信息安全的屬性

一

前言

在《林海雪原》里，楊子榮為了能夠假裝胡彪，打入虎穴，學(xué)習(xí)了些黑話(huà)，題記里楊子榮正跟土匪對(duì)著暗號(hào)，驗(yàn)明自己身份的合法性。這是在提到洋氣的A和B之前，能想到密碼學(xué)里身份校驗(yàn)的故事，當(dāng)然前提是山寨里的人都沒(méi)見(jiàn)過(guò)胡彪，只是有所耳聞，故事里土匪一直在想法設(shè)法試探楊子榮的身份，感興趣大家可以看看《智取威虎山》中的電影片段。 話(huà)說(shuō)回來(lái)，土匪和楊子榮的對(duì)話(huà)并不涉及加解密的過(guò)程，只是憑著行話(huà)，核驗(yàn)身份，與我們正常輸入登錄賬號(hào)密碼一樣，那最多稱(chēng)之為口令，那什么是密碼學(xué)呢？我們簡(jiǎn)單看下維基百科的定義。 Cryptography is about constructing and analyzing protocols that prevent third parties or the public from reading private messages. （密碼學(xué)是關(guān)于構(gòu)建和分析防止第三方或公眾讀取私人消息的方法體系）。

二

信息安全的屬性

在密碼學(xué)世界里有兩個(gè)虛擬的人物Alice和Bob以擬人化A和B，假如Alice和Bob是同班同學(xué)且互有好感，有一天Alice終于鼓起勇氣要以情書(shū)的形式向Bob表白，正常來(lái)講他會(huì)有些擔(dān)心，最理想的情況下，是情書(shū)安全的送到了Bob那里，萬(wàn)一情書(shū)被人發(fā)現(xiàn)，也沒(méi)有關(guān)系，只有Bob能看懂，同時(shí)要確保Bob收到情書(shū)之后，還得確定是Bob發(fā)來(lái)的，不然搞錯(cuò)了對(duì)象也會(huì)很尷尬。 Alice確實(shí)是個(gè)心思縝密的人，他的擔(dān)心涉及到了信息傳遞的幾個(gè)安全屬性。 機(jī)密性：自己的真實(shí)意圖只能讓Bob知道，不能讓公眾曉得，他可以把情書(shū)放到密碼箱里，把鑰匙給到Bob，或者也不怕別人看到，對(duì)于情書(shū)內(nèi)容進(jìn)行加密，也只有Bob知道密鑰。 完整性：情書(shū)中途被人掉包，或者內(nèi)容被篡改，明明是表白I love you 結(jié)果換成 I hate you那就壞了好事了。 真實(shí)性：Bob收到情書(shū)之后，得知道是Alice寫(xiě)的，當(dāng)然寫(xiě)匿名情書(shū)搞暗戀又另說(shuō)了。此時(shí)就需要Alice簽字，或者做個(gè)人的特殊標(biāo)記，比如加上自己的俄語(yǔ)一段話(huà)，因?yàn)榘嗌现挥蠥lice會(huì)俄語(yǔ)。 Alice的想法也是人之常情，不僅要有勇氣將重要的信息傳遞出去，同時(shí)也要有足夠的智慧保證信息的傳遞準(zhǔn)確到位。其實(shí)在密碼學(xué)在這里就可以派上用場(chǎng)了。

三

加密與解密

Alice可以將情書(shū)放到有密碼鎖的筆記本里，然后將本子和鑰匙一起送給Bob，這也是一種方式，鑰匙上鎖和解鎖的過(guò)程，暫且換上專(zhuān)業(yè)的說(shuō)法，加密和解密，同時(shí)發(fā)送者和接受者用的同一把鑰匙，也就是我們說(shuō)的對(duì)稱(chēng)加密，當(dāng)然密鑰只有Alice和Bob知道，同時(shí)消息和密鑰要同時(shí)發(fā)給對(duì)方。其邏輯如下：

