對網(wǎng)絡(luò)安全的密碼學(xué)基礎(chǔ)的詳細(xì)描述
此文章主要向大家講述的是網(wǎng)絡(luò)安全的密碼學(xué)基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)加密的主要思想是通過變換信息的表示形式來對需要保護(hù)的敏感信息進(jìn)行偽裝，使非授權(quán)者不能了解被保護(hù)信息的內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)安全使用使用密碼學(xué)來輔助完成在傳遞敏感信息的的相關(guān)問題。
密碼學(xué)要實(shí)現(xiàn)的基本功能
數(shù)據(jù)加密的基本思想是通過變換信息的表示形式來偽裝需要保護(hù)的敏感信息，使非授權(quán)者不能了解被保護(hù)信息的內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)安全使用使用密碼學(xué)來輔助完成在傳遞敏感信息的的相關(guān)問題，主要包括：
(I)機(jī)密性(confidentiality)
僅有發(fā)送方和指定的接收方能夠理解傳輸?shù)膱?bào)文內(nèi)容。竊聽者可以截取到加密了的報(bào)文，但不能還原出原來的信息，及不能達(dá)到報(bào)文內(nèi)容。
(II)鑒別(authentication)
發(fā)送方和接收方都應(yīng)該能證實(shí)通信過程所涉及的另一方， 通信的另一方確實(shí)具有他們所聲稱的身份。即第三者不能冒充跟你通信的對方，能對對方的身份進(jìn)行鑒別。
(III)報(bào)文完整性(message intergrity)
即使發(fā)送方和接收方可以互相鑒別對方，但他們還需要確保其通信的內(nèi)容在傳輸過程中未被改變。
(IV)不可否認(rèn)性(non-repudiation)
如果我們收到通信對方的報(bào)文后，還要證實(shí)報(bào)文確實(shí)來自所宣稱的發(fā)送方，發(fā)送方也不能在發(fā)送報(bào)文以后否認(rèn)自己發(fā)送過報(bào)文。
加密算法
加密技術(shù)根據(jù)其運(yùn)算機(jī)制的不同，主要有對稱加密算法、非對稱加密算法和單向散列算法。其中各有優(yōu)缺點(diǎn)，他們之間協(xié)合合作，共同實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用。
對稱密碼算法
對稱密碼體制是一種傳統(tǒng)密碼體制，也稱為私鑰密碼體制。在對稱加密系統(tǒng)中，加密和解密采用相同的密鑰。
(I) 凱撒密碼Casesar cipher:
將明文報(bào)文中的每個字母用字母表中該字母后的第R個字母來替換，達(dá)到加密的目的。
(II) DES,3DES和AES
DES(Data Encryption Standard) 算法是美國政府機(jī)關(guān)為了保護(hù)信息處理中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)而使用的一種加密方式，是一種常規(guī)密碼體制的密碼算法，目前已廣泛使用。該算法輸入的是64比特的明文，在64比特密鑰的控制下產(chǎn)生64比特的密文;反之輸入64比特的密文，輸出64比特的明文。64比特 的密鑰中含有8個比特的奇偶校驗(yàn)位，所以實(shí)際有效密鑰長度為56比特。
1997 年RSA數(shù)據(jù)安全公司發(fā)起了一項(xiàng)“DES 挑戰(zhàn)賽”的活動，志愿者四次分別用四個月、41天、56個小時和22個小時破解了其用56bit DES算法加密的密文。即DES加密算法在計(jì)算機(jī)速度提升后的今天被認(rèn)為是不安全的。
3DES 是DES算法擴(kuò)展其密鑰長度的一種方法，可使加密密鑰長度擴(kuò)展到128比特(112比特有效)或192比特(168比特有效)。其基本原理是將128比特 的密鑰分為64比特的兩組，對明文多次進(jìn)行普通的DES加解密操作，從而增強(qiáng)加密強(qiáng)度。
AES(Advanced Encryption Standard)是2001年NIST宣布的DES后繼算法。AES處理以128bit數(shù)據(jù)塊為單位的對稱密鑰加密算法，可以用長為128,192和256位的密鑰加密。
NIST估計(jì)如果用能在1秒鐘內(nèi)破解56bitDES算法的計(jì)算機(jī)來破解128位的AES密密鑰，要用大約149 億萬年時間。
