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  • 1.对称与非对称密钥加密比较 非对称密钥加密(用接收方的公钥进行加密)解决了密钥协定与密钥交换问题,但并没有解决实际安全结构中的所有问题。具体地说,对称与非对称密钥加密还有其他一些差别,各有所长。下表...
    1.对称与非对称密钥加密比较

    非对称密钥加密(用接收方的公钥进行加密)解决了密钥协定与密钥交换问题,但并没有解决实际安全结构中的所有问题。具体地说,对称与非对称密钥加密还有其他一些差别,各有所长。下表总结一下这些技术的实际用法:

    特征 对称密钥加密 非对称密钥加密
    加密/解密使用的密钥 加密/解密使用的密钥相同 加密/解密使用的密钥不相同
    加密/解密速度 很快
    得到的密文长度 通常等于或者小于明文长度 大于明文长度
    密钥协定与密钥交换 大问题 没问题
    所需密钥数与消息交换参与者个数的关系 大约为参与者个数的平方,因此伸缩性不好 等于参与者个数,因此伸缩性好
    用法 主要用于加密/解密(保密性),不能用于数字签名(完整性与不可抵赖检查) 可以用于加密/解密(保密性)和用于数字签名(完整性与不可抵赖检查)

    上表显示了对称与非对称密钥加密各有所长,也都有需要改进的问题。非对称密钥加密解决了伸缩性和密钥协定与密钥交换问题,但速度慢,而且产生比对称密钥加密更大的密文块,因此使用的密钥比对称密钥加密大,算法更复杂。

    2.两种加密机制的组合

    组合这两种加密机制,要达到下列目标:
    (1)解决方案完全安全。
    (2)加密/解密速度要快。
    (3)生成的密文长度要小。
    (4)伸缩性要好,不能引入更多的复杂性。
    (5)要解决密钥发布问题。
    在实际中,对称与非对称密钥加密结合起来,提供了相当高效的安全方案,工作如下,这里假设A是发送方,B是接收方。
    (1)A的计算机利用DES、IDEA与RC5之类的对称密钥加密算法加密明文消息(PT),产生密文消息(CT),如下图所示:
    在这里插入图片描述
    这个操作使用的密钥(K1)称为一次性对称密钥,用完即丢弃。
    (2)用对称密钥加密明文(PT)。现在要把一次性对称密钥(K1)发送给服务器,使服务器能够解密密文(CT),恢复明文消息(PT)。这又到密钥交换问题了,这里要用一个新的概念,A要去第一步的一次性对称密钥(K1),用B的公钥(K2)加密K1。这个过程称为对称密钥的密钥包装,如下图所示:
    在这里插入图片描述
    我们可以看到对称密钥K1放在逻辑箱中,用B的公钥(K2)封起来。
    (3)现在,A要密文CT和已加密的对称密钥一起放在数字信封(digital envelope)中,如下图所示:
    在这里插入图片描述
    (4)这时A将数字信封(包含密文T)和用B的公钥包装的对称密钥(K1)用基础传输机制(网络)发送给B,如下图所示:
    在这里插入图片描述
    这里没有显示数字信封的概念,假设数字信封包含两个项目。
    (5)B接收并打开数字信封,B打开信封后,收到密文CT和用B的公钥包装的对称密钥(K1),如下图所示:
    在这里插入图片描述
    (6)B可以用A所用的非对称密钥算法和自己的私钥(K3)解密逻辑盒,其中包含B的公钥包装的对称密钥(K1),如下图所示:
    在这里插入图片描述
    这样,这个过程的输出是一次性对称密钥K1。
    (7)最后,B用A所用的对称密钥算法对称密钥K1解密密文(CT),这个过程得到明文PT,如下图所示:
    在这里插入图片描述

