密码技术

密码算法的特性
1、是否需要事先配送私钥：对称密码需要考虑
2、是否会遭到中间人攻击：非对称密码分发公钥时需要考虑
3、不可抵赖（可被双方 和 第三方 用原理证明）：非对称密码分发公钥时需要考虑
4、能否保证消息的机密性：即不可破译
5、能否保证消息的完整性（一致性）：即不可篡改
6、不可冒充（伪造）

总结：对称密码（解决456）--非对称密码之单向通信--> 混合密码（解决1） --非对称密码之数字签名--> 公钥证书（解决23）

概念
密码算法：加密算法 + 密钥 + 解密算法，简称密码
密钥空间：密钥的所有取值
隐蔽式安全性：以密码算法不为人所知，来保证机密性
分组密码：对明文进行分组加密，而非以全文作为输入
流密码：不分组，整体加密

破解密文的方法
1、窃听 + 破译
2、社会工程学
破解密钥的方法
1、暴力破解（密钥穷举），例如破译凯撒密码
2、频率分析，例如破译简单替换密码
3、选择明文攻击（对分组进行明文穷举）

加密系统的可选技术
隐写术：将消息藏在更大的数据中，例如藏头诗
伪随机数生成器
散列值（摘要，哈希值，指纹）：原文经过散列函数（摘要函数，哈希函数，杂凑函数，单向加密）计算出来的值
对称密码（共享密钥密码）：加密和解密用同一个私钥
非对称密码（公钥密码）：公钥加密，私钥解密
消息认证码
数字签名
公钥证书

散列函数

碰撞：两个消息的散列值相同
弱抗碰撞性：给定一条消息，很难找到另一条消息与其散列值相同。防止以下情形，Bob持有一个消息A，计算其摘要；Alice找到与A散列值相同的另一条消息B，用B将A调包；由于摘要不变，不被Bob发觉
强抗碰撞性：很难找到两条散列值相同的消息。防止以下情形，Alice拿两个摘要相同的消息A和B，将A发给Bob；Bob计算其摘要；Alice再用B将A调包；由于摘要不变，不被Bob发觉
MD5（Message Digest 5）
历史：1991年Ronald Rivest 设计出MD5
现状：2004年王小云提出了MD5碰撞攻击算法
SHA
历史：1993年NIST发布SHA，1995年发布SHA-1，2002年发布SHA-2
现状：2004年王小云提出了SHA-0的碰撞攻击算法；2005年王小云提出了SHA-1的碰撞攻击算法
SHA-3
历史：2007年NIST发起选拔SHA-3，2012年Joan Daemen等人设计的Keccak算法被选定为SHA-3

随机数

弱伪随机数：随机性
强伪随机数：不可预测性
真随机数：不可重现性

随机数生成器：硬件可以通过热噪声实现真随机数
伪随机数生成器：软件只能生成伪随机数，需要一种子seed来初始化

伪随机数算法：线性同余法、散列法、密码法等

对称密码

好的对称密码解决：不可破译
缺点：需要事先配送密钥
凯撒密码
加密算法：字母平移
密钥：平移位数
解密算法：逆向平移
破解密钥：穷举可能的密钥
简单替换密码
加密算法：一个字母替换成另一个字母
密钥：替换表
解密算法：逆向替换
破解密钥：对密文的字母 和 字母组合进行频率分析，与通用频率表对比；用破译出来的明文字母，代入密文，循环分析
Enigma密码
发明者：德国人Arthur Sherbius
加密算法：双重加密，每日密钥作为密钥1，想一个密钥2；用密钥1加密密钥2，得到密钥2密文；用密钥2加密消息；将密钥2密文和消息密文一起发出
密钥：密钥册子记录的每天不同的密钥
解密算法：用每日密钥解密密钥2密文，得到密钥2；用密钥2解密消息密文
破译者：Alan Turing 图灵

DES密码（Data Encryption Standard）
历史：1974年IBM公司的Horst Feistel开发出了Lucifer密码，1977年被美国国家标准学会（American National Standards Institute，ANSI）确定为DES标准
加密算法：以64比特为一组，进行16轮运算。在一轮中，把一组分为左侧和右侧，并从密钥中提取子密钥；轮函数用一侧和子密钥生成一个比特序列，用这个比特序列对另一侧进行异或运算（XOR）
密钥：长度56位
破译：可在现实时间内被暴力破解