對稱算法最主要的問題是：由于加解密雙方都要使用相同的密鑰，因此在網(wǎng)絡(luò)安全中，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)之前，必須完成密鑰的分發(fā)。因而，密鑰的分發(fā)便成了該加密體系中的最薄弱因而風(fēng)險最大的環(huán)節(jié)。
各種基本的手段均很難保障安全、高效地完成此項(xiàng)工作。在對稱算法中，盡管由于密鑰強(qiáng)度增強(qiáng)，跟蹤找出規(guī)律破獲密鑰的機(jī)會大大減小了，但密鑰分發(fā)的困難問題幾乎無法解決。如，設(shè)有n方參與通信，若n方都采用同一個對稱密鑰，一旦密鑰被破解，整個體系就會崩潰。優(yōu)點(diǎn)是對稱加密算法效率高，速度快。對稱加密算法用于對數(shù)據(jù)內(nèi)容加密，解決上文中提到的機(jī)密性功能需求問題。
在應(yīng)用對稱加密算法時，密鑰的長度越大，破解難度就越大，相對來說越安全。但同時會降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度成線性增長，網(wǎng)格等技術(shù)的出現(xiàn)使得現(xiàn)在的對稱加密算法越來越受到威脅。對稱密鑰生存周期很好的解決了這個問題：我們每隔一段時間(比如一小時)更換一個對稱密鑰，即在第三方破解之前就更換了新的密鑰。這樣就解決了這個難題。
不對稱密碼學(xué)
傳統(tǒng)的對稱加密算法遇到了密鑰分發(fā)管理的難題，最優(yōu)秀的算法，如果密鑰在分發(fā)、傳發(fā)泄漏，則整個安全體系則毀于一旦。不對稱加密算法則有效的避免了其分發(fā)管理密鑰的難題。不對稱密碼學(xué)中使用到一對公鑰(public key)和私鑰(private key)組合。
用公鑰加密的密文只能用私鑰解密，反之，用私鑰加密的密文只能用公鑰解密。在操作過程中，我們把公鑰向外界發(fā)布，讓外界都知道，自己保存私鑰，只有自己才能知道。如果A要發(fā)一份秘密信息給B，則A只需要得到B的公鑰，然后用B的公鑰加密秘密信息，此加密的信息只有B能用其保密的私鑰解密。反之，B也可以用A的公鑰加密保密信息給A。信息在傳送過程中，即使被第三方截取，也不可能解密其內(nèi)容。
(I)RSA
RSA(取Ron Rivest,Adi Shamir和Leonard Adleman三創(chuàng)始人字句首字母)幾乎已經(jīng)成為了公開密鑰密碼體制的代名詞。RSA是一種公開密鑰加密體系，它的應(yīng)用原理是：
先由密鑰管理中心產(chǎn)生一對公鑰 (public-key)和私鑰(Private-key)，稱為密鑰對。方法如下：先產(chǎn)生兩個足夠大的強(qiáng)質(zhì)數(shù)p、q?？傻胮與q的乘積為 n=p×q。再由p和q算出另一個數(shù)z=(p-1)×(q-1)，然后再選取一個與z互素的奇數(shù)e，稱e為公開指數(shù);從這個e值可以找出另一個值d，并能 滿足e×d=1 mod (z)條件。由此而得到的兩組數(shù)(n，e)和(n，d)分別被稱為公開密鑰和秘密密鑰，或簡稱公鑰和私鑰。
目前的公鑰密碼算法都是基于一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)難題，例如目前廣泛使用的RSA算法就是基于大整數(shù)因子分解這一著名的數(shù)學(xué)難題。公鑰密碼體系的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的開放性要求，密鑰管理簡單，并且可方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名和身份認(rèn)證等功能，是目前電子商務(wù)等技術(shù)的核心基礎(chǔ)。
其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，加密數(shù)據(jù)的速度和效率較低。因此在實(shí)際應(yīng)用中，通常將對稱加密算法和非對稱加密算法結(jié)合使用，利用對稱加密算法來進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的加密，而采用RSA等非對稱加密算法來傳遞對稱加密算法所使用的密鑰，通過這種方法可以有效地提高加密的效率并能簡化對密鑰的管理。
(II) 鑒別與簽名
對稱密碼學(xué)解決了數(shù)據(jù)機(jī)密性的功能要求，不對稱密碼學(xué)則相應(yīng)的解決了簽別和不可否認(rèn)性等功能需求。
在不對稱密碼學(xué)中，用自己公鑰加密的數(shù)據(jù)只有自己才能打開，我們就可以把我們自己的公鑰放在網(wǎng)上，通信的對方可以用自己的公鑰加密數(shù)據(jù)，密文只有我們自己才能打開，達(dá)到了加密數(shù)據(jù)而不需要通過一種十分可靠的方式來傳遞對稱密鑰的作用。
