加密

本文内容：

• 密码学起源
• 古典密码学
• 现代密码学
• 对称加密
• 非对称加密
• 数字签名
• 哈希

密码学起源：

在战争中需要传递信息，所以有了密码学。

隐写术：

在奴隶的头皮上刻字，用头发遮挡；在身上隐私部位刻字。

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武侠小说中武功秘籍是空白的，沾水显出字。

古典密码学：

移位式加密：密码棒。

加密算法：缠绕木棒后书写。

密钥：木棒的尺寸规格。

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替换式加密：

字母表、码表。

加密：使用码表替换字母表中对应字母。

解密：使用字母表中的字母替换码表中对应字母。

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现代密码学：

随着计算机的发展，数学算法多次计算。不止可以用于文字内容，还可以用于各种二进制数据。按照加解密使用的密钥是否相同，可分为对称加密和非对称加密。

对称加密：

使用密钥和加密算法对数据进行转换，得到的无意义数据即为密文，使用同一密钥和解密算法进行逆向转换，得到原数据。

加密算法.002

加密算法：DES、AES。

DES 密钥位数只有 64 位，已经被弃用。主流 AES 128 位。

举个抽象的栗子：

// 原数据是111
// 加密算法是各项加法
// 解密算法是各项减法
// 密钥是4
111 加密： 1+4，1+4，1+4 = 555
对密文555 解密：5-4，5-4，5-4=111

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非对称加密：

使用公钥对数据加密得到密文，使用私钥对数据解密得到原数据。

加密算法：RSA、DSA、椭圆曲线等

下图中的加密密钥就是公钥，发送给客户端，让客户端加密数据，解密密钥就是私钥，自己持有，用来解密客户端加密过的数据。

解密算法.002

// 原数据是111
// 加密算法是各项加法
// 加密密钥是4
// 解密密钥是6，去除十进制进位后的十位。
111 加密： 1+4，1+4，1+4 = 555
对密文555 解密：5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，结果是111

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对称加密的优缺点：

算法简单，速度快，适合加密大数据。

缺点：在不安全的网络中，密钥传输过程容易被截获。

举个栗子：

网络通信是不安全的，小明对小红发消息，使用对称加密，小明把密钥发给小红的过程中，被法外狂徒张三拦截到了公钥，小明对小红说我家密码是 123456，加密后的密文是aoeqpe，张三拦截后使用公钥解密，知道了小明家的密码，小明没有等到小红，等到了张三。。。

对称拦截.009

上面可能有疑问，张三也不知道算法，怎么能破解，其实算法最简单最暴力的破解方法就是穷举法，一个一个试，在计算机发达的时代，简单算法容易被破解。

非对称加密的优缺点：

缺点：速度较慢

优点：安全

未命名2

上图中，张三拦截到了小明发给小红的公钥，小明给小红发信息我爱你加密后是asbd，张三拦截到，并没有解密密钥，所以不能破解。

上面的例子是单向通信的，要实现双向通信，小明也需要一对密钥，私钥自己保存，公钥发布给小红。这样小红使用小明的公钥也能安全的给小明发信息了。

未命名2.001

非对称一定安全吗？

image-20210728155534478 上图中，张三拦截到小明的消息并不能解密，但是他用公钥加密了分手吧发给小红，小红收到后伤心欲绝跳楼了。这就是伪造攻击。

数字签名：

为了防止伪造，就需要在数据上附带数字签名，保证数据来源的合法性。

公钥能不能解密私钥加密的数据？

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还记得上面非对称加密的例子吗：

// 原数据是111
// 加密算法是各项加法
// 公钥是4
// 私钥是6，去除十进制进位后的十位。
原数据111 公钥加密： 1+4，1+4，1+4 = 555
密文555 私钥解密：5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，结果是111

现在我们使用数字签名的方法重写上面的例子，把加密后的密文当做原数据：

// 原数据是111
// 加密算法是各项加法
// 公钥是4
// 私钥是6，去除十进制进位后的十位。
原数据111 公钥加密： 1+4，1+4，1+4 = 555
密文555 私钥解密：5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，结果是111

// 数字签名

// 原数据是555
// 加密算法是各项加法
// 公钥是4
// 私钥是6，去除十进制进位后的十位。
原数据555 私钥加密： 5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，5+6=11抹去溢出的十位1=1，结果是111
对密文111 公钥解密：1+4，1+4，1+4 = 555

公钥可以解密私钥加密的数据。

通常我们使用公钥加密，用私钥解密。而在数字签名中，我们使用私钥加密（相当于生成签名），公钥解密（相当于验证签名）。

我们可以直接对消息进行签名（即使用私钥加密，此时加密的目的是为了签名，而不是保密），验证者用公钥正确解密消息，如果和原消息一致，则验证签名成功，证明是对方发来的消息。但通常我们会对消息的散列值签名，因为通常散列值的长度远小于消息原文，使得签名（非对称加密）的效率大大提高。注意，计算消息的散列值不是数字签名的必要步骤。

在实际使用中，我们既想加密消息，又想签名，所以要对加密和签名组合使用，比如TLS就组合了加密和签名。

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数字签名的使用：

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上图的用法是有漏洞的，如果另一个人拦截了发送方的公钥，就能通过数字签名解密出原数据，数据就被窃听了，并且因为通信中含有2份数据，数据包增大。所以在实际操作中会使用 hash 算法，对原数据摘要进行签名，接收方对解密的数据也进行 hash，把摘要信息和解密的签名数据对比，确定是对方发送的原数据。

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现在，通过 hash，数据量很小，并且可以验证数据来源，但是还有一种攻击，就是重放攻击，需要进一步设计才能抵挡。

举个栗子：

小明给银行发送存一千块钱的请求。张三拦截到原数据，张三并不能解开，但是可以一直给银行发。本来小明存一千块，结果银行收到10次，小明存了一万块。这就是重放攻击。为了防止这种攻击，我们要在数据里利用时间戳、唯一序号等计算出一个请求签名。这样就避免重复消息。