    这个基于数字信封的过程之所以有效,原因如下:
    (a)首先,用对称密钥加密算法和一次性会话密钥(K1)加密明文(PT)。对称密钥加密算法速度快,得到的密文(CT)通常比原先的明文(PT)小。如果这时使用非对称密钥加密算法,则速度很慢,对大块明文更是如此。另外,输出密文(CT)也会比原先的明文(PT)大。
    (b)用B的公钥包装的对称密钥(K1),由于K1长度小(通常是56或者64位),因此这个非对称密钥加密过程不会用太长时间,得到的加密密钥不会占用太大空间。
    (c)这个机制解决了密钥交换问题,同时不失对称密钥加密算法和非对称密钥加密算法的长处。
    但是还有问题没有解决。B怎么知道A用了哪种对称或非对称密钥加密算法?B要知道这个信息之后才能用相同算法进行相应解密。实际上,A发送给B的数字信封包含这个信息。
    在实际中对称与非对称密钥加密算法就是这样结合使用的。数字信封是相当有效的技术,可以从发送方向接收方传输消息,达到保密性。

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  • “区块链”的特征是:透明性、去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改、匿名性。其中“信息不可篡改”和“匿名性”是如何实现的呢?这里我们就不得不了解一下哈希值了。哈希值是一串固定长度的二进制数值,它是哈希...

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    “区块链”的特征是:透明性、去中心化、开放性、自治性、信息不可篡改、匿名性。其中“信息不可篡改”和“匿名性”是如何实现的呢?

    这里我们就不得不了解一下哈希值了。

    哈希值是一串固定长度的二进制数值,它是哈希算法(Hash算法)计算的出来的。哈希算法可以将任意长度的二进制值映射为较短的固定长度的二进制值,这个小的二进制值称为哈希值。哈希值是一段数据唯一且极其紧凑的数值表示形式。如果进行哈希运算的数据哪怕只更改该段落的一个字母,随后的哈希都将产生不同的值。要找到哈希值为同一个值的两个不同的输入,在计算上是不可能的,所以数据的哈希值可以检验数据的完整性;一般用于快速查找和加密算法。

    简单的说,哈希值就是通过哈希算法将一段数据进行计算,得出的一个数值。这个数值它有两个特性:单向性和唯一性

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    单向性

    哈希值是无法通过反向运算得出原始数据的。比如一段数字“1234”可以通过哈希算法得出哈希值A,但是通过哈希值A是永远也没有办法解密出原始数字“1234”的。

    唯一性

    只有完全相同的数据进行哈希计算得到的哈希值才是相同的,也就是说哈希值和原始数据是唯一对应的,不存在两个不一样的数据得出相同哈希值这种情况。

    哈希加密的强大之处在于,我不管你的内容是什么, 只要内容一致得出哈希值就是一致的。这样就可以简单粗暴的对比两条信息是否一致,而不需要去关心数据的细节是什么

    正是因为哈希值的这种属性,才使得哈希算法在区块链网络中起到举足轻重的作用,用来验证区块节点之间的数据,保证数据的完整性和正确性,防止信息篡改。

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    然而仅仅是验证区块节点之间的数据是不够的,我们还要保护数据的安全,这里我们就要了解:非对称加密。

    非对称加密算法是一种密钥的保密方法。 非对称加密算法需要两个密钥:公钥(公开密钥)和私钥(私有密钥)。 公钥和私钥是一对,如果用公钥对数据进行加密,只有用对应的私钥才能解密;如果用私钥对数据进行加密,那么只有用对应的公钥才能解密。

    如果对加密算法和对公钥和密钥还感觉毫无概念,可以就把它们理解成两个密码,若其中一个密码对数据进行了上锁,则只能用另一个密码进行解锁。

    因为对数据进行加密和解密使用的是两个不同的密钥,所以这种算法就叫做非对称加密算法。在区块链网络中某个节点的公钥是全网公开的,私钥只有该节点才拥有。

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  • 前面几节所讲解的加密技术都属于“对称密钥加密技术”,也称作“秘密密钥加密技术”(如图10.7所示)。这种加密技术特征是在加密和解密的过程中使用数值相同的密钥。因此,要使用这种技术,就必须事先把密钥的值...

