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阿里妹導讀：誰都不想在通信過程中被別人“竊取”小秘密。本文借助一對情侶與八卦女、猥瑣男的斗智故事，為大家講述科普密碼學基礎知識。既有料又有趣，深入淺出，相信你會喜歡。

背景

事情是這樣的，Alice 和 Bob 是一對 CP。兩人之間難免要說一些 secret，又不想被別人偷聽，怎么辦呢？本文就是講述這對 CP 之間如何安全隱秘地聊天。如何跟無（wěi）聊（suǒ）份子們斗智斗勇的故事。先介紹一下將要登場的各個角色：

• Alice：話嘮，嚴重的傾訴欲，和 Bob 是 CP。
• Bob：沉默男，理工男，和 Alice 是 CP。
• Eve：Alice 的室友，熱衷于偷聽八卦。
• Mallory：猥瑣男，專業搞破壞 20 年。
• Trent：長者，相當具有權威性，大家都相信他。

如何不被竊聽 —— 加密

剛開始時，Alice 和 Bob 沒有安全意識。平時說話聊天沒有什么防范措施，經常被 Eve 偷聽。但礙于情面又不好直說，為此煩惱不已。偷聽過程如下：

Bob 是個技術男，想到一個辦法。既然有人偷聽，那我為什么不加密呢？說干就干，他事先和 Alice 商定一個密鑰（key），是個隨機值，別人猜不出來。從此這對 CP 之間聊天就用這個 key 進行加密保護，如下：

從圖中可以看到，Alice 在說話前，先用 key 對消息內容進行加密。發送消息時，不再直接傳遞“我剛買了個包包”這么直白的明文，而是 “*&2#%/Qw@##” 這種誰都看不懂的密文。即使被 Eve 竊聽，她也完全看不懂神馬意思，只能表示 WTF。Bob 收到密文后，先用 key 對其進行解密，得到原始的消息內容“我剛買了個包包”。

旁白：

• 這種加密方案在密碼學里稱為對稱密碼，加密方和解密方使用的是相同的密鑰。
• 知名的密碼算法有 AES（2001）、Blowfish（1993）、DES（1977），再遠一點，有二戰時期的恩尼格碼（轉輪機原理，德國）、紫色密碼（轉輪機原理，日本），以及著名的凱撒密碼（沒錯就是地中海北岸那個凱撒）、柵欄密碼等。后續會寫文章專門進行各個算法的性能比較、安全性比較。
• 友情提示： 密碼學里的“密碼”和現實生活中的“密碼”不是一回事兒！后者一般指的是口令（password），比如登錄淘寶、QQ、ATA輸入的那個東西。順便說下，有些耿直的 boy 會把自己的口令設置得炒雞簡單，比如 12345678 、helloworld 等。這是萬萬不能夠的，小心被人猜出來。

言歸正傳，一切看起來是那么完美。Alice 和 Bob 以為可以高枕無憂了，卻沒想到道高一尺，Eve 高一丈。

如何交換密鑰 —— 非對稱加密

自從 Alice 和 Bob 使用了“加密”這種秘密武器之后，Eve 什么都聽不到了。為此她寢食難安，沒有八卦的生活還有神馬意義！？ 還好，Eve 不是普通的 Eve，她并不只是一個八卦女，她是個懂科技的 girl。思考幾天之后，Eve 意識到這對 CP 肯定是用了加密的。一不做二不休，Eve 找到了破解辦法，請看下圖。

Eve 觀察到那對 CP 之間為了安全性，會經常更換 key。為此，她尋找一個合適的時機，把 key 竊取到手。之后，Eve 又可以愉快的竊聽了，終于可以睡個安穩覺。竊聽過程如下：

有 key 在手，Eve 截獲消息之后，就可以像 Bob 一樣把消息明文解密出來。

不過好景不長，相對于 Eve 來說，Bob 才是掌握核心科技的。他很快發現 Eve 的這一行為，想到另一個辦法： 非對稱加密。具體過程如下：

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• Bob 事先生成一對公鑰和私鑰，私鑰 pri 由自己保管，把公鑰 pub 發給 Alice。
• Alice 使用 pub 對消息內容進行加密，Bob 用 pri 進行解密。
• 需要注意的是， 只有私鑰才可以解密，所以即使 Eve 竊取到了 pub（只有 pub 被傳輸而容易被竊取），她也無法解密。

另外，這種方式還有個顯著優點。假使 Bob 還有很多別的女友（嚴重抨擊這種行為），他可以把同一個公鑰 pub 都發給她們，各個女友都用這個 pub 和 Bob 進行通信。構成“多對一”的通信關系，卻不用擔心女友 A 竊聽到女友 B 和 Bob 之間的聊天內容，因為 pub 無法解密。而在對稱密碼中，Bob 必須為每個女友都分發一個不同的 key，這很難保管。