反之，如果我們使用私鑰來加密消息，通信的對方用公鑰來解密消息，就可以達(dá)到鑒別的作用。因?yàn)槟苡霉€解密消息，說明數(shù)據(jù)一定是我自己加密的，前提是這些加密并不為保護(hù)數(shù)據(jù)內(nèi)容，只為確認(rèn)、鑒別我的身份而用。這樣我們也可以用對稱算法作數(shù)字簽名 (digital signature)，用私鑰加密報(bào)文，就可以讓對方確認(rèn)我的身份。如果A用其私鑰加密了某信息，B用A的公鑰鑰密后“閱讀”A的信息，則A就不能否認(rèn)其給A發(fā)過過信息。
(III)CA (Certification Authrity)
公鑰加密體系理論上非常安全，操作過程中有可能會受到中間人攻擊(man-in-the-middle attack)。
比如B要發(fā)一個保密信息給A,所以第一步A把自己的公鑰Ka發(fā)給B。在這一過程中，如果竊聽者H 截取到其公鑰，然后偽裝成A，將自己的公鑰Kh發(fā)給B。B將敏感信息用Kh加密后發(fā)給A，此過程中，竊聽者H截取密文后用H的私鑰解密得到信息內(nèi)容，然后用A的公鑰Ka加密得到密文,自己偽裝成B發(fā)給A，A用自己的私鑰順利的解開了密文。在此過程中，A與B通訊順利，也感覺不到H的存在，但A與B的信息卻被竊聽者竊取。
CA的出現(xiàn)有效的解決了中間人的攻擊。CA(certification authrity)把一個特定的實(shí)體和公鑰綁在一起。我們把信任建立在一個大家都信任的第三方，從信任第三方來達(dá)到信任對方的目的。如果我們想發(fā)放自己的公鑰，則用自己的相關(guān)身份信息和自己的公鑰到一家權(quán)威機(jī)構(gòu)(比如像派出所這樣的機(jī)構(gòu))辦一個數(shù)據(jù)證書。
權(quán)威機(jī)構(gòu)核實(shí)你的身份以后，用其權(quán)威機(jī)構(gòu)的私鑰來加密你的數(shù)據(jù)證書。如果你要把你的公鑰傳送給對方，只需要將自己的數(shù)據(jù)證書傳遞給對方，對方用權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰解密即可得到你身份的相關(guān)信息和公鑰。而權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰則更加透明，比如可以刊登在報(bào)紙上讓大家都知道。我們的系統(tǒng)本身也帶有一些權(quán)威機(jī)構(gòu)的公鑰，這些在我們裝好系統(tǒng)就已經(jīng)存在了。
單向散列算法
對稱加密算法和非對稱加密算法有效的解決了機(jī)密性，不可否認(rèn)性和簽別等功能，單向散列算法則有效的解決了完整性的問題。
單向散列算法，又叫HASH算法，用HASH函數(shù)對一段數(shù)據(jù)進(jìn)行一次運(yùn)算，得到一段固定長度的報(bào)文摘要(message digest)，任意兩個不同的數(shù)據(jù)得到兩個不同的摘要，或者一個數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)生一個bit的變化，生成的摘要都截然同。這樣就可以達(dá)到確認(rèn)數(shù)據(jù)完整性和沒有被惡意或者無意識修改的作用。常用的HASH算法有：
(I)MD5
MD5是由 Ron Rivest 設(shè)計(jì)的可產(chǎn)生一個 128 位的散列值的散列算法。MD5設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化以用于Intel處理器。
(II)SHA-1。
SHA-1是由NSA設(shè)計(jì)的，并由NIST將其收錄到 FIPS 中，作為散列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。它可產(chǎn)生一個 160 位的散列值。SHA-1是流行的用于創(chuàng)建數(shù)字簽名的單向散列算法。
同時日常數(shù)據(jù)交換中很多數(shù)據(jù)交換并不需要加密，不對稱算法開銷大，能過完成對數(shù)據(jù)加密/解密來達(dá)到簽名的作用也大可不必。從報(bào)文和其摘要的單一對應(yīng)關(guān)系，我們可以對摘要進(jìn)行簽名。對摘要進(jìn)行不對稱加密算法的系統(tǒng)開銷要遠(yuǎn)小于對原報(bào)文的加密開銷。
以上的相關(guān)內(nèi)容就是對網(wǎng)絡(luò)安全之密碼學(xué)基礎(chǔ)的介紹，望你能有所收獲。
【編輯推薦】
