密碼學(xué)的基本概念和相關(guān)的基礎(chǔ)知識解析

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

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

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

編碼：將數(shù)據(jù)（文本、音頻、視頻）映射為比特序列的過程。

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

對稱加密：在加密和解密的過程中，使用相同的密鑰，稱為對稱加密。

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

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 個分組，對于每個分組使用相同的密鑰加密。

ECB加密過程如下：

ECB解密過程如下：

CBC（Cipher Block Chaining）加密過程：

CBC解密過程：

CFB

OFB

CTR

三、對稱加密算法

1. DES（DataEncryptionStandard）

DES對密鑰長度的要求為56個Bit，每一個byte需要一個比特的校驗位。以DES算法的CBC分組模式講解闡述一下該算法，對于CBC分組方式，會面臨分組長度不夠的問題，具體處理方法如下：

（1）計算出要填充的字節(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，將最后一個字節(jié)的值取出，轉(zhuǎn)換成整形數(shù)值

（4）結(jié)果（3）得到的數(shù)值就是要刪除的字節(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算法需要的密鑰長度有128、192、256Bit三種，分組長度理論上三種情況16字節(jié)、24字節(jié)、32字節(jié)。當(dāng)密鑰長度為256Bit時，效率低，但機(jī)密性最高。在任何加解密算法中，分組長度和密鑰長度一定是相等的。AES采用CBC的分組模式，密鑰長度16個字節(jié)，初始化向量必須保證為16個字節(jié)。

四、非對稱加密

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

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

非對稱加密技術(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。

非對稱加密的圖示流程：

非對稱加密算法（RSA）

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

非對稱加密算法簡單案例：

1.公鑰加密公式：

明文 “2” 經(jīng)過 RSA 加密后變成密文 “8”

2.私鑰解密公式：

密文 “8” 經(jīng)過 RSA 解密后變成了明文 2

對稱加密和非對稱加密的區(qū)別：

1. 密鑰分發(fā)：對稱加密分發(fā)困難，非對稱加密分發(fā)簡單

2. 效率的問題：對稱加密效率比較高，非對稱加密效率比較低。

3. 安全等級：對稱加密的安全等級比非對稱加密的安全等級低。

五、單向散列函數(shù)

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

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

（2）應(yīng)用：檢測軟件是否被篡改、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)抗碰撞性沒有被攻破。

六、證書

https交互過程中，對非對稱加密+對稱加密的綜合應(yīng)用。下面圖示為https請求過程：

具體流程如下：

（1）client向server發(fā)送請求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。

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

（4）客戶端解析證書

工作是由客戶端的TLS完成，首先驗證證書是否有效，比如頒發(fā)機(jī)構(gòu)，過期時間等。如果發(fā)現(xiàn)異常，則會彈出一個警告框，提示證書存在問題；如果證書沒有問題，那么就生成一個隨即值（密鑰）。然后用公鑰對該隨機(jī)值進(jìn)行加密。

（5）客戶端傳送加密信息

傳送的是用證書中公鑰加密后的密鑰，目的就是讓服務(wù)端得到這個密鑰，此后，客戶端和服務(wù)端的通信就可以通過這個隨機(jī)值（密鑰）來進(jìn)行加密解密（對稱加密算法）。

（6）服務(wù)端加密解密信息

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

（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?？蛻舳擞蒙傻碾S機(jī)值（密鑰）解密服務(wù)端傳過來的信息，獲取解密后的內(nèi)容。

CA簽名的真實性流程示意圖如下：