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CBK-D2-安全与架构工程

密码学和对称密钥算法

密码通信的基础知识

明文P-plaintext、加密encrypt、密文C-ciphertext、解密decrypt、密钥Key

多数情况下，密钥无非是一个极大的二进制数

每一种算法都有一个特定密钥控制key space,是一个特定的数值范围

密钥空间由位大小bit size决定，是密钥内二进制位0和1的数量

密码术

创建和执行秘密代码和密码的技艺

密码分析

如何打败代码和密码

密码数学

代价函数从耗费成本和或时间的角度衡量破解所需的代价

代码作用于单词和短语，而密码作用有字符、位和块

替换密码–频率分析

多表替换-周期分析的二阶式频率分析

单词密本–替换密码

如果使用得当是不可破解的

1.单次密本必须随机生成

2.单次密本必须处于物理保护之下，以防泄露

3.每个单次密本必须只使用一次

4.密钥必须至少与将被加密的消息一样长

大多数现代加密算法都执行某类块密码

私钥密码系统

密码可为已存储（静态）、通过网络传送（传输中/动态）和存在于内存（使用中/处理中）的敏感信息提供保密性、完整性、身份认证和不可否认性

密码学的基本目标

1.保密性

对称密码系统

使用一个共享秘密密钥

非对称密码系统

使用单独组合的公钥和私钥

2.完整性

确保数据没有在未经授权的情况下被更改

消息的完整性可使用数字签名，在消息传输时创建

完整性保障由公钥和私钥系统提供

3.身份认证

挑战-应答身份认证协议

4.不可否认性

由公钥或非对称密钥提供

现代密码学

通过复杂算法和长密码密钥来实现密码学的目标

对称加密算法

1.密钥分发是问题，通常带外交换

2.不提供不可否认性

3.算法缺乏可扩展性，无法用于多人之间

4.必须经常重新生成

5.运算速度快，比非对称算法快1000~10000倍，本身更适合硬件执行

非对称加密算法

公钥加密，私钥解密

私钥加签，公钥验签

运算速度缓慢，通常使用混合密码传输大量数据

提供保密性、完整性、身份验证、不可否认性

哈希算法

哈希函数无法推导消息本身

存在哈希碰撞

一个哈希函数为两个不同消息产生相同哈希值

几种常见的对称密码系统

GCM、CCM同时包含了保密性和数据真实性

经过验证的加密模式

ECB，CBC，CFB，OFB和CTR模式只提供了保密性

未经验证的模式

美国1977年发布数据加密标准DES

2001年12月被高级加密标准取代

64位块密码，5种运行模式-ECB，CBC，CFB，OFB，CTR

一次性在64位明文上进行计算生成64位密文

使用密钥长度56位，8位是奇偶校验位，但是实践中很少使用到

16轮加密

国际数据加密算法IDEA

良好隐私PGP安全邮件软件包

64位明文/密文块上执行128位密钥运算，被分解成52个16位子密钥

Blowfish

64位块上运行

允许密钥长度变化，从32位到448位

作者开放软件许可

已被许多商用软件产品和操作系统采用

Skipjack

美国政府托管加密密钥

64位块运行，80位密钥，支持4种运行模式

美国财政部和NIST

Rivest Ciphers

Ron Rivest创建的对称密码，称为RC家族，RC4,RC5,RC6

RC4 1987年开发，

只进行一轮加密，使用40-2048位长度可变密钥

被集成到WEP，WPA，SSL，TLS等，导致WEP，WPA，SSL目前不符合现代安全标准

TLS也不再允许把RC4用作流密码

RC5 与RC4完全无关，块大小可变，密钥0~2040位，被认为是RC2的改进版

RC6是RC5的下一版开发的块密码，128位块大小，128、192、256位对称密钥

高级加密标准AES

2001年11月 NIST发布AES/Rijndael

允许使用3中密钥强度：128,192,256位

