本文是《圖解密碼技術》閱讀的總結性文章。

1.1 歷史上的密碼

現代的密碼通常用于計算機數據的加密，操作的是比特序列。但早在計算機誕生之前，加密技術就已經被使用了。歷史上使用過的密碼有這些：

• 凱撒密碼：
  • 算法：通過將字母按照字母表順序進行平移的方式對文本進行加密；反平移解密
  • 密鑰：平移的位數
  • 缺點：可以通過暴力破解破譯
• 簡單替換密碼：
  • 算法：通過一對一的字母替換表，將字母進行替換；反替換解密
  • 密鑰：26！
  • 特點：明文中字母的出現頻率與密文中的字母的出現頻率一致
  • 缺點：由于密鑰空間很大，很難暴力破解。但可以通過頻率分析的方式破譯
• Enigma
  • 背景：由德國人Arthur Sherbius在20世紀初發明的機器，德語里為“謎”的意思
  • 加密：1. 使用每日密碼設置Enigma 2. 加密通信密碼，記下對應的密文 3. 根據通信密碼重新設置Enigma 4. 加密消息，記下對應的密文 5. 拼接
  • 解密：1. 分解密文 2. 使用每日密碼設置Enigma 3. 解密通信密碼 4.使用通信密碼重新設置Enigma 5. 解密消息
  • 特點：Enigma的設計不依賴于隱蔽式安全性（security by obscurity），即使拿到Enigma密碼機（密碼算法），只要不知道Enigma的設置（密鑰）就無法破解。
  • 缺點：通信密碼連續輸入兩次并加密；通信密碼人為選定；必須派發國防軍密碼本（每日密碼）

小結：研究上述歷史上的密碼可以看出，密碼算法和密鑰是分開的，解決了希望重復使用但重復使用會增加風險的問題。現代密碼算法中有一部分標準化的技術，將密碼算法作為共有財產被開發、研究和利用，但即便如此，密文的機密性也絲毫沒有降低，正是因為密碼算法和密鑰是分開的。密鑰才是密碼的精髓。

1.2 對稱密碼（共享密鑰密碼）——用相同的密鑰進行加密和解密

隨著計算機的誕生與發展，現代的密碼加密的內容從文本變成了由0和1排列而成的比特序列。兩個概念：

• 編碼：將現實世界的東西映射為比特序列的操作
• XOR：異或運算以下特性和加密解密步驟非常相似。明文A用密鑰B進行加密得到密文C，密文C用密鑰B解密得到明文A

??

實際上只要選擇一個合適的B，僅僅使用異或就可以實現一個高強度的密碼。對于密碼技術來說，“是否可以預測”非常重要，能夠產生不可預測的比特序列（隨機數），對密碼技術的貢獻是巨大的。

幾種加密技術：

• 一次性密碼本
  • 原理：將明文與一串隨機的比特序列進行異或運算
  • 特點：由于無法判斷得到的是不是明文，所以一次性密碼本是無法破譯的
  • 缺點：密鑰配送、保存、重用、同步；需要生成大量的隨機數，不是通過計算機程序生成的偽隨機數，而必須是無重現性的真正隨機數
• DES
  • 將64比特明文加密成64比特密文的對稱加密算法，密鑰長度為56比特，多出的7位用于錯誤校驗
  • 原理：16輪循環Feistel網絡
• 三重DES
• AES（Rijndael）
  • AES標準最終使用了Rijndael算法
  • 原理：通過替換、平移、矩陣運算、異或運算四個步驟進行加密；相反順序進行解密

小結：使用一種密鑰空間巨大且算法上沒有弱點的對稱密碼，就可以通過密文來確保明文的機密性。但使用對稱密鑰進行通信時，還會出現密鑰的配送問題。上述的這些算法，都只能將固定長度的分組進行加密，如果需要加密長文，需要對密碼算法通過一定的模式進行迭代。

1.3 公鑰密碼——用公鑰加密，用私鑰解密

使用對稱密碼進行通信時會出現密鑰的配送問題。如果有一種方式可以保證密鑰配送的絕對安全，那么為什么不用這種方式加密消息呢？為了解決密鑰問題，有以下幾種方案：

• 事先共享密鑰
• 密鑰分配中心：密鑰中心保存所有端的密鑰，密鑰中心生成臨時密鑰給予通信雙方進行通信
• 使用Diffie-Hellman密鑰交換：僅傳輸一些信息然后自行生成密鑰
• 公鑰密碼：接收方生成密鑰對，將公鑰派發給發送方用于消息加密，接收到密文后用私鑰解密

使用最廣泛的公鑰密碼算法——RSA

RSA可用于公鑰密碼和數字簽名。

RSA加密：E和N的組合就是公鑰

RSA解密：D和N的組合就是私鑰

生成密鑰對：求E、D和N這三個數就是生成密鑰對。計算過程（有時間補上）省略。

對RSA的攻擊

• 通過密文求得明文：求離散對數的問題
• 通過暴力破解找出D
• 通過E和N求出D
• 中間人攻擊：替換發送方的公鑰
• 選擇密文攻擊：利用服務器的解密提示。由此產生了RSA-OAEP改良算法，填充了一些校驗信息，也支持改變密文的排列組合

小結：對稱密碼通過將明文轉換為復雜的形式來保證機密性，而公鑰密碼基于數學上困難的問題來保證機密性。但是，公鑰也存在缺點，比如無法防御中間人攻擊，運行速度遠低于對稱密鑰。

1.4 混合密碼系統——用對稱密碼提速，用公鑰密碼保護會話密鑰?

混合密碼系統組成機制：

• 用對稱密鑰加密信息
• 用為隨機數生成器生成對稱密碼加密中使用的會話密鑰
• 用公鑰密碼加密會話密鑰
• 從混合密碼系統外部賦予公鑰密碼加密時使用的密鑰

注意，混合密碼系統運用了偽隨機數生成器、對稱密鑰和公鑰密碼三種技術，其中每一種技術要素的強度都必須很高，以防止攻擊者集中攻擊其中薄弱環節。不僅強調單個技術要素的強度，技術要素之間的強度平衡也很重要。從長期運用的情況來看，公鑰密碼的強度應該高于對稱密鑰。

密碼技術的組合經常被用于構建一些實用的系統，如分組密碼模式，通過采用不同的分組密碼組合方式，構建具有不同特點的分組密碼模式。三重DES也是一種將三個DES組合在一起以增加密鑰長度的密碼技術。接下來的章節中，還會出現一些由多種技術組合而成的技術。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的密码学101：密码的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網站內容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。