在介紹加解密之前，簡(jiǎn)單普及下基礎(chǔ)的概念，在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)和依賴(lài)計(jì)算機(jī)的設(shè)備里都用到了二進(jìn)制，每個(gè)數(shù)字稱(chēng)為一個(gè)比特（bit），一個(gè)字節(jié)由8個(gè)比特構(gòu)成，儲(chǔ)存的數(shù)值范圍為0-255。 既然二進(jìn)制是計(jì)算機(jī)的語(yǔ)言，那么消息都必須得轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制才能進(jìn)行計(jì)算，很多問(wèn)題就變成了數(shù)學(xué)問(wèn)題，此時(shí)密碼學(xué)就成功成了數(shù)學(xué)家的天地，這也是我們普通大眾對(duì)密碼學(xué)望而卻步的原因。（順便提一句，目前國(guó)內(nèi)在密碼學(xué)造詣最深的是山東大學(xué)數(shù)學(xué)系出身的王小云院士。） 再回到Alice和Bob的小秘密，經(jīng)過(guò)仔細(xì)考慮，情書(shū)的關(guān)鍵信息如下： I LOVE YOU 現(xiàn)在為了確保消息只有Bob看得懂，而別人看不懂，暫且假設(shè)只有Alice和Bob知道密鑰，此時(shí)正常來(lái)說(shuō)他三種操作方式. 首先是字母替換，每個(gè)字母按照制定規(guī)則逐一替換，此時(shí)Bob收到加密消息的同時(shí)，還會(huì)收到的字符關(guān)系表，逐個(gè)解密得出明文消息。正經(jīng)的說(shuō)，也就是利用預(yù)先設(shè)計(jì)的固定代替規(guī)則，對(duì)明文逐個(gè)進(jìn)行替換，這個(gè)代替規(guī)則又稱(chēng)為代替函數(shù)，代替表或者代替函數(shù)，所以相同的明文字符組一定會(huì)產(chǎn)生相同的密文字符，此時(shí)可以采用頻率分析基本可以得到找到對(duì)應(yīng)關(guān)系。 然后是行移位，I LOVE YOU 按照26個(gè)字母順序依次向后移一位，那么變化如下： I LOVE YOU-> J MPWF ZPV 如此解密時(shí)，J MPWF ZPV 各字母向前移動(dòng)一位就解決問(wèn)題，得到答案里。 最后就是加減密碼，將明文逐個(gè)字符或逐字符組與亂數(shù)相加或相減的密碼，在這里就不贅述了。

四

對(duì)稱(chēng)密鑰

Alice和Bob的小秘密大部分情況下要通過(guò)密碼技術(shù)來(lái)保證，順著Alice面對(duì)安全威脅的擔(dān)憂(yōu)，接下來(lái)我們還是有必要整體介紹，密碼學(xué)的常用要點(diǎn)。

在之前，其實(shí)我們簡(jiǎn)要介紹過(guò)了對(duì)稱(chēng)密鑰，也就是加密和解密用的是同一套密鑰。關(guān)于具體的對(duì)稱(chēng)密鑰算法，還是有必要介紹AES, 一般會(huì)將明文分成128bit的明文塊，密鑰長(zhǎng)度有128，192，256bit三種選擇，對(duì)于128而言，加密輪數(shù)為10輪。分別用到了XOR運(yùn)算，字母替換，行移位，列混淆一套組合拳，然后經(jīng)過(guò)10輪加密計(jì)算得到密文。

聽(tīng)起來(lái)挺復(fù)雜的，其實(shí)邏輯很簡(jiǎn)單，通過(guò)一堆騷操作之后，讓你看不懂密文，除非拿到密鑰解密得到消息。但對(duì)于Alice想跟Bob表白這件事情來(lái)說(shuō)，也最好不要這樣，除非你確定Bob對(duì)密碼學(xué)很感興趣。即使Bob拿到了密鑰，你手把手教他解密，把最后的I LOVE YOU的信息給解出來(lái)也不是件容易的事。

