55、密码学全解析：从经典到现代的加密之旅

密码学全解析：从经典到现代的加密之旅

在当今数字化时代，信息安全至关重要，而密码学则是保障信息安全的关键技术。下面将深入探讨密码学的相关知识，包括不同类型的密码、常见算法以及标准协议。

密码基础

密码本质上是一种算法，是加密和解密过程中必须执行的一系列明确步骤。使用密码对消息或数据进行加密后，除非接收者知道解密所需的密钥，否则这些信息将无法读取。密码的应用十分广泛，不仅用于电子邮件和数据本身，还应用于手机等通信技术中，保障了手机通话的安全性。

密码类型

密码主要分为经典密码和现代密码两类。

经典密码

经典密码是在计算机发明之前开发的，常见的有以下几种：
- 凯撒密码 ：这是一种简单的替换密码，按照既定模式将字母表中的每个字母替换为另一个字母。例如，“MY VOICE IS MY PASSWORD” 可能会被转换为 “DB XGOET OL DB HALLCGKR”。
- 栅栏密码 ：使用一个密钥，例如密钥为 3 时，表示字符之间有三个空格。以 “MY VOICE IS MY PASSWORD” 为例，按上下排列方式书写，忽略空格后，第一行是 “MISAO”，第二行是 “YOCIMPSWR”，第三行是 “VEYSD”。接收者需要知道密钥才能解密。
- 路线密码 ：将明文以网格模式排列，加密方式由路线决定。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(选择经典密码类型):::process
    B --> C{是否为凯撒密码}:::process
    C -- 是 --> D(按既定模式替换字母):::process
    C -- 否 --> E{是否为栅栏密码}:::process
    E -- 是 --> F(根据密钥排列字符):::process
    E -- 否 --> G(使用路线密码排列网格):::process
    D --> H([结束]):::startend
    F --> H
    G --> H

现代密码

与经典密码相比，现代密码更难手动破解，通常用于为发送者提供真实性、安全性和完整性保障。现代密码主要有对称和非对称两种类型，也有基于数据输入的密码，如块密码和流密码。
- 块密码 ：算法以固定大小的位组或块为单位进行操作。如今常见的 DES、AES 等加密算法都采用块密码。如果数据块大小小于密码使用的块大小，会进行填充以达到所需的块大小。
- 流密码 ：一种对称密钥密码，将明文数字与伪随机密码数字流（密钥流）相结合，每个字符依次加密。

常见算法

常见的加密算法有 DES、3DES、AES、RC4 等。
| 算法名称 | 发明时间 | 块大小 | 密钥大小 | 特点 | 安全性 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| DES | 20 世纪 70 年代 | 64 位 | 56 位 | 由 IBM 创造，曾被破解 | 较低 |
| 3DES | - | - | - | 对 DES 算法执行三次，有三种密钥使用方式 | 较高 |
| AES | - | 128 位 | 128、192 或 256 位 | 对称密钥算法，由 NIST 协助创建 | 高 |
| RC4 | - | - | 可变 | 可变密钥大小对称密钥流密码，用于 WEP 协议，易被攻击 | 低 |

• DES ：由 IBM 在 20 世纪 70 年代创建，使用 64 位块和 56 位密钥。1999 年该算法被破解，随后出现了 3DES 以弥补其漏洞。3DES 对 DES 算法执行三次，密钥使用方式有三种：三个密钥完全不同、K1 和 K3 相同、三个密钥都相同，其中第一种方式最安全。
• AES ：与 DES 和 3DES 相比更为强大，使用 128 位块，密钥大小有 128、192 或 256 位，分别称为 AES128、AES192 和 AES256。它是对称密钥算法，由美国国家标准与技术研究院（NIST）协助创建，政府机构用于加密非机密数据。
• RC4 ：也称为 Rivest Cipher 4，是可变密钥大小的对称密钥流密码。由于其输出存在偏差，在 Wired Equivalent Privacy（WEP）无线安全协议中易被攻击。

此外，还有 Blowfish 和 Twofish 算法：
- Blowfish ：1993 年开发，是一种强大的对称块密码，使用 64 位块，密钥大小可变（32 至 448 位），设计初衷是取代 DES 和 3DES，其优点是速度快。
- Twofish ：1998 年推出，与 Blowfish 相似，使用 128 位块，支持 256 位块和 192 或 128 位密钥大小，也使用单密钥。
- Threefish ：2008 年开发，是 Skein 算法的一部分，为 12 轮 Feistel 网络密码，块大小 128 位，密钥长度 256 位，速度快且安全性高，具有很强的抗攻击能力。

