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密码学: 1.2.0 加解密算法(转载)


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加解密算法

算法类型 特点 优势 缺陷 代表算法
对称加密 加解密密钥相同或可推算 计算效率高,加密强度高 需提前共享密钥;易泄露 DES、3DES、AES、IDEA
非对称加密 加解密密钥不相关 无需提前共享密钥 计算效率低,仍存在中间人攻击可能 RSA、ElGamal、椭圆曲线系列算法

算法体系

现代加密算法的典型组件包括:加解密算法、加密密钥、解密密钥。其中,加解密算法自身是固定不变的,一般是公开可见的;密钥则往往每次不同,并且需要保护起来,一般来说,对同一种算法,密钥长度越长,则加密强度越大。。

加密过程中,通过加密算法和加密密钥,对明文进行加密,获得密文。

解密过程中,通过解密算法和解密密钥,对密文进行解密,获得明文。

根据加解密的密钥是否相同,算法可以分为对称加密(symmetric cryptography,又称公共密钥加密,common-key cryptography)和非对称加密(asymmetric cryptography,又称公钥加密,public-key cryptography)。两种模式适用于不同的需求,恰好形成互补,很多时候也可以组合使用,形成混合加密机制。

并非所有加密算法的强度都可以从数学上进行证明。公认的高强度加密算法是在经过长时间各方面实践论证后,被大家所认可,不代表其不存在漏洞。但任何时候,自行发明加密算法都是一种不太明智的行为。

对称加密

顾名思义,加解密的密钥是相同的。

优点是加解密效率高(速度快,空间占用小),加密强度高。

缺点是参与多方都需要持有密钥,一旦有人泄露则安全性被破坏;另外如何在不安全通道下分发密钥也是个问题。

对称密码从实现原理上可以分为两种:分组密码和序列密码。前者将明文切分为定长数据块作为加密单位,应用最为广泛。后者则只对一个字节进行加密,且密码不断变化,只用在一些特定领域,如数字媒介的加密等。

代表算法包括 DES、3DES、AES、IDEA 等。

  • DES(Data Encryption Standard):经典的分组加密算法,1977 年由美国联邦信息处理标准(FIPS)所采用 FIPS-46-3,将 64 位明文加密为 64 位的密文,其密钥长度为 56 位 + 8 位校验。现在已经很容易被暴力破解。
  • 3DES:三重 DES 操作:加密 --> 解密 --> 加密,处理过程和加密强度优于 DES,但现在也被认为不够安全。
  • AES(Advanced Encryption Standard):美国国家标准研究所(NIST)采用取代 DES 成为对称加密实现的标准,1997~2000 年 NIST 从 15 个候选算法中评选 Rijndael 算法(由比利时密码学家 Joan Daemon 和 Vincent Rijmen 发明)作为 AES,标准为 FIPS-197。AES 也是分组算法,分组长度为 128、192、256 位三种。AES 的优势在于处理速度快,整个过程可以数学化描述,目前尚未有有效的破解手段。 适用于大量数据的加解密;不能用于签名场景;需要提前分发密钥。

注:分组加密每次只能处理固定长度的明文,因此过长的内容需要采用一定模式进行加密,《实用密码学》中推荐使用 密文分组链接(Cipher Block Chain,CBC)、计数器(Counter,CTR)模式。

非对称加密

非对称加密是现代密码学历史上最为伟大的发明,可以很好的解决对称加密需要的提前分发密钥问题。

顾名思义,加密密钥和解密密钥是不同的,分别称为公钥和私钥。

公钥一般是公开的,人人可获取的,私钥一般是个人自己持有,不能被他人获取。

优点是公私钥分开,不安全通道也可使用。

缺点是加解密速度慢,一般比对称加解密算法慢两到三个数量级;同时加密强度相比对称加密要差。

非对称加密算法的安全性往往需要基于数学问题来保障,目前主要有基于大数质因子分解、离散对数、椭圆曲线等几种思路。

代表算法包括:RSA、ElGamal、椭圆曲线(Elliptic Curve Crytosystems,ECC)系列算法。

  • RSA:经典的公钥算法,1978 年由 Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman 共同提出,三人于 2002 年获得图灵奖。算法利用了对大数进行质因子分解困难的特性,但目前还没有数学证明两者难度等价,或许存在未知算法在不进行大数分解的前提下解密。
  • Diffie-Hellman 密钥交换:基于离散对数无法快速求解,可以在不安全的通道上,双方协商一个公共密钥。
  • ElGamal:由 Taher ElGamal 设计,利用了模运算下求离散对数困难的特性。被应用在 PGP 等安全工具中。
  • 椭圆曲线算法(Elliptic curve cryptography,ECC):现代备受关注的算法系列,基于对椭圆曲线上特定点进行特殊乘法逆运算难以计算的特性。最早在 1985 年由 Neal Koblitz 和 Victor Miller 分别独立提出。ECC 系列算法一般被认为具备较高的安全性,但加解密计算过程往往比较费时。 一般适用于签名场景或密钥协商,不适于大量数据的加解密。

RSA 算法等已被认为不够安全,一般推荐采用椭圆曲线系列算法。

混合加密机制

即先用计算复杂度高的非对称加密协商一个临时的对称加密密钥(会话密钥,一般相对内容来说要短的多),然后双方再通过对称加密对传递的大量数据进行加解密处理。

典型的场景是现在大家常用的 HTTPS 机制。HTTPS 实际上是利用了 Transport Layer Security/Secure Socket Layer(TLS/SSL)来实现可靠的传输。TLS 为 SSL 的升级版本,目前广泛应用的为 TLS 1.0,对应到 SSL 3.1 版本。

建立安全连接的具体步骤如下:

  • 客户端浏览器发送信息到服务器,包括随机数 R1,支持的加密算法类型、协议版本、压缩算法等。注意该过程为明文。
  • 服务端返回信息,包括随机数 R2、选定加密算法类型、协议版本,以及服务器证书。注意该过程为明文。
  • 浏览器检查带有该网站公钥的证书。该证书需要由第三方 CA 来签发,浏览器和操作系统会预置权威 CA 的根证书。如果证书被篡改作假(中间人攻击),很容易通过 CA 的证书验证出来。
  • 如果证书没问题,则用证书中公钥加密随机数 R3,发送给服务器。此时,只有客户端和服务器都拥有 R1、R2 和 R3 信息,基于 R1、R2 和 R3,生成对称的会话密钥(如 AES 算法)。后续通信都通过对称加密进行保护。