旁白：

• 這種加密方式在密碼學里稱為非對稱密碼，所謂“非對稱”指的是加密方和解密方用的密鑰不一樣。
• 知名的非對稱算法有：DSA（數字簽名算法，只能用于簽名，1991）、ECC（橢圓曲線加密，1985）、RSA（公鑰加密算法，1977）等。
• 這些算法除了用于加密外，還可以用于 數字簽名，本文后面會講到。
• 非對稱算法有個致命弱點： 性能很低。實際應用中一般采用混合加密體制、哈希簽名體制，后續會寫文章中進行介紹。

好了，現在信道安全問題已經解決啦，不用再擔心 secret 被 Eve 偷聽。但是情場多艱，猥瑣男 Mallory 現在隆重登場。

如何防止數據篡改 —— MAC

文章開頭說了，Mallory 是個專業搞破壞 20 年的男人，這次也不例外。請看下圖：

Mallory 并不是八卦小女生，他對偷聽秘密沒有任何興趣。生而不羈，他決定搞一些惡作劇，篡改一下消息吧。于是他把 “我剛買了個包包” 改成“我決定跟你分手”，但 Bob 卻不知道已被篡改，還以為是 Alice 的原話。那么問題來了，求此刻 Bob 的心理陰影面積。

經過一番狗血的情感糾葛之后，Alice 表示還是愛他的，Bob 終于意識到有人在從中作梗。這還得了，之前我們一直強調，Bob 是個掌握核心科技的 boy，他很快就想到了應對措施。請看下圖（為了簡單起見，本例僅展示防篡改的情況，沒有對 message 做加密）：

圖中的 MAC 指的是 消息認證碼（Message Authentication Code），你現在不需知道它的原理，只要記住 ：（1）傳入兩個參數 message 和 key，進行一系列計算后得到一個值叫 MAC。（2）只有 message 和 key 相同的情況下，才能得到相同的 MAC。

• 跟對稱加密一樣，這對 CP 之間會事先協商一個 key。
• Alice 使用 key 對 message 計算出一個 MAC1，并把 message + MAC1 發給 Bob。
• Bob 收到之后，用自己的 key 對 message 計算出一個 MAC2，再比較 MAC1 和 MAC2 是否一致。
• 根據 MAC 的性質，如果 message 被篡改，那么計算得到的 MAC2 一定不等于 MAC1，驗證失敗，Bob 得出結論：有人篡改了消息。
• 由于僅 Alice 和 Bob 擁有 key，所以別人無法篡改 message 后偽造出一個有效的 MAC。
• 在檢測篡改方面，還可以用HASH（散列）算法，包括MD5、SHA1/224/256/384/512等。比如版本控制系統GIT就使用SHA1來檢查文件是否有修改。

旁白：

• 消息認證碼有多種實現方式，其中最常見的是 HMAC（Hash MAC），即使用哈希算法來實現 MAC，還有一種是基于分組密碼算法的 MAC，不常見。
• 聰明如你，肯定會想到如果 key 被竊取該怎么辦？這就涉及到 數字簽名了，后文會講到。

如何校驗身份 —— MAC

Mallory 還有個小伎倆，那就是冒充身份，恰好 MAC 也可以對付這個。且看下圖：

Mallory 發一個消息給 Bob，說“親愛的，我是 Alice 哦，balabala...”。如果沒有校驗措施，Bob 可能就中招了。同樣的，Bob 可以用以下方式進行防范：

只有 Alice 和 Bob 擁有相同的 key，所以 Bob 只有在校驗 MAC 成功時才會相信對方是 Alice。而 Mallory 沒有這個 key，偽造的 MAC 肯定會校驗失敗的，所以計謀不能得逞。

旁白：

• MAC包含幾種實現方式：基于 HASH 的 MAC 稱為 HMAC，應用比較廣泛。
• 有些同學應該接觸過阿里云的 Access Key，其實就是 HMAC 的原理。
• 有些同學在兩個系統之間API調用時，會使用同一個 key 做 md5 計算來實現 API 鑒權，這稱為“加鹽HASH”，可以簡單理解為 HMAC 的簡化版。
• 同樣的，如果 key 被竊取該怎么辦？這可以用 數字簽名來解決。

更進一步 —— 數字簽名

MAC 雖好，但是遇到和對稱密碼同樣的問題：密鑰如何交換。

其中一個解決方式就是 數字簽名，這個“簽名”你基本可以想象成現實生活中的手寫簽名，具有類似的作用。原理上和非對稱加密有點像，但有個很大的區別，發送方是用 私鑰進行簽名，而接收方用 公鑰 進行驗簽，這跟加密情況正好相反。

Bob 可以用數字簽名來校驗消息是否被篡改，請看下圖：

原理上和圖 6 差不多，但區別在于：由 Alice 事先生成一對公鑰 pub 和私鑰 pri，并把 pub 發送給 Bob，前者用 pri 加簽，后者用 pub 驗簽。驗簽失敗說明消息被篡改。

也可以用于身份校驗，請看下圖：

Mallory 沒有 Alice 的 pri，所以無論如何他也沒法冒充 Alice 的身份。

看到這里，大家可能都松了一口氣，以為這小倆口終于沒事兒了。但情場多變，萬一哪天 Alice 變心了呢，她給 Bob 發了一條消息，說“分手吧”，如下圖：

可是發完之后又有點后悔，但他們使用的不是 釘釘，并沒有消息撤回功能。怎么辦？所以說 Alice 還是有點 too naive，她妄想可以矢口否認，把 shit 盆子扣到破壞小王子 Mallory 身上，聲稱“剛才那句話是 Mallory 說的” 等云云。

Mallory 雖然猥瑣，但也是個講“原則“的 man，你扣盆子也要講基本法啊！于是他跳出來說， “表冤枉我，我又沒有 Alice 的私鑰”。

這是什么意思呢？原來數字簽名還具有“抗否認”的神奇功效，Alice 講的話里帶有她的簽名，是不能否認的（是不是有點類似現實生活中的手寫簽名？）。任何不講基本法的栽贓陷害都是無效的...

