alin的学习之路：加密相关知识（加密和解密，常见加密算法，消息验证码HMAC，数字签名）

1. 加密和解密

1.1 加密的三要素

  • 原始数据

    • 加密操作： 明文 -> 密文
    • 解密操作： 密文 -> 明文

  • 算法

    • 加密算法
    • 解密算法

  • 密钥

    • 本质上就是一个定长的字符串
    • 不同的加密算法，对应的密钥长度也不同
    • 作用：参与到加密解密的过程中，使最终得到的密文更加安全，不容易被破解
      • 解密的时候需要有密钥的参与，才能还原原始数据
      • 密钥一般是不能告诉别人的，要保管好。（公钥除外）

1.2 常见的加密方式

  • 对称加密：

    • 对称加密使用一个密钥，加解密同时使用，所以这个密钥需要自己保管好，如果他人得知该密钥则无法保证数据的安全
    • 加密速度快，加密效率高（相对于非对称加密）
      • 主要原因：对称加密的密钥长度相对于非对称加密的密钥长度较短，密钥越短加密时间越短
      • 加密大文件大数据适用
    • 加密等级相对较低
      • 主要原因：对称加密的密钥长度相对于非对称加密的密钥长度较短，密钥越短加密强度越低
    • 密钥分发困难 – 不能直接传输（如果不加密直接传输会被他人窃取密钥）
      • 对称加密是在通信的两端同时需要持有该密钥
      • 密钥需要在一端生成，发送给另一端
  • 非对称加密：
    • 在加解密的时候，使用的是不同的密钥：一个是公钥，一个是私钥

      • 密钥的使用：

        • 公钥加密，私钥解密
        • 私钥解密，公钥加密
      • 密钥的特点：
        • 公钥：公共的密钥，可以发给任何人
        • 私钥：只有生成密钥的一端可以持有，其他人不能知晓，所以需要保管好私钥
    • 加密速度慢，加密效率低（相对于对称加密）
      • 适合加密少量的数据
    • 加密等级较高（相对于对称加密）
    • 非对称加密的密钥分发指的是公钥的分发，私钥需要保存好

2. 常见的加密算法

2.1 对称加密

  • DES/3DES

    • DES : 已经不安全了

      • 密钥长度：8字节
    • 3DES ：3重DES，这种密钥安全性可以保证，但是效率偏低。
      • 密钥长度：24字节，在算法内部该密钥被均分为3份，每一个密钥都是8个字节，也就相当于是3个DES算法

        • 注意密钥的设计：24个字节中分为三个密钥，要求三个密钥不能相同，如果相同的话3DES就和DES相同，不安全。
      • 加密过程：
        • 第一次：加密，使用密钥A
        • 第二次：解密，使用密钥B （这一步解密其实是变相的一个加密）
        • 第三次：加密，使用密钥C
      • 解密过程：
        • 第一次：解密，使用密钥C
        • 第二次：加密，使用密钥B （这一步加密其实是变相的一个解密）
        • 第三次：解密，使用密钥A

  • AES

    • 加密强度大，加密效率高
    • 密钥长度：16字节，24字节，32字节
      • 密钥越长，加密强度越大，使用时间越长
  • Blowfish
  • RC2/RC4/RC5
  • IDEA
  • SKIPJACK

2.2 非对称加密

加密算法

  • RSA(数字签名和密钥交换)

    • 这种算法也是使用最广泛的一种非对称加密算法
  • ECC（椭圆曲线加密算法 - 数字签名）
  • Diffie-Hellman(DH, 密钥交换)
  • El Gamal(数字签名)
  • DSA（数字签名）

密钥分发过程

密钥交换又称为密钥分发，本质就是对数据进行加密，保证数据的私密性。

  • 因为加密的是秘钥(对称加密的秘钥) , 因此也称之为秘钥交换, 或者秘钥分发

非对称加密有一个密钥对, 哪个秘钥都是可以加密的, 为了保证数据的私密性应该使用哪个秘钥加密呢?

  • 必须使用公钥加密, 使用私钥解密

主要应用场景：对称加密的密钥的分发

  • 分发流程：
  • 场景：通信的两端 a 给 b 分发密钥
  1. 在a端生成非对称加密的密钥对：公钥和私钥，将公钥通过网络发送给b，私钥自己保管好。
  2. 在b端生成对称加密所使用的密钥（定长字符串），将该密钥通过公钥进行加密，生成密文
  3. 将该密文通过网络发送给a端，a端接收密文
  4. a端使用私钥对该密文进行解密，得到对称加密的密钥
  5. 此时a，b两端可以通过该对称加密的密钥进行数据的通信

如果ab两端互换，则流程中ab互换

2.3 哈希算法（单向散列函数）

哈希函数接收数据输入（任意大小的数据块）， 对数据进行处理， 得到定长的二进制字符串输出。

（哈希函数接收的数据实际上是有上限的，因为上限非常大而认为没有上限。）

哈希函数处理数据得到的结果：

  • 指纹
  • 摘要
  • 哈希值
  • 散列值
  • 哈希算法的特点：

  1. 计算结果是不可逆的，也就是单向的解释。不能通过生成的哈希值推导原始数据。

  2. 不管原始数据有多大，得到的哈希值是定长的。

  3. 如果原始数据不同，那么得到的哈希值就是不同的，如果两个原始数据只有一个标志位的不同，那么得到的哈希值会是截然不同的。

    （哈希值类似，不代表原始值类似）

  4. 有很强的抗碰撞性

    碰撞性：不同的原始数据通过哈希函数得到了相同的哈希值。

  5. 哈希算法的效率高

  • 哈希的使用：

  1. 网盘的秒传功能

    当向文件服务器进行传输数据时，先将原始数据通过哈希函数转换成为哈希值，用这个哈希值去与网盘数据库中的数据进行比较，如果发现有相同的值，那么就不需要再向服务器发送，达到秒传的效果。

