對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的密碼學(xué)基礎(chǔ)的詳細(xì)描述
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(guò)變換信息的表示形式來(lái)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(lái)輔助完成在傳遞敏感信息的的相關(guān)問(wèn)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(tīng)者可以截取到加密了的報(bào)文，但不能還原出原來(lái)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(guò)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(duì)方，能對(duì)對(duì)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(duì)方，但他們還需要確保其通信的內(nèi)容在傳輸過(guò)程中未被改變。
(IV)不可否認(rèn)性(non-repudiation)
如果我們收到通信對(duì)方的報(bào)文后，還要證實(shí)報(bào)文確實(shí)來(lái)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(guò)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(duì)稱加密算法、非對(duì)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(duì)稱密碼算法
對(duì)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(duì)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(gè)字母用字母表中該字母后的第R個(gè)字母來(lái)替換，達(dá)到加密的目的。
(II) DES,3DES和AES
DES(Data Encryption Standard) 算法是美國(guó)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(gè)比特的奇偶校驗(yàn)位，所以實(shí)際有效密鑰長(zhǎng)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(dòng)，志愿者四次分別用四個(gè)月、41天、56個(gè)小時(shí)和22個(gè)小時(shí)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(zhǎng)度的一種方法，可使加密密鑰長(zhǎng)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(duì)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(duì)稱密鑰加密算法，可以用長(zhǎng)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(lái)破解128位的AES密密鑰，要用大約149 億萬(wàn)年時(shí)間。
對(duì)稱算法最主要的問(wèn)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(xiǎn)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(duì)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(huì)大大減小了，但密鑰分發(fā)的困難問(wèn)題幾乎無(wú)法解決。如，設(shè)有n方參與通信，若n方都采用同一個(gè)對(duì)稱密鑰，一旦密鑰被破解，整個(gè)體系就會(huì)崩潰。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)稱加密算法效率高，速度快。對(duì)稱加密算法用于對(duì)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(wèn)題。
在應(yīng)用對(duì)稱加密算法時(shí)，密鑰的長(zhǎng)度越大，破解難度就越大，相對(duì)來(lái)說(shuō)越安全。但同時(shí)會(huì)降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度成線性增長(zhǎng)，網(wǎng)格等技術(shù)的出現(xiàn)使得現(xiàn)在的對(duì)稱加密算法越來(lái)越受到威脅。對(duì)稱密鑰生存周期很好的解決了這個(gè)問(wèn)題：我們每隔一段時(shí)間(比如一小時(shí))更換一個(gè)對(duì)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(gè)難題。#p#
不對(duì)稱密碼學(xué)
傳統(tǒng)的對(duì)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(gè)安全體系則毀于一旦。不對(duì)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(duì)稱密碼學(xué)中使用到一對(duì)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(guò)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(guò)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(kāi)密鑰密碼體制的代名詞。RSA是一種公開(kāi)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(duì)公鑰 (public-key)和私鑰(Private-key)，稱為密鑰對(duì)。方法如下：先產(chǎn)生兩個(gè)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(gè)數(shù)z=(p-1)×(q-1)，然后再選取一個(gè)與z互素的奇數(shù)e，稱e為公開(kāi)指數(shù);從這個(gè)e值可以找出另一個(gè)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(kāi)密鑰和秘密密鑰，或簡(jiǎn)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(kāi)放性要求，密鑰管理簡(jiǎn)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(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法結(jié)合使用，利用對(duì)稱加密算法來(lái)進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)的加密，而采用RSA等非對(duì)稱加密算法來(lái)傳遞對(duì)稱加密算法所使用的密鑰，通過(guò)這種方法可以有效地提高加密的效率并能簡(jiǎn)化對(duì)密鑰的管理。
(II) 鑒別與簽名
對(duì)稱密碼學(xué)解決了數(shù)據(jù)機(jī)密性的功能要求，不對(duì)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(duì)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(kāi)，我們就可以把我們自己的公鑰放在網(wǎng)上，通信的對(duì)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(kāi)，達(dá)到了加密數(shù)據(jù)而不需要通過(guò)一種十分可靠的方式來(lái)傳遞對(duì)稱密鑰的作用。
反之，如果我們使用私鑰來(lái)加密消息，通信的對(duì)方用公鑰來(lái)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(shuō)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(duì)稱算法作數(shù)字簽名 (digital signature)，用私鑰加密報(bào)文，就可以讓對(duì)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(guò)過(guò)信息。
(III)CA (Certification Authrity)
公鑰加密體系理論上非常安全，操作過(guò)程中有可能會(huì)受到中間人攻擊(man-in-the-middle attack)。
比如B要發(fā)一個(gè)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(guò)程中，如果竊聽(tīng)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(guò)程中，竊聽(tīng)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(kāi)了密文。在此過(guò)程中，A與B通訊順利，也感覺(jué)不到H的存在，但A與B的信息卻被竊聽(tīng)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(gè)特定的實(shí)體和公鑰綁在一起。我們把信任建立在一個(gè)大家都信任的第三方，從信任第三方來(lái)達(dá)到信任對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)證書(shū)。
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(lái)加密你的數(shù)據(jù)證書(shū)。如果你要把你的公鑰傳送給對(duì)方，只需要將自己的數(shù)據(jù)證書(shū)傳遞給對(duì)方，對(duì)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。#p#
單向散列算法
對(duì)稱加密算法和非對(duì)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(wèn)題。
單向散列算法，又叫HASH算法，用HASH函數(shù)對(duì)一段數(shù)據(jù)進(jìn)行一次運(yùn)算，得到一段固定長(zhǎng)度的報(bào)文摘要(message digest)，任意兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)得到兩個(gè)不同的摘要，或者一個(gè)數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)生一個(gè)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(méi)有被惡意或者無(wú)意識(shí)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(gè) 128 位的散列值的散列算法。MD5設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)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(gè) 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(shí)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(duì)稱算法開(kāi)銷大，能過(guò)完成對(duì)數(shù)據(jù)加密/解密來(lái)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(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以對(duì)摘要進(jìn)行簽名。對(duì)摘要進(jìn)行不對(duì)稱加密算法的系統(tǒng)開(kāi)銷要遠(yuǎn)小于對(duì)原報(bào)文的加密開(kāi)銷。
以上的相關(guān)內(nèi)容就是對(duì)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】
