密码学入门科普

一、对称加密和非对称加密入门

1. 如何不被窃听 —— 加密

• 这种加密方案在密码学里称为对称密码，加密方和解密方使用的是相同的密钥。
• 知名的密码算法有 AES（2001）、Blowfish（1993）、DES（1977），再远一点，有二战时期的恩尼格码（转轮机原理，德国）、紫色密码（转轮机原理，日本），以及著名的凯撒密码（没错就是地中海北岸那个凯撒）、栅栏密码等。

2. 如何交换密钥 —— 非对称加密

解决信道安全问题

• Bob 事先生成一对公钥和私钥，私钥 pri 由自己保管，把公钥 pub 发给 Alice。
• Alice 使用 pub 对消息内容进行加密，Bob 用 pri 进行解密。
• 需要注意的是， 只有私钥才可以解密，所以即使 Eve 窃取到了 pub（只有 pub 被传输而容易被窃取），她也无法解密。
• 这种加密方式在密码学里称为非对称密码，所谓“非对称”指的是加密方和解密方用的密钥不一样。
• 知名的非对称算法有：DSA（数字签名算法，只能用于签名，1991）、ECC（椭圆曲线加密，1985）、RSA（公钥加密算法，1977）等。
• 这些算法除了用于加密外，还可以用于 数字签名。非对称算法有个致命弱点： 性能很低。实际应用中一般采用混合加密体制、哈希签名体制。

3. 如何防止数据篡改 —— MAC

图中的 MAC 指的是 消息认证码（Message Authentication Code），你现在不需知道它的原理，只要记住 ：（1）传入两个参数 message 和 key，进行一系列计算后得到一个值叫 MAC。（2）只有 message 和 key 相同的情况下，才能得到相同的 MAC。

• 消息认证码有多种实现方式，其中最常见的是 HMAC（Hash MAC），即使用哈希算法来实现 MAC，还有一种是基于分组密码算法的 MAC，不常见。
• 聪明如你，肯定会想到如果 key 被窃取该怎么办？这就涉及到 数字签名了，后文会讲到。

4. 如何校验身份 —— MAC

• MAC包含几种实现方式：基于 HASH 的 MAC 称为 HMAC，应用比较广泛。
• 有些同学应该接触过阿里云的 Access Key，其实就是 HMAC 的原理。
• 有些同学在两个系统之间API调用时，会使用同一个 key 做 md5 计算来实现 API 鉴权，这称为“加盐HASH”，可以简单理解为 HMAC 的简化版。
• 同样的，如果 key 被窃取该怎么办？这可以用 数字签名来解决。

5.更进一步 —— 数字签名

发送方是用 私钥进行签名，而接收方用 公钥 进行验签，这跟加密情况正好相反。

6. 公钥的身份证 —— 数字证书

伪造公钥，Bob 需要事先生成公钥 pub 和私钥 pri ，然后把 pub 分发给 Alice。那么攻击过程就从这入手，Eve 生成自己的一对公钥 pub' 和 私钥 pri'，截获 Bob 的 pub，并用自己的 pub' 冒充 Bob 的公钥发给 Alice。

这是个“偷天换日”的过程，Eve 通过伪造公钥（中间人攻击），不光窃听到 Alice 的消息，还能保证整个过程中 Alice 和 Bob 都没有察觉！

Eve 不是喜欢伪造公钥吗，Bob 这次就要请 Trent 为自己的公钥注册一张 “身份证” —— 数字证书。见证如见人，哦不对，见证如见公钥！以下是注册数字证书的过程：

• Bob 请求 Trent 为自己的公钥 pub 注册一个证书。
• Trent 收到请求后，用自己的私钥 pri ' 对 pub（以及身份信息） 进行签名，得到一个 sign。
• Trent 把证书 certificate = pub + sign 颁发给 Bob。
• Bob 把自己的证书 pub + sign 发给 Alice。
• Alice 使用 Trent 的公钥 pub ' 对 sign 进行验签，如果校验成功则说明 pub 的确是 Bob 的公钥，因为她相信 Trent 的权威性。

Eve 不可能找 Trent 为她办一个 Bob 的数字证书，因为 Trent 不会同意的，就像警察蜀黍不会给我办一张别人的身份证一样。所以，Eve 无法伪造 Bob 的公钥。

• 考虑到非对称算法的效率问题，实际应用中一般是先对数据进行哈希，然后才用私钥对哈希值（摘要）进行签名。
• Trent 在密码技术领域中一般称为 认证机构（Certification Authority，即 CA）。
• 以数字证书为基础，业界制定了一系列的规范和规格，比如由谁颁发证书、如何进行颁发、如何作废证书等，称为 公钥基础设施（Public-Key Infrastructure，即 PKI）。

二、对称加密常见密码学

AES，DES，3DES，TDEA，Blowfish，RC5，IDEA

三、非对称加密经典算法

RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（椭圆曲线加密算法）