公鑰的身份證 —— 數字證書

如果你以為 Eve 和 Mallory 就此屈服于非對稱加密和數字簽名的威力，那你就真的是圖樣了。所謂 “兩汪戰一虎，四汪沉航母。六汪戲上帝，八汪創世紀”，他們決定聯合起來，找出公鑰機制的破綻。偉大友誼自然會有效果，他們果真找到了破解之法（絕對不是劇情發展需要...）。

沒錯，就是 偽造公鑰。我們先拿公鑰加密來舉例子，圖4 中講到，Bob 需要事先生成公鑰 pub 和私鑰 pri ，然后把 pub 分發給 Alice。那么攻擊過程就從這入手：

• Eve 生成自己的一對公鑰 pub' 和 私鑰 pri'，截獲 Bob 的 pub，并用自己的 pub' 冒充 Bob 的公鑰發給 Alice。如下圖：

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• Alice 用 pub' 加密消息，發送出去。
• Eve 截獲 Alice 的數據，并用 pri' 解密得到消息明文。
• Eve 偽造一個假數據“干嘛呵呵去洗澡”，并用 pub 加密后發給 Bob。
• Bob 用 pri 解密，拿到偽造的數據，以為是 Alice 發給他的。

這是個“偷天換日”的過程，Eve 通過偽造公鑰（中間人攻擊），不光竊聽到 Alice 的消息，還能保證整個過程中 Alice 和 Bob 都沒有察覺！

再來看一下 Mallory 怎樣用偽造公鑰的方式來冒充身份。圖10 中講到，Alice 需要事先把自己公鑰發給 Bob，所以攻擊過程就從這入手：

• Mallory 生成自己的公鑰 pub' 和 私鑰 pri'，截獲 Alice 的 pub，并用自己的 pub' 冒充 Alice 的公鑰發給 Bob，如下圖：

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• Alice 用正常私鑰 pri 進行簽名，并發給 Bob。
• Bob 手里拿的是被偽造的公鑰 pub'，所以對 Alice 的 sign 會驗簽失敗，認為對方不是 Alice。
• Mallory 用自己私鑰 pri ' 進行簽名，并發給 Bob。
• Bob 用被偽造的公鑰 pub' 進行驗簽，可以驗簽成功，認為對方是 Alice。

這個過程中，Mallory 通過偽造 Alice 公鑰，成功冒充了 Alice 的身份。

這種偽造公鑰的攻擊方式讓 Bob 很頭疼，思考了很久，終于想到一個辦法。這次他找來了幫手 —— Trent。文章開頭有介紹過，Trent 非常具有權威性，而且能保證自身不受攻擊（或者別人不敢攻擊），就像現實生活中的公安局。

Eve 不是喜歡偽造公鑰嗎，Bob 這次就要請 Trent 為自己的公鑰注冊一張 “身份證” —— 數字證書。見證如見人，哦不對，見證如見公鑰！以下是注冊數字證書的過程：

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• Bob 請求 Trent 為自己的公鑰 pub 注冊一個證書。
• Trent 收到請求后，用自己的私鑰 pri ' 對 pub（以及身份信息） 進行簽名，得到一個 sign。
• Trent 把證書 certificate = pub + sign 頒發給 Bob。
• Bob 把自己的證書 pub + sign 發給 Alice。
• Alice 使用 Trent 的公鑰 pub ' 對 sign 進行驗簽，如果校驗成功則說明 pub 的確是 Bob 的公鑰，因為她相信 Trent 的權威性。

Eve 不可能找 Trent 為她辦一個 Bob 的數字證書，因為 Trent 不會同意的，就像警察蜀黍不會給我辦一張別人的身份證一樣。所以，Eve 無法偽造 Bob 的公鑰。

同理，為了防止 Mallory 偽造公鑰來冒充身份，Alice 也需要向 Trent 注冊自己的公鑰，得到一個數字證書，用于防止別人偽造公鑰。

旁白：

• 考慮到非對稱算法的效率問題，實際應用中一般是先對數據進行哈希，然后才用私鑰對哈希值（摘要）進行簽名。
• Trent 在密碼技術領域中一般稱為 認證機構（Certification Authority，即 CA）。
• 以數字證書為基礎，業界制定了一系列的規范和規格，比如由誰頒發證書、如何進行頒發、如何作廢證書等，稱為 公鑰基礎設施（Public-Key Infrastructure，即 PKI）。

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