图解密码技术

目录

• 一、对称密码和公钥密码
  • 对称密码系统
  • 公钥密码系统
  • 公钥通信的流程
  • 对称密码与公钥密码的比较
  • 分组密码的模式
  • 中间人攻击（man-in-the-middle attack）
• 二、混合密码系统
  • 加密流程
  • 解密流程
  • 伪随机数生成器
• 三、消息鉴别——消息认证码（MAC）
  • 消息鉴别的流程
  • 单向散列函数
  • 重放攻击（replay attack）
  • 抵御重放攻击——不重数（nonce）
• 四、实体鉴别——数字签名与证书
  • 数字签名的流程
  • 数字签名与消息认证码的比较
  • 证书和认证机构（CA）
• 五、基于口令的密码（PBE）
  • 加密流程
  • 解密流程
• 六、密码软件PGP的原理
  • 发送者A：生成数字签名并加密
  • 接收者B：解密并验证数字签名

参考书籍：《图解密码技术：第3版》

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一、对称密码和公钥密码

对称密码系统

公钥密码系统

公钥通信的流程

对称密码与公钥密码的比较

项目	对称密码	公钥密码
发送者	用共享密钥加密	用公钥加密
接收者	用共享密钥解密	用私钥解密
密钥配送问题	存在（Diffie-Hellman密钥交换算法可解决）	不存在，但公钥需要另外认证
机密性	好	好
常见算法	DES、3DES、AES	RSA、ElGamal、Rabin、椭圆曲线密码

Diffie-Hellman算法的有效性依赖于计算离散对数的难度，离散对数的概念：如果对于一个整数 $b$ 和素数 $p$ 的一个原根 $a$，可以找到一个唯一的指数 $i$，使得

$$b = a^i \mod p, \ 0 \leq i \leq p-1$$

分组密码的模式

分组密码：每次只能处理特定长度的一组数据的一类密码算法。常用模式有：

• ECB模式：电子密码本模式
• CBC模式：密码分组链接模式
• CFB模式：密文反馈模式
• OFB模式：输出反馈模式
• CTR模式：计数器模式

中间人攻击（man-in-the-middle attack）

中间人攻击问题的实质是公钥分配问题，该问题的解决需要引入数字签名和证书功能。

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二、混合密码系统

加密流程

解密流程

伪随机数生成器

随机数的分类：

随机数的种类	随机性	不可预测性	不可重现性
弱伪随机数（不可用于密码技术）	√	x	x
强伪随机数（可用于密码技术）	√	√	x
真伪随机数（可用于密码技术）	√	√	√

随机数生成器：通过硬件生成的随机数列。

伪随机数生成器：通过软件生成的伪随机数列，需要种子（seed）对生成器的内部状态进行初始化。具体的伪随机数生成器有：

• 线性同余法（不可用于安全相关的用途）
• 单向散列函数法（如SHA-1等）
• 密码法（如AES、RSA等）
• ANSI X9.17
• 梅森旋转算法（不可用于安全相关的用途）

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三、消息鉴别——消息认证码（MAC）

消息鉴别的流程

发送方：

接收方：

单向散列函数

单向散列函数，又称为消息摘要函数、哈希函数：

单向散列函数的常见算法：

算法	版本
MD	MD4、MD5
SHA	SHA-1、SHA-2（SHA-224、SHA-256、SHA-512/224、SHA-512/256、SHA-384、SHA-512）、SHA-3（Keccak）
RIPEMD	RIPEMD-160、RIPEMD-128、RIPEMD-256、RIPEMD-320

重放攻击（replay attack）

抵御重放攻击——不重数（nonce）

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四、实体鉴别——数字签名与证书

数字签名的流程

发送方：

接收方：

数字签名与消息认证码的比较

项目	消息认证码（MAC）	数字签名
发送方	用共享密钥计算MAC值	用私钥生成签名
接收方	用共享密钥计算MAC值	用公钥验证签名
密钥配送问题	存在	不存在，但公钥需要另外认证
完整性	好	好
认证	仅限通信双方	可适用于任何第三方
防止否认	不能防止	可以防止

证书和认证机构（CA）

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五、基于口令的密码（PBE）

加密流程

最后，用户将“盐”和“KEK加密后的CEK”保存在安全的地方。

解密流程

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六、密码软件PGP的原理

发送者A：生成数字签名并加密

生成数字签名：

消息加密：

接收者B：解密并验证数字签名

消息解密：

验证数字签名：