五

非對(duì)稱(chēng)密鑰

對(duì)稱(chēng)密鑰有個(gè)問(wèn)題，情書(shū)發(fā)送的時(shí)候，要順帶把鑰匙也給對(duì)方，不然對(duì)方是解不開(kāi)的，此時(shí)不僅要保護(hù)情書(shū)不落入情敵手中，同時(shí)也要確保密鑰的安全。也就是說(shuō)對(duì)稱(chēng)密鑰存在密鑰配送的問(wèn)題。 1976年，美國(guó)學(xué)者Dime和Henman為解決信息公開(kāi)傳送和密鑰管理問(wèn)題，提出一種新的密鑰交換協(xié)議，允許在不安全的媒體上的通訊雙方交換信息，安全地達(dá)成一致的密鑰，這就是“公開(kāi)密鑰系統(tǒng)”。 也就是我們經(jīng)常提到的非對(duì)稱(chēng)加密，咋個(gè)理解法？在《圖解密碼技術(shù)》里面提了個(gè)非常有意思的說(shuō)法解釋公鑰和私鑰的關(guān)系。 假如Alice到超市購(gòu)物要存包，先投一枚硬幣，此后空箱子彈開(kāi)，你放上你的私人物品后，合上寄存柜的門(mén)，然后自動(dòng)彈出一個(gè)小紙條，那個(gè)小紙條你得拿好，上面的條形碼是唯一的，到時(shí)拿著紙條對(duì)著掃碼機(jī)掃一下，解鎖后寄存柜打開(kāi)，然后完成這個(gè)過(guò)程。

這樣一套自動(dòng)化系統(tǒng)成功的解決存包管理的問(wèn)題，同時(shí)將寄存柜變成了公共設(shè)施，同時(shí)還能收一筆使用費(fèi)用。其中硬幣相當(dāng)于公鑰，誰(shuí)都可以有，你有了一塊錢(qián)就可以鎖上柜子，然后你的柜子只有你自己的紙條能打開(kāi)，相當(dāng)于私鑰。 也就是說(shuō)公鑰加密，私鑰解密。非對(duì)稱(chēng)加密盡管增加了一套密鑰分發(fā)系統(tǒng)，但是相對(duì)于對(duì)稱(chēng)加密每次都要隨帶密鑰，不僅提高了安全性，還省了內(nèi)存。 關(guān)于非對(duì)稱(chēng)密碼的算法實(shí)現(xiàn)，不得不提到RSA，其邏輯如下：

密文=明文^E mod N, 密文等于明文的E次方，然后除以N的余數(shù)。 E和N構(gòu)成公鑰，D和N構(gòu)成私鑰，中間的數(shù)學(xué)算法在此就不細(xì)展開(kāi)了，如果大家感興趣查閱相關(guān)的資料。 不管是對(duì)稱(chēng)加密，還是非對(duì)稱(chēng)加密，解決的核心問(wèn)題還是機(jī)密性，不希望別人看到個(gè)人的隱私信息，密鑰本身也同等重要，比如利用隨機(jī)數(shù)加密數(shù)據(jù)，也就是一次性密碼，只是長(zhǎng)度與明文一樣長(zhǎng)，保護(hù)明文與密鑰成本相同，那就脫離加密本身的初衷，但那也是唯一無(wú)法破解的密碼，不過(guò)沒(méi)有實(shí)用的價(jià)值，此時(shí)說(shuō)世界上沒(méi)有絕對(duì)的安全，一點(diǎn)也不為過(guò)。

六

單向散列函數(shù)

如果加密和解密的渠道都是正常進(jìn)行的，萬(wàn)一有人篡改了消息的內(nèi)容，又該如何保證呢? 每次發(fā)來(lái)的文件消息數(shù)據(jù)量巨大，不可能挨個(gè)原文比對(duì)驗(yàn)證完整性，那工作量太大了。此時(shí)單向散列函數(shù)就出現(xiàn)了。 單向散列函數(shù)，首先是單向不可逆的，你無(wú)法通過(guò)散列值計(jì)算出明文，另外是壓縮數(shù)據(jù)，不管多大的數(shù)據(jù)，都可以計(jì)算出固定長(zhǎng)度的散列值。最后就是消息不同，散列值也不同，消息稍微有點(diǎn)變化，散列值本身就會(huì)有很大的變化。 如果說(shuō)消息傳遞時(shí)空間的有效性，你可以通過(guò)安全傳輸協(xié)議來(lái)保證其安全，如果消息時(shí)間的有效性，你可以通過(guò)前后對(duì)比計(jì)算散列值得到結(jié)果，針對(duì)昨天和今天的校驗(yàn)值，你如何校驗(yàn)?zāi)兀看藭r(shí)計(jì)算消息的散列值，然后對(duì)比，這問(wèn)題就可以解決了，其邏輯步驟如下：