只允许处理128位块，加密轮数取决于所选密钥长度

对称密钥管理

密钥管理实践规范

1.秘密密钥的创建

2.分发

3.存储

4.销毁

5.恢复

6.托管

创建和分发密钥

线下分发-受制于地理位置遥远

公钥加密

Diffie-Hellman 密钥交换算法

存储和销毁对称密钥

绝不将加密密钥与被加密数据保存在同一个系统

敏感密钥，考虑安排两个人各持一半片段

基于软件的密钥存储，引入软件机制造破坏的风险

基于硬件的密钥管理设备，复杂且成本高，能提供额外的保护

密钥托管和恢复

公平密码系统

####### 密钥被分成两个或多个片段，每个片段交给一个独立的第三方托管

####### 政府部门在得到合法授权后可以出示法庭命令证明，获取组合密钥

托管加密标准

####### 向政府或另一个授权代理提供了解密密文得技术手段–专门针对Clipper芯片提出的

####### N之取M的授权代理

托管密钥的合法用途

####### 密钥恢复代理RA recovery agent

####### 预防密钥丢失，相关人员离职等恢复密钥

密钥生命周期

除单次密本以外，所有密码系统的使用寿命都是有限的

安全专业人员在挑选加密算法时，必须重视密码生命周期

1.规定机构可接受的密码算法，如AES，RSA和3DES

2.根据被传输信息的敏感性，识别可与每种算法配套使用的可接受密钥长度

3.枚举可用的安全交易协议，如TLS

如果是为最近启动的业务系统选用安全密钥，没必要担心10年后的密钥安全性

如果是设计建造比原子弹还危害大的武器，有必要考虑10年后的保密性，比如考虑量子密码

PKI和密码应用

公钥密码系统-非对称密码

公钥和私钥

公钥可通过不受保护的通信自有共享

公钥系统使用的密钥必须比私钥系统更长，才能产生同等的强度

RSA

1977年发明，2000年公开

Merkle-Hellman算法，1984年被破解

密钥强度：对称128位=RSA3072位=椭圆曲线256位

ElGamal

对Diffie-Hellman的扩展，1985年

加密信息都被加长了一倍，不适合大量数据加密

椭圆曲线

ECC,1985年提出，密码强度强

Diffie-Hellman密钥交换

和RSA类似都是由素数数学原理支撑

是公钥密码的例子，

本身不是加密协议，而是密钥交换协议

依赖于大素数的使用

量子密码

当前仅限于理论研究，如果出现会导致量子霸权

带来更新、更复杂的密码算法

实验室已开发量子密钥分发QKD执行方案，尚未实用

量子计算可能已在密码分析攻击中秘密出现了

目前的密码算法的大量级加密可暂抵御量子霸权

哈希函数

消息摘要

是提取一条可能会比较长的消息，然后从消息内容中派生一个唯一的输出值

消息摘要为128位或更长

密码哈希函数的5个基本要求

输入可以任意长度

输入固定长度

哈希计算对任何输入都相对容易

哈希函数是单向的

哈希函数抗碰撞

几乎不可能找到可产生相同哈希值的两条消息

可以修改传输过程中的哈希值和消息，比较难实现

需要截取消息并修改消息

获取加密公钥或加签私钥，重新生成新消息，中间人攻击可以？

几种常见的哈希算法

安全哈希算法SHA

SHA2性能优于SHA3，也优于MD5

SHA2有4个变体-sha256,sha224, sha512,sha384

消息摘要5 MD5

如今不是那么安全，建议SHA2

RIPE消息摘要 RIPEMD

RIPE-160至今被认为是安全的，和RIPEMD-320一样

基于哈希的消息身份认证码HMAC

哈希值长度可变

可变长度哈希HAVAL

MD5修改版

使用1024位块，产生128,160,192,224,256位长度哈希值

数字签名

两个目的

1.可提供不可否认性保障

2.可抵御恶意篡改和无意改动，即完整性

是公钥加密法和哈希函数的组合作用

不仅可用于消息，还可用来鉴别从互联网下载的代码