密碼學(xué)的基本概念和相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)解析

近期跟新人面試溝通時(shí)，發(fā)現(xiàn)許多人對(duì)瀏覽器如何與服務(wù)器交互、如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐?wèn)題無(wú)法作出解答，在此特別梳理一下密碼學(xué)的基本概念，希望能對(duì)大家了解密碼學(xué)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)有所幫助。

一、基本概念

名詞解釋：

cryptology 密碼學(xué)

plaintext 明文

cipher-text 密文

encrypt 加密

decrypt 解密

crytography 密碼

confidentiality 機(jī)密性、加密等級(jí)

Bit、byte：比特（Bit）與字節(jié)（byte）的關(guān)系是8個(gè)Bit = 1byte

編碼：將數(shù)據(jù)（文本、音頻、視頻）映射為比特序列的過(guò)程。

密鑰：固定長(zhǎng)度的字符串。通過(guò)密鑰及加解密算法，對(duì)給定的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。

對(duì)稱加密：在加密和解密的過(guò)程中，使用相同的密鑰，稱為對(duì)稱加密。

非對(duì)稱加密：在加解密的過(guò)程中，使用不同的密鑰（私鑰、公鑰），稱為非對(duì)稱加密。

加解密流程：明文+密鑰à加密算法=》密文+密鑰à解密算法=》明文

二、現(xiàn)代分組密碼操作模式

分組模式對(duì)加解密至關(guān)重要?，F(xiàn)代分組密碼的操作模式分為5種：電子密碼本模式（ECB），密碼分組鏈接模式（CBC），密碼反饋模式（CFB），輸出反饋模式（OFB），以及計(jì)數(shù)器模式（CTR）

ECB（Electronic Codebook）

明文按照分組密碼的分組大?。╪ 比特）被分為 N 個(gè)分組，對(duì)于每個(gè)分組使用相同的密鑰加密。

ECB加密過(guò)程如下：

ECB解密過(guò)程如下：

CBC（Cipher Block Chaining）加密過(guò)程：

CBC解密過(guò)程：

CFB

OFB

CTR

三、對(duì)稱加密算法

1. DES（DataEncrypTIonStandard）

DES對(duì)密鑰長(zhǎng)度的要求為56個(gè)Bit，每一個(gè)byte需要一個(gè)比特的校驗(yàn)位。以DES算法的CBC分組模式講解闡述一下該算法，對(duì)于CBC分組方式，會(huì)面臨分組長(zhǎng)度不夠的問(wèn)題，具體處理方法如下：

（1）計(jì)算出要填充的字節(jié)數(shù)，例如填充為2

（2）需要填充的字節(jié)為2

（3）當(dāng)密文解密時(shí)，將最后一個(gè)字節(jié)的值取出，轉(zhuǎn)換成整形數(shù)值

（4）結(jié)果（3）得到的數(shù)值就是要?jiǎng)h除的字節(jié)數(shù)

2. 3DES算法

3DES是DES加密算法的一種模式，它使用3條64Bit的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次加密，其加密流程如下：

3. AES

AES算法需要的密鑰長(zhǎng)度有128、192、256Bit三種，分組長(zhǎng)度理論上三種情況16字節(jié)、24字節(jié)、32字節(jié)。當(dāng)密鑰長(zhǎng)度為256Bit時(shí)，效率低，但機(jī)密性最高。在任何加解密算法中，分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度一定是相等的。AES采用CBC的分組模式，密鑰長(zhǎng)度16個(gè)字節(jié)，初始化向量必須保證為16個(gè)字節(jié)。

四、非對(duì)稱加密

用秘鑰進(jìn)行解密時(shí)，想要將密鑰安全的發(fā)送給接收者、解決密鑰配送問(wèn)題，就需要采用非對(duì)稱加密技術(shù)。

非對(duì)稱加密技術(shù)的密鑰分為兩部分：公鑰與私鑰。公鑰可以公開(kāi)，私鑰是隱私的，不能泄露。

非對(duì)稱加密技術(shù)，加密與解密采用不同的密鑰（公私鑰）。公鑰進(jìn)行加密，需要用私鑰進(jìn)行解密；私鑰加密，需要用公鑰進(jìn)行解密。