七

消息認(rèn)證碼

Bob怎么確定發(fā)送者是Alice呢？這就要驗(yàn)證消息的合法性，剛才只是按照消息原文計(jì)算了散列值，比對(duì)內(nèi)容是否有篡改，主要應(yīng)用的是昨天跟今天消息的對(duì)比，不涉及到消息傳輸。今天Bob收到情書(shū)了，想確定是Alice發(fā)來(lái)的，此時(shí)就要考慮密鑰問(wèn)題了。 其實(shí)消息認(rèn)證碼就是一種與密鑰相關(guān)聯(lián)的單向散列函數(shù)，有了共享密鑰的參與就可以驗(yàn)證消息來(lái)源的合法性了，共享密鑰只有發(fā)送者和接收者知道，Alice和Bob的小秘密才足以捍衛(wèi)。其工作流程如下：

八

數(shù)字簽名

通過(guò)消息認(rèn)證碼可以識(shí)別消息是否被篡改或者發(fā)送者身份是否被偽裝，也就可以校驗(yàn)消息的完整性，還可以對(duì)消息進(jìn)行認(rèn)證。如果Alice向Bob借了1000塊錢(qián)，借錢(qián)過(guò)程都是合理合法，萬(wàn)一有天Alice否認(rèn)沒(méi)有找Bob借過(guò)錢(qián)呢？ 對(duì)稱(chēng)加密里面，密鑰是雙方都知曉，非對(duì)稱(chēng)里面公鑰是公開(kāi)大家都知道的，私鑰只有Bob知道，真正屬于Alice的個(gè)人信息并沒(méi)有，也就是內(nèi)容沒(méi)毛病，就是沒(méi)有簽字畫(huà)押，對(duì)了抗抵賴(lài)性，此時(shí)數(shù)字簽名就派上了用場(chǎng)。 在非對(duì)稱(chēng)密鑰里面，公鑰加密，私鑰解密。 在數(shù)字簽名里面，私鑰簽名，公鑰驗(yàn)簽，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)容易弄混，但是從邏輯上可以這么理解，簽名是具有個(gè)人屬性獨(dú)一無(wú)二的，當(dāng)然得用Alice得私鑰簽名，而驗(yàn)簽則是任何需要驗(yàn)簽得人都可以持有。 驗(yàn)證簽名就是檢查該消息的簽名是否真的屬于Alice，驗(yàn)證的結(jié)果可以是成功或者失敗，成功則以為著這個(gè)簽名是屬于Alice的，失敗則意味著這個(gè)簽名不是屬于Alice的。

九

總結(jié)

密碼學(xué)真是為了保護(hù)Alice 和Bob的小秘密操碎心，對(duì)稱(chēng)密鑰只有一個(gè)密鑰，加解密便捷快速，但密鑰同消息一起傳輸又不太安全，非對(duì)稱(chēng)密鑰解決了密鑰管理的問(wèn)題，可又擔(dān)心別人篡改了Alice情書(shū)的內(nèi)容，費(fèi)盡心思設(shè)計(jì)單向散列函數(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)比對(duì)的輕量化，Bob擔(dān)心Alice借錢(qián)不承認(rèn)，特意設(shè)置了數(shù)字簽名，真的是太難了。 安全的本質(zhì)就是信任，當(dāng)你不信任對(duì)方時(shí)，會(huì)千方百計(jì)的校驗(yàn)對(duì)方的身份，設(shè)置各種密碼措施，如果不表白似乎就沒(méi)這么多事了，但為了人類(lèi)的繁衍的，科技的進(jìn)步，你總歸是要走下去的。

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