密碼技術簡明教程(一)

加密解密 · 發表 2019-05-13 00:55:18

摘要：密碼技術好像不常用，偶爾我們才需要對接需要驗籤的介面。實際上密碼技術很常用，只要你訪問了https的網站，就用到了密碼技術，甚至是解鎖手機，也用到了密碼技術。密碼技術就是這樣，無處不在，但是一般人卻極少察覺到。然而密碼技術與網路安全息息相關，每個程式設計師都有必要了解。為此，整...

密碼技術好像不常用，偶爾我們才需要對接需要驗籤的介面。實際上密碼技術很常用，只要你訪問了https的網站，就用到了密碼技術，甚至是解鎖手機，也用到了密碼技術。

密碼技術就是這樣，無處不在，但是一般人卻極少察覺到。然而密碼技術與網路安全息息相關，每個程式設計師都有必要了解。

為此，整理了這篇教程，就是為了讓大家能夠方便快速的理解密碼技術。我們先對圖示進行約定。首先我們所有的圖示中，Alice 和Bob 是傳送者和接受者(通常都是Alice 是傳送者，Bob 是接受者，但偶爾會反過來，視箭頭方向而定)，而Cracker 是嘗試竊取Alice 和Bob 通訊內容的第三者。舉個例子，最理想的情況下，沒有人進行竊聽，那麼Alice 和Bob 是這樣進行對話的：

Alice ---(訊息A)----> Bob

就好像我們和朋友面對面說話，但是旁人都沒有聽。但實際生活中，我們的談話多多少少會被旁人聽到，因此，實際上應該是這樣的：

Alice ----(訊息A)---> Bob
\------> Cracker

除了竊聽之外，Cracker 可以做出更多破壞性的事情，例如篡改資訊，就像下面這樣：

Alice ---(訊息A)---> Cracker ---(訊息B)---> Bob

如果Alice 給Bob 傳送的訊息是 "我愛你"，但是不懷好意的Cracker 篡改成了 "我們分手吧！混蛋"，那麼對於Alice 和Bob 來說，這無疑都是最壞的訊息。這就是傳說中的中間人攻擊。還有其他的攻擊型別，例如破解密碼等等。而密碼技術的重要用途就是保證我們想要的資料完好無損或者不被第三人知曉。

然而在瞭解真正的密碼技術之前，首先我們要了解一些常見的概念。讓我們開始吧！

密碼、加密、解密、破譯

說起密碼，我想大家都不陌生，我們每天都要輸入各種各樣的密碼，密碼簡單來說，就是一堆只有你知道而別人不一定知道的序列，但是通常來說，密碼是明文的，例如最常見的弱密碼：1234567。

而加密則是把明文轉換成別人看不懂、無法破解的密文的過程，解密則是相反的過程。加密之前的訊息叫做明文，加密之後生成的訊息叫做密文。而對於解密來說，解密之前的訊息叫做密文，解密成功之後得到的訊息便是明文。而第三方通過某種方式，也將密文還原成了明文，這就叫破譯。

+----------++-----------+
||---加密--->||
|明文||密文|
||<--解密----||
+----------++-----------+
<-/
\--破譯---/

而對於加密來說，由於加密和解密所使用的金鑰是否相同，則分為了對稱加密和非對稱加密兩種。金鑰就是加密和解密時使用的密碼。

對稱加密，非對稱加密和混合加密

對稱加密是指在加密和解密時使用同一金鑰的加密方式。非對稱加密則是指在加密和解密時使用不同金鑰的方式。

而對於使用的金鑰，對稱加密所使用的金鑰叫做對稱密碼(symmetric cryptography)，非對稱加密所使用的金鑰叫做非對稱密碼(asymmetric cryptography)，也叫公鑰密碼(public-key cryptography)。

而混合加密就是把對稱加密和非對稱加密揉在一起，利用這兩種技術各自的優點，而避開缺點的一種技術，比如 HTTPS 就是構建在混合加密之上的。

對稱加密

我們知道，計算機裡所有的東西都是0和1來表示，而二進位制有一個運算特別 “神奇”，那就是異或運算(XOR)。異或運算有這樣一個特性，對於同一個數字A，使用另一個數字B進行兩次異或運算，最後的結果還是A。如果我們用^ 來表示異或運算，那麼就是：A ^ B ^ B = A 。