这些密码和算法在不同场景下发挥着重要作用，为信息安全提供了有力保障。了解它们的特点和适用范围，有助于我们更好地选择合适的加密方式来保护数据。

密码学全解析：从经典到现代的加密之旅

标准与协议

除了各种密码和算法外，密码学中还有一些重要的标准和协议，用于保障信息的安全传输和身份验证。

DSA

DSA（Digital Signature Algorithm）是一种联邦信息处理标准，用于创建数字签名。它会生成一个 320 位的数字签名，并伴有 512 至 1024 位的安全保障。该标准利用了公私钥技术，具体操作步骤如下：
1. 生成公私钥对。
2. 使用私钥对消息进行签名，生成 320 位的数字签名。
3. 接收方使用公钥验证签名的有效性。

RSA

RSA 以其发明者 Ron Rivest、Adi Shamir 和 Leonard Adleman 的名字首字母命名。它是一种广泛应用的公钥加密系统，基于两个大素数的乘积。以下是 RSA 的工作原理：
1. 选取两个大素数 A 和 B，计算它们的乘积 C = A * B，C 被称为模数。
2. 选择一个小于 C 且与 (A - 1)(B - 1) 互质的数 E，确保 E 和 (A - 1)(B - 1) 除了 1 以外没有其他公因数。
3. 选择另一个数 F，使得 EF - 1 能被 (A - 1)(B - 1) 整除。
4. E 和 F 分别被称为公钥和私钥指数。公钥由 C 和 E 组成，私钥由 C 和 F 组成。

RSA 的安全性在于从公钥获取私钥非常困难，因为分解 C 为 A 和 B 几乎是不可能的。

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A([开始]):::startend --> B(选取两个大素数 A 和 B):::process
    B --> C(计算 C = A * B):::process
    C --> D(选择 E < C 且与 (A - 1)(B - 1) 互质):::process
    D --> E(选择 F 使 EF - 1 能被 (A - 1)(B - 1) 整除):::process
    E --> F(生成公钥 (C, E) 和私钥 (C, F)):::process
    F --> G([结束]):::startend

哈希

哈希的目的是验证文档是否被篡改。通过为文档分配一个由十六进制代码表示的数字签名，我们可以判断文档是否保持原样。常见的哈希算法有：
- 消息摘要（Message Digest） ：对数据块进行处理，生成唯一的哈希值，用于验证数据的完整性。
- SHA - 1 ：由美国国家安全局（NSA）于 1993 年引入，将输入转换为 160 位的哈希值，再转换为十六进制代码。常用于 PGP、TLS、SSH 和 SSL 等协议。
- SHA - 2 ：与 SHA - 1 类似，但使用 256 位，安全性更高。
- SHA - 3 ：采用海绵构造，与之前的 SHA 算法有很大不同。数据被吸收，结果被挤出，在吸收过程中，消息块与初始状态位进行异或操作，然后通过置换函数进行转换。

消息专用密码

在保障消息安全方面，还有一些专门设计的密码算法。

HMAC

HMAC（Hash - based Message Authentication Code）是一种基于哈希函数的消息认证码算法。它嵌入了如 SHA - 1 或 MD5 等哈希函数，其强度取决于嵌入的哈希函数、密钥大小和哈希输出大小。HMAC 的操作分为两个阶段：
1. 第一阶段：使用内部密钥和消息生成内部哈希值。
2. 第二阶段：使用外部密钥和内部哈希结果生成最终的 HMAC 代码。

HMAC 本身不加密消息，但消息必须与 HMAC 哈希一起发送，双方可以使用密钥验证消息的真实性。

综上所述，密码学涵盖了丰富的密码类型、算法、标准和协议。不同的密码和算法适用于不同的场景，我们需要根据具体需求选择合适的加密方式来保障信息的安全。无论是经典密码的简单替换和置换，还是现代密码的复杂算法，都在信息安全领域发挥着不可或缺的作用。通过了解这些知识，我们可以更好地保护自己的数据和隐私，应对日益复杂的网络安全挑战。