方式都是利用替换式密码或移项式密码，有时则是两者的混合。其于历史中经常使用，但在现代由于计算机的出现，使得古典密码解密已经不再困难，已经很少使用，大部分的已经不再使用了。

利用一个密钥字来构造替换作为密钥，先将密钥字作为首段密文，然后将之后未在字母表中出现过的字母依次写在此密钥字之后，构造出一个字母替换表。当密文为英文单词时，最多可以有26！个不同的替换表（包括恒等变换）。

仿射密码技术：启笑

即结合乘法密码技术和移位密码技术。

它的加密函数是 e(x)=ax+b，其中a和 m互质，m是字母的数目。

解码函数是 d(x)=i*(x-b)mod m，其中 i 是 a 的乘法逆元。

当a=0时，仿射密码技术退化为移位替换密码技术。

当b=0时，仿射密码技术退化为乘法密码技术。

Ⅳ 常用的加密算法有哪些

对称密钥加密

对称密钥加密 Symmetric Key Algorithm 又称为对称加密、私钥加密、共享密钥加密：这类算法在加密和解密时使用相同的密钥，或是使用两个可以简单的相互推算的密钥，对称加密的速度一般都很快。

• 分组密码

分组密码 Block Cipher 又称为“分块加密”或“块加密”，将明文分成多个等长的模块，使用确定的算法和对称密钥对每组分别加密解密。这也就意味着分组密码的一个优点在于可以实现同步加密，因为各分组间可以相对独立。

与此相对应的是流密码：利用密钥由密钥流发生器产生密钥流，对明文串进行加密。与分组密码的不同之处在于加密输出的结果不仅与单独明文相关，而是与一组明文相关。

• DES、3DES

数据加密标准 DES Data Encryption Standard 是由IBM在美国国家安全局NSA授权下研制的一种使用56位密钥的分组密码算法，并于1977年被美国国家标准局NBS公布成为美国商用加密标准。但是因为DES固定的密钥长度，渐渐不再符合在开放式网络中的安全要求，已经于1998年被移出商用加密标准，被更安全的AES标准替代。

DES使用的Feistel Network网络属于对称的密码结构，对信息的加密和解密的过程极为相似或趋同，使得相应的编码量和线路传输的要求也减半。

DES是块加密算法，将消息分成64位，即16个十六进制数为一组进行加密，加密后返回相同大小的密码块，这样，从数学上来说，64位0或1组合，就有2^64种可能排列。DES密钥的长度同样为64位，但在加密算法中，每逢第8位，相应位会被用于奇偶校验而被算法丢弃，所以DES的密钥强度实为56位。

3DES Triple DES，使用不同Key重复三次DES加密，加密强度更高，当然速度也就相应的降低。

• AES

高级加密标准 AES Advanced Encryption Standard 为新一代数据加密标准，速度快，安全级别高。由美国国家标准技术研究所NIST选取Rijndael于2000年成为新一代的数据加密标准。

AES的区块长度固定为128位，密钥长度可以是128位、192位或256位。AES算法基于Substitution Permutation Network代换置列网络，将明文块和密钥块作为输入，并通过交错的若干轮代换"Substitution"和置换"Permutation"操作产生密文块。

AES加密过程是在一个4*4的字节矩阵（或称为体State）上运作，初始值为一个明文区块，其中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte，加密时，基本上各轮加密循环均包含这四个步骤：



• ECC

ECC即 Elliptic Curve Cryptography 椭圆曲线密码学，是基于椭圆曲线数学建立公开密钥加密的算法。ECC的主要优势是在提供相当的安全等级情况下，密钥长度更小。

ECC的原理是根据有限域上的椭圆曲线上的点群中的离散对数问题ECDLP，而ECDLP是比因式分解问题更难的问题，是指数级的难度。而ECDLP定义为：给定素数p和椭圆曲线E，对Q＝kP，在已知P，Q 的情况下求出小于p的正整数k。可以证明由k和P计算Q比较容易，而由Q和P计算k则比较困难。

• 数字签名

数字签名 Digital Signature 又称公钥数字签名是一种用来确保数字消息或文档真实性的数学方案。一个有效的数字签名需要给接收者充足的理由来信任消息的可靠来源，而发送者也无法否认这个签名，并且这个消息在传输过程中确保没有发生变动。

数字签名的原理在于利用公钥加密技术，签名者将消息用私钥加密，然后公布公钥，验证者就使用这个公钥将加密信息解密并对比消息。一般而言，会使用消息的散列值来作为签名对象。

Ⅳ 目前常用的加密方法主要有两种是什么

目前常用的加密方法主要有两种，分别为：私有密钥加密和公开密钥加密。私有密钥加密法的特点信息发送方与信息接收方均需采用同样的密钥，具有对称性，也称对称加密。公开密钥加密，又称非对称加密，采用一对密钥，一个是私人密钥，另一个则是公开密钥。
私有密钥加密

私有密钥加密，指在计算机网络上甲、乙两用户之间进行通信时，发送方甲为了保护要传输的明文信息不被第三方窃取，采用密钥A对信息进行加密而形成密文M并发送给接收方乙，接收方乙用同样的一把密钥A对收到的密文M进行解密，得到明文信息，从而完成密文通信目的的方法。

这种信息加密传输方式，就称为私有密钥加密法。

私有密钥加密的特点：

私有密钥加密法的一个最大特点是：信息发送方与信息接收方均需采用同样的密钥，具有对称性，所以私有密钥加密又称为对称密钥加密。

私有密钥加密原理：

私有加密算法使用单个私钥来加密和解密数据。由于具有密钥的任意一方都可以使用该密钥解密数据，因此必须保证密钥未被授权的代理得到。

公开密钥加密

公开密钥加密（public-key cryptography），也称为非对称加密（asymmetric cryptography），一种密码学算法类型，在这种密码学方法中，需要一对密钥，一个是私人密钥，另一个则是公开密钥。