三重DES密码（triple-DES，TDEA，3DES）
加密算法：将DES重复三次
密钥：长度 56 * 3

AES密码（Advanced Encryption Standard）
历史：1997年，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）公开募集AES，2000年比利时密码学家Joan Daemen 和 Vincent Rijmen提交的Rijndael方案，被选为标准
加密算法：以128比特为一组，进行多轮的替换、平移、矩阵运算
密钥：有128,192,256三种长度

分组密码的迭代模式
ECB模式：Electronic CodeBook mode，电子密码本模式；明文分组 和 密文分组 顺序对应。主动攻击者可以改变密文分组的顺序，复制 或 删除密文分组，使得接受者解密后得到错误的明文
CBC模式：Cipher Block Chaining mode，密码分组链接模式；将本组明文 和 上组密文 进行异或运算后，在进行加密；如果被篡改，则不能正常解密
CFB模式：Cipher Feedback mode，密文反馈模式；将本组明文 和 上组密文 进行异或运算后，就得到本组的密文
OFB模式：Output Feedback mode，输出反馈模式；用随机比特序列作为初始化组（初始化向量）；用初始化组的密文和 明文分组 异或运算，得到密文分组；再次对初始化组密文进行加密运算，得到新的初始化组密文，跟下组明文进行异或运算，以此类推
CTR模式：CounTeR mode，计数器模式；用随机比特序列作为计数器的初始值，加密后与明文分组进行异或操作，得到密文分组；计数器加一，对下组明文进行加密

消息认证码（Message Authentication Code，MAC）（对称加密 + 散列函数）

对称密码中，发送方发送密文时，带上消息的MAC值A；接收方用相同方法计算出MAC值B；对比A和B，确保消息不被篡改
Encrypt-then-MAC：MAC值为消息密文的散列值
Encrypt-and-MAC：MAC值为消息明文的散列值
MAC-then-Encrypt：MAC值为明文散列值的密文

重放攻击：攻击者窃听到Alice给Bob发送的消息后，重复给Bob发送，Bob以为都是Alice发的
预防重放攻击：消息里带有一个id

比对称密码：不可篡改、不可伪造
缺点：需要实现配送私钥

基于口令的密码

基于口令的密码：Password Based Encryption，PBE
解决：密钥（会话密钥）保存问题
CEK：会话密钥
KEK：用来加密CEK的密钥
方案
1、随机数作为盐salt，口令 + 盐 的散列值作为KEK
2、用KEK加密CEK，得到CEK密文
3、只保存盐和CEK密文，人脑记住口令，丢弃KEK

字典攻击：如果没有盐参与生成KEK，那么口令决定了KEK，常用的口令对应一个常用KEK字典，攻击者直接拿常用KEK去解密CEK密文
盐的作用：KEK由盐参与形成，不可能有KEK字典包含这样的KEK

非对称密码 之 单向通信（公钥加密，私钥解密）

非对称密码单向通信，不能单独用于通信，只用在混合密码中
方案：Alice 给 Bob 分发加密密钥（公钥）；Bob用公钥加密消息，发送给Alice；Alice用解密密钥（私钥）解密
总结：消息接收者是密钥对主人，即私钥持有人；公钥用于加密，私钥用于解密

RSA密码
历史：1978年，Ron Rivest、Adi Shamir、Reonard Adleman共同发表了RSA
加密算法：密文 = 明文^E mode N
公钥：E 和 N的组合
解密算法：明文 = 密文^D mode N
私钥：D 和 N的组合

生成密钥对
生成质数：用伪随机数生成随机数，通过Miller-Rabin测试法测试它是不是质数，直到得到质数
求最大公约数：欧几里得的辗转相除法
1、求N
生成两个512位的质数p和q，N = p * q
2、求L
L是p-1 和 q-1 的最小公倍数
3、求E
用伪随机数生成(1,L)范围内的随机数，直到满足E和L的最大公约数为1
4、求D
用伪随机数生成(1,L)范围内的随机数，直到满足(E * D) mod L = 1