非對(duì)稱加密的圖示流程：

非對(duì)稱加密算法（RSA）

RSA名字的由來(lái)是由此算法的三位開(kāi)發(fā)者的名字RonRivest， AdiShamir和LeonaraAdleman的姓氏首字母組成。

非對(duì)稱加密算法簡(jiǎn)單案例：

1.公鑰加密公式：

明文 “2” 經(jīng)過(guò) RSA 加密后變成密文 “8”

2.私鑰解密公式：

密文 “8” 經(jīng)過(guò) RSA 解密后變成了明文 2

對(duì)稱加密和非對(duì)稱加密的區(qū)別：

1. 密鑰分發(fā)：對(duì)稱加密分發(fā)困難，非對(duì)稱加密分發(fā)簡(jiǎn)單

2. 效率的問(wèn)題：對(duì)稱加密效率比較高，非對(duì)稱加密效率比較低。

3. 安全等級(jí)：對(duì)稱加密的安全等級(jí)比非對(duì)稱加密的安全等級(jí)低。

五、單向散列函數(shù)

單向散列函數(shù)有一個(gè)輸入和一個(gè)輸出，其中輸入稱為message， 輸出稱為散列值hashvalue，可以計(jì)算摘要，獲取消息的指紋。單向散列函數(shù)的特性是計(jì)算速度非?？臁?/p>

（1）SHA-1單向散列函數(shù)，所計(jì)算出的散列值的長(zhǎng)度是160Bit（20字節(jié)）

（2）應(yīng)用：檢測(cè)軟件是否被篡改、消息認(rèn)證碼、數(shù)字簽名、偽隨機(jī)性生成器、一次性口令等。

（3）常用的單向hash散列函數(shù)

MD4、MD5、SHA-1、SHA-2、SHA-3，其中MD4、MD5的強(qiáng)抗碰撞性已經(jīng)被攻破，SHA-2的強(qiáng)抗碰撞性沒(méi)有被攻破。

六、證書(shū)

https交互過(guò)程中，對(duì)非對(duì)稱加密+對(duì)稱加密的綜合應(yīng)用。下面圖示為https請(qǐng)求過(guò)程：

具體流程如下：

（1）client向server發(fā)送請(qǐng)求https://baidu.com，然后連接到server的443端口。

（2） 服務(wù)端必須要有數(shù)字證書(shū)。

（3）服務(wù)端向客戶端傳送證書(shū)。證書(shū)中包含的信息：申請(qǐng)者公鑰、申請(qǐng)者的組織信息和個(gè)人信息、簽發(fā)機(jī)構(gòu) CA 的信息、有效時(shí)間、證書(shū)序列號(hào)，另外還包含一個(gè)簽名。

（4）客戶端解析證書(shū)

工作是由客戶端的TLS完成，首先驗(yàn)證證書(shū)是否有效，比如頒發(fā)機(jī)構(gòu)，過(guò)期時(shí)間等。如果發(fā)現(xiàn)異常，則會(huì)彈出一個(gè)警告框，提示證書(shū)存在問(wèn)題；如果證書(shū)沒(méi)有問(wèn)題，那么就生成一個(gè)隨即值（密鑰）。然后用公鑰對(duì)該隨機(jī)值進(jìn)行加密。

（5）客戶端傳送加密信息

傳送的是用證書(shū)中公鑰加密后的密鑰，目的就是讓服務(wù)端得到這個(gè)密鑰，此后，客戶端和服務(wù)端的通信就可以通過(guò)這個(gè)隨機(jī)值（密鑰）來(lái)進(jìn)行加密解密（對(duì)稱加密算法）。

（6）服務(wù)端加密解密信息

服務(wù)端用私鑰解密密鑰，得到客戶端傳過(guò)來(lái)的隨機(jī)值（密鑰），然后把內(nèi)容通過(guò)該值進(jìn)行對(duì)稱加密。

（7） 傳輸加密后的信息。信息是服務(wù)端用私鑰加密后的信息。

（8）客戶端解密信息。客戶端用生成的隨機(jī)值（密鑰）解密服務(wù)端傳過(guò)來(lái)的信息，獲取解密后的內(nèi)容。

CA簽名的真實(shí)性流程示意圖如下：