密码学入门

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简介

在信息安全领域，一般会遇到"窃听"、“篡改”、“伪装”、"否认"这些威胁，而密码学家们提供了相应的密码学算法来解决这些问题，如下：

• 窃听：攻击者可以在网络上安置了一个路由器，侦听所有经过的数据包，这样数据就被泄密了，密码学提供了对称密码与公钥密码算法对数据加密，保证机密性。
• 篡改：攻击者对经过的数据包进行修改，使得接收方获取到错误的信息，密码学提供了单向散列函数生成“数据指纹”，保证数据完整性。
• 伪装：攻击者伪装成发送方来发送数据，使得接收方获取到虚假的信息，密码学提供消息认证码生成"认证码"，保证数据来源的正确性。
• 否认：发送方本身是攻击者，发送了恶意请求后，谎称自己没有发此请求，密码学提供了数字签名算法，使其不可否认。

像对称加密、公钥加密、消息散列、消息认证码、数字签名这些算法，也被称为密码学家的工具箱。

加密分类

现如今的加密算法，主要分为两大类，一类是对称加密，而另一类是非对称加密，而对称加密在实现方式上又可以分为两类，一类是分组加密算法，另一类是流加密算法。

分组加密

分组加密(block cipher)，每次加密或解密数据中特定长度的一小块，前一块处理完了再处理下一块，直到所有数据都处理完，这里的“一块”就称为分组，而一个分组的bit数就是分组长度。

常见的分组加密算法有DES与AES，比如DES的分组长度是64bit，而AES的分组长度可以是128bit或192bit或256bit，由于DES或AES的算法过程比较复杂，暂不介绍，但我们有必要了解一下它们经常使用的基础运算XOR。

XOR加密

在位运算中，一般有AND(与)、OR(或)、NOT(非)运算，然而还有一种位运算也非常常用，即XOR(异或)，它的运算规则如下：

简单来说，就是两边相同结果是0，两边不同结果是1，所以才称为“异或”嘛！

而如果将XOR运算应用在多bit的数据上，我们会发现XOR有非常好的自反特性，如下：

1. 数据A与B异或之后，变成了一个新数据
   
2. 而当我们将新数据再与B异或运算后，发现它又变成了A！
   
3. 从而，我们惊奇的发现，如果把B看成是密钥的话，XOR可以用来实现加密、解密算法，而加密、解密过程，都只需要数据与密钥做XOR运算即可。

Linux命令做XOR加密

$ pip install xortool

# 明文文件，内容是hello
$ echo -n hello > plain.txt

$ xxd plain.txt
00000000: 6865 6c6c 6f                             hello

# 用xor算法加密，密码为pass，生成encrypt.bin
$ cat plain.txt | xortool-xor -n -r pwd -f - > encrypt.bin

$ xxd encrypt.bin
00000000: 1812 081c 18                             .....

# 用XOR算法解密，可还原成明文
$ xortool-xor -n -r pwd -f encrypt.bin
hello

虽然对称加密算法的核心是XOR，但如果加密算法只使用XOR的话，其加密的强度并不够高，很容易被破译或泄密。

下面会以一个故事展开密码学的各种算法概念及用途，背景如下：
男主：小李 ，女主：小红，男配：大李，小李的哥哥，女配：小美，小红的闺蜜
小李与小红是同班同学，专业计算机，小李对小红倾慕已久！

恋爱日记：小李写情书

为了表达爱慕之情，小李写了一封情书，写了好长时间，决定发给小红，但又不想被网络上的其他人看到！如下：

由于小李最近学习了XOR加密算法，于是使用XOR加密了情书，如下：

cat plain.txt | xortool-xor -n -r pwd -f - > encrypt.bin

可以看到，加密后的数据都是乱码了，效果很好！

小李喜出望外，将自己的成果展示给哥哥大李看！大李指出，这样的加密算法强度不够高，密码学家们可以轻易破解，开始给小李展示破译过程！

# 统计原文词频
$ grep -oP . plain.txt |sort|uniq -c|sort -nr|head
     66 ，
     37 你
     31 的
     25 我
     15 是
     15 不
     13 一
     12 想
     10 会
      9 都

# 统计密文词频
$ xxd -g3 -c3 -ps encrypt.bin |sort|uniq -c|sort -nr|head
     66 9fcbe8
     37 94cac4
     31 97ede0
     25 96fff5
     15 96efcb
     15 94cfe9
     13 94cfe4
     12 96f4d7
     10 94cbfe
      9 99f4d9

# 按词频构造替换表
$ paste <(xxd -g3 -c3 -ps encrypt.bin |sort|uniq -c|sort -nr|head|awk '{print $2}'|sed -E 's/../\\x&/g') <(grep -oP . plain.txt |sort|uniq -c|sort -nr|head|awk '{print $2}')
\x9f\xcb\xe8    ，
\x94\xca\xc4    你
\x97\xed\xe0    的
\x96