2022年密码学之第一章

1.1 密码学基本概念
密码在我们的生活中有着重要的作用,那么密码究竟来自何方,为何会产生呢?

密码学是网络安全、信息安全、区块链等产品的基础,常见的非对称加密、对称加密、散列函数等,都属于密码学范畴。

密码学有数千年的历史,从最开始的替换法到如今的非对称加密算法,经历了古典密码学,近代密码学和现代密码学三个阶段。密码学不仅仅是数学家们的智慧,更是如今网络空间安全的重要基础。

1.1.1 古典密码学
在古代的战争中,多见使用隐藏信息的方式保护重要的通信资料。比如先把需要保护的信息用化学药水写到纸上,药水干后,纸上看不出任何的信息,需要使用另外的化学药水涂抹后才可以阅读纸上的信息。

这些方法都是在保护重要的信息不被他人获取,但藏信息的方式比较容易被他人识破,例如增加哨兵的排查力度,就会发现其中的猫腻,因而随后发展出了较难破解的古典密码学。

① 替换法

替换法很好理解,就是用固定的信息将原文替换成无法直接阅读的密文信息。例如将 b 替换成 w ,e 替换成p ,这样bee 单词就变换成了wpp,不知道替换规则的人就无法阅读出原文的含义。

替换法有单表替换和多表替换两种形式。单表替换即只有一张原文密文对照表单,发送者和接收者用这张表单来加密解密。在上述例子中,表单即为:a b c d e - s w t r p 。

多表替换即有多张原文密文对照表单,不同字母可以用不同表单的内容替换。

例如约定好表单为:表单 1:abcde-swtrp 、表单2:abcde-chfhk 、表单 3:abcde-jftou。

规定第一个字母用第三张表单,第二个字母用第一张表单,第三个字母用第二张表单,这时 bee单词就变成了

(312)fpk ,破解难度更高,其中 312 又叫做密钥,密钥可以事先约定好,也可以在传输过程中标记出来。

② 移位法

移位法就是将原文中的所有字母都在字母表上向后(或向前)按照一个固定数目进行偏移后得出密文,典型的移位法应用有 “ 恺撒密码 ”。

例如约定好向后移动2位(abcde - cdefg),这样 bee 单词就变换成了dgg 。

同理替换法,移位法也可以采用多表移位的方式,典型的多表案例是“维尼吉亚密码”(又译维热纳尔密码),属于多表密码的一种形式。

③ 古典密码破解方式

古典密码虽然很简单,但是在密码史上是使用的最久的加密方式,直到“概率论”的数学方法被发现,古典密码就被破解了。

英文单词中字母出现的频率是不同的,e以12.702%的百分比占比最高,z 只占到0.074%,感兴趣的可以去百科查字母频率详细统计数据。如果密文数量足够大,仅仅采用频度分析法就可以破解单表的替换法或移位法。

多表的替换法或移位法虽然难度高一些,但如果数据量足够大的话,也是可以破解的。以维尼吉亚密码算法为例,破解方法就是先找出密文中完全相同的字母串,猜测密钥长度,得到密钥长度后再把同组的密文放在一起,使用频率分析法破解。

 

1.1.2 近代密码学

古典密码的安全性受到了威胁,外加使用便利性较低,到了工业化时代,近现代密码被广泛应用。

恩尼格玛机

恩尼格玛机是二战时期纳粹德国使用的加密机器,后被英国破译,参与破译的人员有被称为计算机科学之父、人工智能之父的图灵。

恩尼格玛机

恩尼格玛机使用的加密方式本质上还是移位和替代,只不过因为密码表种类极多,破解难度高,同时加密解密机器化,使用便捷,因而在二战时期得以使用。

1.1.3 现代密码学

① 散列函数

散列函数,也见杂凑函数、摘要函数或哈希函数,可将任意长度的消息经过运算,变成固定长度数值,常见的有MD5、SHA-1、SHA256,多应用在文件校验,数字签名中。

MD5 可以将任意长度的原文生成一个128位(16字节)的哈希值

SHA-1可以将任意长度的原文生成一个160位(20字节)的哈希值

② 对称密码

对称密码应用了相同的加密密钥和解密密钥。对称密码分为:序列密码(流密码),分组密码(块密码)两种。流密码是对信息流中的每一个元素(一个字母或一个比特)作为基本的处理单元进行加密,块密码是先对信息流分块,再对每一块分别加密。

例如原文为1234567890,流加密即先对1进行加密,再对2进行加密,再对3进行加密……最后拼接成密文;块加密先分成不同的块,如1234成块,5678成块,90XX(XX为补位数字)成块,再分别对不同块进行加密,最后拼接成密文。前文提到的古典密码学加密方法,都属于流加密。

③ 非对称密码

对称密码的密钥安全极其重要,加密者和解密者需要提前协商密钥,并各自确保密钥的安全性,一但密钥泄露,即使算法是安全的也无法保障原文信息的私密性。

在实际的使用中,远程的提前协商密钥不容易实现,即使协商好,在远程传输过程中也容易被他人获取,因此非对称密钥此时就凸显出了优势。

非对称密码有两支密钥,公钥(publickey)和私钥(privatekey),加密和解密运算使用的密钥不同。用公钥对原文进行加密后,需要由私钥进行解密;用私钥对原文进行加密后(此时一般称为签名),需要由公钥进行解密(此时一般称为验签)。公钥可以公开的,大家使用公钥对信息进行加密,再发送给私钥的持有者,私钥持有者使用私钥对信息进行解密,获得信息原文。因为私钥只有单一人持有,因此不用担心被他人解密获取信息原文。

1.1.4 如何设置密码才安全
密码不要太常见,不要使用类似于123456式的常用密码。
各应用软件密码建议不同,避免出现一个应用数据库被脱库,全部应用密码崩塌,
可在设置密码时增加注册时间、注册地点、应用特性等方法。例如tianjin123456,表示在天津注册的该应用。

 

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