这两个密钥是数学相关，用某用户密钥加密后所得的信息，只能用该用户的解密密钥才能解密。如果知道了其中一个，并不能计算出另外一个。因此如果公开了一对密钥中的一个，并不会危害到另外一个的秘密性质。称公开的密钥为公钥；不公开的密钥为私钥。

Ⅵ 常见的加密算法、原理、优缺点、用途

在安全领域，利用密钥加密算法来对通信的过程进行加密是一种常见的安全手段。利用该手段能够保障数据安全通信的三个目标：

而常见的密钥加密算法类型大体可以分为三类：对称加密、非对称加密、单向加密。下面我们来了解下相关的算法原理及其常见的算法。

在加密传输中最初是采用对称密钥方式，也就是加密和解密都用相同的密钥。

1.对称加密算法采用单密钥加密，在通信过程中，数据发送方将原始数据分割成固定大小的块，经过密钥和加密算法逐个加密后，发送给接收方

2.接收方收到加密后的报文后，结合解密算法使用相同密钥解密组合后得出原始数据。

图示：

非对称加密算法采用公钥和私钥两种不同的密码来进行加解密。公钥和私钥是成对存在，公钥是从私钥中提取产生公开给所有人的，如果使用公钥对数据进行加密，那么只有对应的私钥（不能公开）才能解密，反之亦然。N 个用户通信，需要2N个密钥。

非对称密钥加密适合对密钥或身份信息等敏感信息加密，从而在安全性上满足用户的需求。

1.甲使用乙的公钥并结合相应的非对称算法将明文加密后发送给乙，并将密文发送给乙。
2.乙收到密文后，结合自己的私钥和非对称算法解密得到明文，得到最初的明文。

图示：

单向加密算法只能用于对数据的加密，无法被解密，其特点为定长输出、雪崩效应（少量消息位的变化会引起信息摘要的许多位变化）。

单向加密算法常用于提取数据指纹，验证数据的完整性、数字摘要、数字签名等等。

1.发送者将明文通过单向加密算法加密生成定长的密文串，然后传递给接收方。

2.接收方将用于比对验证的明文使用相同的单向加密算法进行加密，得出加密后的密文串。

3.将之与发送者发送过来的密文串进行对比，若发送前和发送后的密文串相一致，则说明传输过程中数据没有损坏；若不一致，说明传输过程中数据丢失了。

图示：

MD5、sha1、sha224等等

密钥交换IKE（Internet Key Exchange）通常是指双方通过交换密钥来实现数据加密和解密

常见的密钥交换方式有下面两种：

将公钥加密后通过网络传输到对方进行解密，这种方式缺点在于具有很大的可能性被拦截破解，因此不常用

DH算法是一种密钥交换算法，其既不用于加密，也不产生数字签名。

DH算法通过双方共有的参数、私有参数和算法信息来进行加密，然后双方将计算后的结果进行交换，交换完成后再和属于自己私有的参数进行特殊算法，经过双方计算后的结果是相同的，此结果即为密钥。

如：

安全性

在整个过程中，第三方人员只能获取p、g两个值，AB双方交换的是计算后的结果，因此这种方式是很安全的。

答案：使用公钥证书

公钥基础设施是一个包括硬件、软件、人员、策略和规程的集合

用于实现基于公钥密码机制的密钥和证书的生成、管理、存储、分发和撤销的功能

签证机构CA、注册机构RA、证书吊销列表CRL和证书存取库CB。

公钥证书是以数字签名的方式声明，它将公钥的值绑定到持有对应私钥的个人、设备或服务身份。公钥证书的生成遵循X.509协议的规定，其内容包括：证书名称、证书版本、序列号、算法标识、颁发者、有效期、有效起始日期、有效终止日期、公钥 、证书签名等等的内容。

1.客户A准备好要传送的数字信息（明文）。（准备明文）

2.客户A对数字信息进行哈希（hash）运算，得到一个信息摘要。（准备摘要）

3.客户A用CA的私钥（SK）对信息摘要进行加密得到客户A的数字签名，并将其附在数字信息上。（用私钥对数字信息进行数字签名）

4.客户A随机产生一个加密密钥（DES密钥），并用此密钥对要发送的信息进行加密，形成密文。 （生成密文）

5.客户A用双方共有的公钥（PK）对刚才随机产生的加密密钥进行加密，将加密后的DES密钥连同密文一起传送给乙。（非对称加密，用公钥对DES密钥进行加密）

6.银行B收到客户A传送过来的密文和加过密的DES密钥，先用自己的私钥（SK）对加密的DES密钥进行解密，得到DES密钥。（用私钥对DES密钥解密）

7.银行B然后用DES密钥对收到的密文进行解密，得到明文的数字信息，然后将DES密钥抛弃（即DES密钥作废）。（解密文）

8.银行B用双方共有的公钥（PK）对客户A的数字签名进行解密，得到信息摘要。银行B用相同的hash算法对收到的明文再进行一次hash运算，得到一个新的信息摘要。（用公钥解密数字签名）

9.银行B将收到的信息摘要和新产生的信息摘要进行比较，如果一致，说明收到的信息没有被修改过。（对比信息摘要和信息）

答案是没法保证CA的公钥没有被篡改。通常操作系统和浏览器会预制一些CA证书在本地。所以发送方应该去那些通过认证的CA处申请数字证书。这样是有保障的。

但是如果系统中被插入了恶意的CA证书，依然可以通过假冒的数字证书发送假冒的发送方公钥来验证假冒的正文信息。所以安全的前提是系统中不能被人插入非法的CA证书。

END