  2. 去网站下载软件，网站通常会提供一个哈希值

    当软件下载完毕时，将下载完毕的数据通过哈希函数生成一个哈希值，将这个哈希值与网站提供的哈希值进行对比，可以判断下载的数据是否被篡改了。

  3. linux登陆

    管理员有最高权限, 可以查看任何文件中的信息, 管理员可以查看其它用户的用户名和密码信息。实际上密码是加密过的, 管理员是看不到原始数据的, 通过哈希加密的。用户设置好密码, 将密码的哈希存储到密码文件中, 登录的时候将用户的输入的密码进行哈希计算
    如果计算的哈希文件中存储的密码的哈希, 密码正确, 运行登录, 否则不允许登陆。

  4. 图片的快速识别(只能识别是哪张图片, 不能识别图像里有什么)

    有100张固定的图片, 选择其中一张, 快速识别出这是哪一张
    计算图片的哈希值, 使用 map<hash, 描述>

  • 常见的哈希算法

    • md4/md5

      • 早期的哈希算法，强抗碰撞性已经被破解
      • 哈希值长度：16字节
    • sha1
      • 强抗碰撞性已经被破解
      • 哈希值长度：20字节
    • sha2（这是一个系列）
      • sha224 （224指的是哈希值224位）

        • 哈希值长度：28字节
      • sha256
        • 哈希值长度：32字节
      • sha384
        • 哈希值长度：48字节
      • sha512
        • 哈希值长度：64字节
    • sha3（这是一个系列）
      • sha3-224

        • 哈希值长度：28字节
      • sha3-256
        • 哈希值长度：32字节
      • sha3-384
        • 哈希值长度：48字节
      • sha3-512
        • 哈希值长度：64字节

  • 不同的哈希函对应的哈希值的长度:

    哈希算法 哈希值长度 (bit) 哈希值长度(byte)
    md4 / md5 128bit 16字节(byte)
    sha1 160bit 20字节(byte)
    sha224 224bit 28字节
    sha256 256bit 32字节
    sha384 384bit 48字节
    sha512 512bit 64字节

3. 消息验证码 HMAC （用作数据校验）

消息认证码的作用: 对数据进行校验, 检测数据有没有被篡改, 这是对哈希的典型应用

  • 校验数据使用的哈希的特性, 每个数据都有自己唯一的哈希值, 数据篡改, 哈希值就会随之变化

但是如果直接使用哈希值来判断的话，会有一些问题：

  • 如果数据的篡改仅仅篡改了数据内容，那么是可以使用哈希值来进行验证数据是否被篡改
  • 如果数据的篡改同时改变了数据内容和发送的哈希值，那么便无法正确验证

所以需要使用消息验证码 HMAC。

消息验证码：将发送数据的哈希值通过共享密钥进行加密，传输的是加密过的哈希值，因为只有对端持有共享密钥的情况下才可以进行解密，所以无法生成假的哈希值。

  • 原始数据 + 哈希值 + 密钥 = 消息验证码（加密的哈希值）
  • 消息验证码的特点

    • 用于校验数据有没有被篡改
    • 不能加密原始数据，仅加密哈希值
    • 通信两端必须持有相同的共享密钥
      • 这个共享密钥不能直接分发，也要通过非对称加密的方式进行分发
    • 通过消息认证码不能验证数据的所有者是谁（要确定数据所有者是谁，需要使用数字签名）

4. 数字签名（用作数据校验）

首先需要使用有签名功能的非对称加密算法:

  • 数字签名并不是为了加密, 为了进行数据校验

  • 数字签名的核心思想：

    • 使用私钥进行加密，得到的密文就是数字签名

      • 为什么要使用私钥进行签名？ 私钥是谁的，就表名是谁签的名，可以验证数据的所有者。
      • 私钥只有一个人有, 而且是唯一的, 因此私钥加密的数据不能被伪造
      • 私钥加密数据并不是为了保证数据的私密性, 而是防止数据被伪造
    • 加密的对象：数据的哈希值，对哈希值进行加密可以提高效率
    • 校验的过程: 使用公钥解密, 然后做对比

      • 使用公钥对签名数据解密, 将解密数据和收到的原始数据进行比较

        • 相同: 校验成功
        • 不同: 校验失败

数字签名和签名校验的过程:

场景描述: 通信的两端: A, B, A给B发送数据, B端接收数据并对A发送的数据进行校验

数字签名的过程：

  1. 根据场景的描述, 需要A对数据进行签名, 签名的时候需要使用私钥
  2. A端产生非对称加密的密钥对：公钥和私钥，将公钥发给B
  3. A端将数据同过哈希函数产生哈希值 hashA
  4. 将 hashA 使用私钥进行加密，得到密文，这个密文就是数字签名
  5. A发送数据：原始数据+数字签名，B接受这些数据

签名校验的过程：

  1. B将接受的数据通过哈希函数产生哈希值 hashB
  2. 将收到的数字签名使用公钥进行解密，得到 hashA
  3. 将hashA与hashB进行判断
    • 如果相等：验证成功，数据没有被篡改
    • 如果不等：验证失败，数据被篡改了

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