異或運算的規則(二進位制)：

0 ^ 0 = 0
1 ^ 0 = 1
0 ^ 1 = 1
1 ^ 1 = 0

簡單的來說就是相同的為0，不同的為1。

用Python來算一下就知道了：

$ python
>>> 1 ^ 2 ^ 2
1

分組密碼

DES

下面我們介紹一種年代比較久遠的對稱加密：DES。DES(Data Encryption Standard)是1977年美國聯邦資訊處理標準中採用的一種對稱密碼。它的工作方式是把明文分成64bit為一組，使用一個64bit長(實際有效長度為56bit)的加密金鑰分別進行加密。

一般來說，以分組為單位進行處理的密碼演算法稱為分組密碼。

DES中，加密的各個步驟稱為輪(round)，DES的整個加密過程中就是進行若干次輪的迴圈。DES是一種16輪迴圈的加密演算法。

如圖，每一輪中，將輸入的64bit切割成兩個32bit，分別叫做左側和右側，然後把右側的資料和子金鑰使用輪函式進行加密，然後和左側的32bit進行異或運算。由於這樣只加密了左側，沒有加密右側，因此進行下一輪的時候，將左右兩側對調，重複進行上次的操作。

注意，其中的子金鑰之所以叫做子金鑰，是因為每一輪中的子金鑰都是不同的，它只針對那一輪生效。

而解密的流程就是根據上述流程反著來。

AES

AES(Advanced Encryption Standard)是取代DES的新的加密標準，它的底層演算法是Rijndael演算法。AES也使用了輪，在每一輪中，AES進行了如下四個步驟：

SubBytes。AES的輸入分組為128bit，也就是16位元組。首先AES逐位元組的對16位元組進行SubBytes替換。也就是以每個位元組的值為索引，從一張擁有256個值的表裡查找出對應的字元進行替換。

ShiftRows。這一步是以4位元組為單位，算作一行，按照一定的規則向左平移，每一行評議的位元組數是不一樣的。

MixColumns。這一步是以4位元組為單位，對每一列進行位元運算，得到一個不同的4位元組的值。

AddRoundKey。最後這一步就是將前面得到的結果與金鑰進行異或運算。

而解密的時候也是根據上述流程反著來。

擴充套件閱讀：分組加密的分組模式

非對稱加密

對稱加密固然好，但是有一個很大的問題，那就是，怎麼解決密碼共享的問題呢？Cracker 可以不知道密文是什麼，但是隻要在金鑰共享的過程中獲取了金鑰，那麼密文自然就可以破譯出來。因此我們需要一種不需要共享金鑰就能進行加密的技術，它就是非對稱加密。

非對稱加密的原理是餘數，以時鐘為例，1點再轉1個小時，又會回到1點，即1 + 12 = 13, 13 mod 12 = 1 ，而時鐘反過來轉，往前減12個小時，也還是1，即1 - 12 = -11, -11 mod 12 = 1 。正是利用了餘數的這一特性，才能有公鑰加密。

下面我們來講講最常用的公鑰加密演算法：RSA。

在RSA中，密文、明文、金鑰都是數字。RSA的加密和解密流程是這樣的：

密文 = 明文 ** E mod N
明文 = 密文 ** D mod N

而我們常說的公鑰和私鑰，在上面的等式中就是，公鑰是E和N的組合，私鑰是D和N的組合。

不過至於RSA的數學證明，以我目前的水平尚且無法給大家一個簡單易懂的解釋，有興趣的同學可以自行參考:https://en.wikipedia.org/wiki/RSA_(cryptosystem)

混合密碼技術

既然RSA這麼好用，為什麼不直接在所有的場合都使用RSA呢？原因是RSA的加密和解密都要對一個非常大的質數進行計算，與對稱加密相比，效能實在是差太多。因此就有人把這兩種技術混合起來，使用非對稱加密來傳送密碼，之後使用所傳送的密碼進行對稱加密，HTTPs就是構建在這個基礎之上的。

小結

這篇文章裡，我們簡單的看了一下對稱加密和非對稱加密，瞭解了加密過程中涉及到的一些物件和名詞概念。在下一篇中，我們將會看到密碼技術在其他領域的應用，例如校驗檔案的唯一性，等等。