七：PKI和密码学应用

7.1 非对称密码学

• 对称密码系统具有共享的秘钥系统，从而产生了安全秘钥分发的问题
• 非对称密码学使用公钥和私钥对，无需支出复杂密码分发系统

7.1.1 公钥与私钥

7.1.2 RSA

• RSA算法依赖于大质数在因素分解时固有的计算难度

7.1.3 EI Gamal

• EI Gamal优点： 公开发布，使用免费
• 缺点：算法加密的任何消息的长度都加倍

7.1.4 椭圆曲线密码系统(ECC)

• 1088位的RSA秘钥相当于160位的椭圆曲线密码系统的秘钥强度

7.2 散列函数

• 散列函数的用途： 产生消息摘要
• 散列函数的基本要求：
  1：输入值可以是任意长度
  2：输出值具有固定长度
  3：散列函数在计算任何输入值要相对容易
  4：散列函数是单向的
  5：散列函数是不会发生冲突的

7.2.1 SHA

• SHA-1不安全，SHA-2理论上不安全

7.2.2 MD2

• 非单向函数，已不再使用

7.2.3 MD4

• MD4存在消息摘要冲突，不是安全的散列算法

7.2.4 MD5

• 512位的消息分组，消息摘要128位

• 散列函数以及生成函数值的长度

  
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7.3 数字签名

• 数字签名的目标
  1：可以向接收方保证、消息确实来自自己申明的发送者，且实施了不可否认性
  2：向接收方保证：消息在传输过程中没有改变
• 消息签名本身不提供隐私保护，只满足加密目标中的完整性和不可否认性

7.3.1 HMAC

• 实现了部分数字签名功能，保证了消息传输过程的完整性、但不提供不可否认性
• HMAC依赖一个共享的秘钥，所以不提供不可否认性

7.3.2 数字签名标准

• DSS标准加密算法
• 数字签名算法（DSA）
• RSA算法
• 椭圆曲线数字签名算法(ECDSA)

7.4 公钥基础设施(PKI)

• 公钥加密主要优点是原本不认识的双方之间的通信变得很容易，受信任的公钥基础设施层次使这一点称为可能

7.4.1 证书

• 数字证书为通信双方提供了保证，保证在与之通信的人确实具有他们所宣称的身份

7.4.2 证书授权机构

• 证书授权机构(CA)将基础设施绑定在一起，中立的组织机构为数字证书提供公证服务

7.4.3 证书的生成与撤销

1：注册

• 采取某种方式向证书授权机构证明身份的过程被称为注册
  2：验证
  通过CA的公钥检查CA的数字签名来验证证书，接着检查证书没在CRL（证书撤销列表）
  3：撤销
• 证书撤销原因：证书遭到破坏、证书被错误的发放、证书的细节发生变化、安全性关联发生变化
• 证书撤销的技术：
  证书撤销列表：缺点是必须顶起下载并交叉参照，证书的撤销和通知用户撤销之间存在时间延迟
  联机证书状态协议:解决认证撤销列表的固有延迟

7.4.4 非对称秘钥的管理

• 选择加密系统
• 选择秘钥
• 使用公钥加密时，一定要保证私钥的机密性
• 秘钥在服务一段时期后应当停止使用
• 秘钥备份

7.5 密码学的应用

7.5.1 便携式设备

• 目前主流操作系统都包括磁盘加密功能、商业工具提供额外的功能和管理能力

7.5.2 电子邮件

1：电子邮件规则

• 邮件机密性，加密邮件
• 邮件完整性，进行散列运算
• 邮件身份认证和完整性，进行数字化签名
• 邮件机密性、完整性、身份认证和不可否认性，对邮件加密和数字化签名
  2：电子邮件标准
• 可靠隐私(PGP),商业版RSA、IDEA加密协议，使用MD5生成消息摘要；免费版使用Diff-Hellman秘钥交换，CAST128位的加密/解密算法以及SHA-1散列函数
• S/MIME(安全多用途互联网邮件扩展协议):依靠X.509证书交换密码系统秘钥，这一支持AES、3DES和RSA

7.5.3 Web应用

• SSL协议，SSL的目标是建立安全的通信通道
• 贵宾犬的攻击，使得很多机构放弃对SSL的支持
  3：隐写术和水印
• 隐写术：使用密码学技术在另一条消息内嵌入秘密消息的方法
• 水印 ：检测拷贝并且跟踪拷贝来源

7.5.4 数字版权管理(DRM)

• 音乐、电影、电子书、视频游戏、文档

7.5.5 网络连接

1：链路加密

• 链路加密使用软件或硬件解决在两个点之间建立一条安全隧道
• 端到端加密有终于保护双方之间的通信安全，并且可以独立于链路加密实施
• 链路加密和端到端的加密区别：链路加密中，所有的数据都会被加密，下一条重新解密然后加密，降低了路由速度，端到端的加密不加密头、尾、地址和路由数据，容易被嗅探和偷听者攻击
• SSH是一个端到端的加密
  2： IPSec
• IPSec通过公钥密码学提供加密、访问控制、不可否认性以及消息身份认证，并且一般使用IP协议
• IPSec组件：
  身份验证头(AH),提供完整性和不可否认性的保证、提供身份认证和访问控制，并可以防止重放攻击
  安全封装有效载荷(ESP) 提供数据包内容的机密性和完整性，提供有限的身份认证，防止重放攻击
• IPSec两种操作模式：
  运输模式，只有数据包有效载荷被加密，为对等通信设计
  隧道模式：整个数据包都会被加密，为网关间通信设计
  3、ISAKMP（网络安全关联秘钥管理协议）
• 通过协商、建立、修改和删除安全关联为IPSec提供后台的安全支持服务
• ISAKMP基本要求：
  对通信对等进行身份关联
  建立并管理安全关联
  提供秘钥生成机制
  防止遭受威胁
  4、无线互联
• 有限等价隐私(WEP)
  -WiFi安全访问： 通过TKIP（临时秘钥完整协议）消除危害WEP的密码学弱点

7.6 密码学攻击

• 分析攻击：试图降低算法复杂性的代数运算，关注算法本身的逻辑
• 实现攻击：利用密码学系统的实现中的弱点，涉及错误与权限，编写加密系统程序所使用的方法
• 统计攻击：试图发现驻留密码学应用程序的硬件或操作系统中的漏洞
• 蛮力攻击：尝试有可能的、有效的秘钥或密码组合，彩虹表和转为蛮力涉及和开发的专业化、可扩展的硬件
• 频率分析和仅知密文攻击：拥有加密后的密文信息，即仅知密文攻击；频率分析就是一种已证明可行的对抗简单密码的技术
• 已知明文攻击：攻击者具有已加密消息的副本以及用以产生密文的明文消息
• 选定密文攻击：攻击者能够解密所选的部分密文信息，并且可以使用已解密的部分消息来发现秘钥
• 选定明文攻击：攻击者能够加密所选的明文信息，可以分析加密算法输出的密文
• 中间相遇攻击：针对使用两轮加密的算法
• 中间人攻击：怀有恶意的人置身于通信双方之间的位置并截获所有的通信
• 生日攻击：冲突攻击或逆向散列匹配，寻找散列函数一一对应特性中的缺陷
• 重放攻击：拦截通信双方的加密消息，重放捕捉的信息以打开新的会话