Diffie–Hellman key exchange DH密钥协商

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#DH算法 #ECDH #ECDHE #密钥协商 #加密

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本文详细介绍了Diffie-Hellman密钥交换(DH)的基本原理及其椭圆曲线版本ECDH的工作流程。DH算法允许双方在不安全的信道上建立共享密钥，而ECDH则进一步提高了安全性。

Diffie–Hellman key exchange DH密钥协商

DH算法是一个密钥的磋商算法，并不能交换一个密钥（安全的将密钥从一方发送到另一方），也不能进行数字签名和加密，只能让双方共同产生一个密钥。

原理

发送方Alice，接收方Bob，双方共享DH参数（p,g），DH参数（p,g）公开
multiplicative group of integers modulo p,where p is prime，g is a primitive root modulo p

Alice的私钥a（其实a不是数字证书的私钥，叫secret，就是为本次协商密钥产生的）

Bob的私钥b（同理，b也不是数字证书的私钥，也是secret）

Alice和Bob约定使用一个模 p = 23和g = 5（5是primitive root modulo 23）
Alice选择一个保密的整数 a = 4作为私钥，计算出公钥 A = g^a mod p，将公钥A发送给Bob；
- A = 5⁴ mod 23 = 4
Bob选在一个保密的整数 b = 3，计算出公钥 B = g^b mod p，将公钥B发送给Alice；
- B = 5³ mod 23 = 10
Alice 计算出共享密钥 s = B^a mod p
- s = 10⁴ mod 23 = 18
Bob 计算共享密钥 s = A^b mod p
- s = 4³ mod 23 = 18
Alice和Bob现在就共享一个密钥（s = 18）

A^b mod p = g^ab mod p = g^ba mod p = B^a mod p

More specifically

(g^a mod p)^b mod p = (g^b mod p)^a mod p
只有a,b,s是保密的,其他的值：p,g,A,B都是公开传输的。一旦Alice和Bob计算出了共享的密钥s，他们就可以使用只有他们双方知道的s作为加密密钥，在公开通道上传输数据。

当然需要足够大的a,b和p的值才能保证上面例子的安全。

g = public (prime) base, known to Alice, Bob, and Eve（窃听者的名字）. g = 5

p = public (prime) modulus, known to Alice, Bob, and Eve. p = 23

a = Alice’s private key, known only to Alice. a = 6

b = Bob’s private key known only to Bob. b = 15

A = Alice’s public key, known to Alice, Bob, and Eve. A = ga mod p = 8

B = Bob’s public key, known to Alice, Bob, and Eve. B = gb mod p = 19

DH参数

DH参数(p,g) RFC3526给出了参考值

ECDH算法

Eliptic-curve Diffie-Hellman(ECDH)是基于EC算法的DH方案，将DH算法的模幂运算变成了点乘运算，据说速度有所提高，安全性也增加。

假设Alice和Bob希望建立一个共享密钥，但是他们之间可用的信道是被第三方窃听的。

首先双方要商定参数（p,a,b,G,n,h）。

双方必须有ECC密钥对,包含私钥d（一个随机选择的整数范围[1,n-1]），公钥表现为一个点Q(Q=dG)。令Alice的密钥对表示为（d_A, Q_A）令Bob的密钥对表示为（d_B, Q_B）。在执行密钥协商协议之前，双方需要提前知道对方的公钥。

Alice计算点(x_k,y_k)=d_AQ_B。Bob计算点(x_k,y_k)=d_BQ_A。共享密钥x_k(这个点的x坐标)。大部分基于ECDH的标准协议使用KDF通过x_k分散出一个对称密钥。

公钥要么是固定的（可信的，一般是通过数字证书），要么是临时的（ECDHE，E表示临时ephemeral）。如果是固定密钥，那么服务器端(Bob)少一步计算Q_B，用证书公钥代替，服务器发送证书到客户端，使用ECDH时，服务器必须使用ECC证书，服务器不发送server key exchange报文。ECDH的服务器私钥是固定的（服务器证书对应的私钥），服务器私钥泄露，会导致会话密钥被第三方算出。如果使用ECDHE，Alice和Bob双方的的私钥都是临时生成的，服务器证书对应私钥不参与密钥协商，所以私钥泄露不会影响会话密钥安全，是前向安全的（forward secrity）。