破解：对N进行质因数分解，得到p和q，从而求出D。但是对大数的质因数分解，未有快速有效的方法

混合密码（消息认证码 + 非对称密码）

首次通信为混合密码，后续通信为对称密码
比消息认证码：无需事先配送私钥
总体思路：Bob 用会话密钥加密消息，用Alice的公钥加密会话密钥，一起发给Alice；Alice用私钥解密会话密钥，用会话密钥解密消息
会话密钥：用来加密消息的 对称密码的密钥
1、Alice 给 Bob 发送公钥
2、Bob随机生成会话密钥，用会话密钥加密消息，得到消息密文
3、Bob用公钥加密会话密钥，得到会话密钥密文
4、Bob将会话密钥密文和消息密文一起发给Alice
5、Alice用私钥解密会话密钥，再用会话密钥解密消息
6、双方都有了会话密钥，从此以后，可以用对称密码通信了，带上消息认证码

缺点：分发公钥时，可能遭受中间人攻击；Alice可能对给Bob发送公钥这件事进行抵赖
中间人攻击：中间人从一开始Alice向Bob发放公钥时，就拦截了消息，得到Alice的公钥；然后伪装成Alice，向Bob发送自己的公钥；从而Bob打算发给Alice的消息，能被中间人解密

非对称密码 之 数字签名（私钥加密，公钥解密）（非对称加密 + 摘要）

不能单独用于通信，只用在公钥证书中
明文签名：Alice用签名密钥（私钥）加密消息的摘要，把摘要密文和消息明文一起发给Bob；Bob解密摘要密文，得到摘要A；算出明文摘要B，对比A和B
总结：私钥用于加密，公钥用于解密，与 非对称加密之单向通信，刚好反过来

公钥证书（混合密码 + 数字签名）

公钥证书：Public-Key Certificate，PKC，简称证书
认证机构：Certification Authority，CA
证书标准：国际电信联盟ITU 和 国际标准化组织ISO指定的X.509标准
流程：
1、Alice在CA登记
2、CA生成Alice的证书明文，包含Alice登记的信息、Alice的公钥、CA信息
3、CA用自己的私钥加密证书明文部分，得到数字签名
4、证书明文部分 和 数字签名 组成PKC，颁发给Alice
5、Bob向Alice获取这个PKC，拿本地已有的CA公钥去验证证书，就得到了可信的Alice的公钥
6、从此Alice 和 Bob之间可以进行混合密码通信

首次通信为从CA获取PKC，后续通信为混合密码
比混合密码：防止了中间人攻击；CA不能抵赖自己的证书

SSL/TLS协议

历史：1994年网景公司设计出SSL，2014年SSL 3.0被发现安全漏洞，1999年IEIF发布TLS
TLS（Transport Layer Security）是SSL（Secure Socket Layer）的后续版本，在tcp和http之间加一层TLS，就是https
OpenSSL：OpenSSL是实现SSL/TLS协议的工具包
以https为例
0、浏览器安装时，存有几个CA公钥；服务器在CA登记，拿到证书
1、浏览器访问一个https地址，服务器返回自己的证书
2、浏览器根据证书上的CA信息，拿对应的CA公钥验证证书，得到可信的服务器公钥
3、浏览器生成对称密码的密钥（会话密钥），用服务器公钥加密后发给服务器
4、服务器解密后得到会话密钥，从此用对称密码通信，带上消息认证码

生成证书 与 转换证书

1、生成JKS证书：keytool -genkeypair -alias "别名" -keyalg "RSA" -keystore "D:\app.jks"
2、将JKS转换成PKCS12：keytool -importkeystore -srckeystore D:\app.jks -destkeystore D:\app.p12 -deststoretype pkcs12
3、将PKCS12转成pem：openssl pkcs12 -in ./app.p12 -out app.pem
4、提取加密后的私钥：将pem中 “—–BEGIN ENCRYPTED PRIVATE KEY—–” 至 “—–END ENCRYPTED PRIVATE KEY—–” 的内容拷贝出来，保存为ciphertext.key
5、将密文私钥转成明文私钥：openssl rsa -in ciphertext.key -out plaintext.key

.jks（Java Key Storage）：二进制格式，包含证书和私钥，有密码保护
.pfx 或 .p12（Predecessor of PKCS#12）：二进制格式，包含证书和私钥，有密码保护
.pem（Privacy Enhanced Mail）：文本格式，包含证书，可包含私钥，私钥有密码保护
.der 或 .cer：二进制格式，只包含证书
.crt（Certificate）：可以是der格式，也可以是pem格式，只包含证书

阿里云

SSL证书：SSL证书必须绑定域名，不能绑定IP
加密服务、密钥管理服务