    前面几节所讲解的加密技术都属于“对称密钥加密技术”,也称作“秘密密钥加密技术”(如图10.7所示)。这种加密技术的特征是在加密和解密的过程中使用数值相同的密钥。因此,要使用这种技术,就必须事先把密钥的值作为只有发送者和接收者才知道的秘密保护好(如图10.7-(1)所示)。虽然随着密钥位数的增加,破解难度也会增大,但是事先仍不得不考虑一个问题:发送者如何才能把密钥悄悄地告诉接收者呢?用挂号信吗?要是那样的话,假设有100名接收者,那么发送者就要寄出100封挂号信,非常麻烦,而且这样也无法防止通信双方以外的其他人知道密钥。再说寄送密钥也要花费时间。互联网的存在应该意味着用户可以实时地与世界各地的人们交换信息。因此对称密钥加密技术不适合在互联网中使用。

    图10.8 创建公钥和私钥的步骤

    但是世界上不乏善于解决问题的能人。他们想到只要让解密时的密钥不同于加密时的密钥,就可以克服对称密钥加密技术的缺点。(“会有这样的技术吗?”也许诸位不禁会发出这样的疑问,稍后笔者将展示具体的例子)。而这种加密技术就被称为“公开密钥加密技术”。
    在公开密钥加密技术中,用于加密的密钥可以公开给全世界,因此称为“公钥”,而用于解密的密钥是只有自己才知道的秘密,因此称为“私钥”。举例来说,假设笔者的公钥是3,私钥是5(实际中会把位数更多的两个数作为一对儿密钥使用)。笔者会通过互联网向全世界宣布“矢泽久雄的公钥是3哦”。这之后当诸位要向笔者发送数据的时候,就可以用这个公钥3加密数据了。这样就算加密后的密文被人盗取了,只要他还不知道笔者的私钥就不可能对其解密,从而保证了数据的安全性。而收到了密文的笔者,则可以使用只有笔者自己才知道的私钥5对其解密(如图10.7(2)所示)。怎么样?这个技术很棒吧!

    图10.7 对称密钥加密技术和公开密钥加密技术

    可用于实现公开密钥加密技术的算法有若干种,这里笔者将介绍目前广泛应用于互联网中的RSA算法。RSA这个名字是由三位发明者Ronald Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman姓氏的首字母拼在一起组成的。美国的RSA信息安全公司对RSA的专利权一直持有到2000年9月20日。使用RSA创建公钥和私钥的步骤如图10.8所示。无论是公钥还是私钥都包含着两个数值,两个数值组成的数对儿才是一个完整的密钥。
    由图10.8的步骤可以得出:323和11是公钥,323和131是私钥,的确是两个值都不相同的密钥。在使用这对儿密钥进行加密和解密时,需要对每个字符执行如图10.9所示的运算。这里参与运算的对象是字母N(字符编码为78)。用公钥对N进行加密得到224,用私钥对224进行解密可使其还原为78。
    乍一看会以为只要了解了RSA算法,就可以通过公钥c = 323、e = 11推算出私钥c = 323, f = 131了。但是为了求解私钥中的f,就不得不对c进行因子分解,分解为两个素数a、b。在本例中c的位数很短,而在实际应用公开密钥加密时,建议将c的位数(用二进制数表示时)扩充为1024位(相当于128字节)。要把这样的天文数字分解为两个素数,就算计算机的速度再快,也还是要花费不可估量的时间,时间可能长到不得不放弃解密的程度。

    图10.9 用公钥加密,用私钥解密

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  • 对称密钥加密算法有以下几个特征: 仅仅掌握密码算法和加密密钥是极其困难地判断出解密密钥的 对于绝大多数地公开密钥加密机制,公钥和私钥 以用于加密,另一个用于解密 非对称密钥加密速度非常慢 目前常用的...

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    加密与认证技术

    一、对称密钥加密体制

    1.1 凯撒加密

    思想:每个字母都用字母表中向左移动一个固定数字的字母替代。

    1.2 置换加密

    思想:按某一规则重新排列数据中的字符。

    二、非对称密钥加密体制

    非对称密钥加密算法有以下几个特征:

    • 仅仅掌握密码算法和加密密钥是极其困难地判断出解密密钥的
    • 对于绝大多数地公开密钥加密机制,公钥和私钥 以用于加密,另一个用于解密
    • 非对称密钥加密速度非常慢

    目前常用的加密算法是 RSA:

    • 选择两个大素数 p 和 q c(保密)。选择的值越大,RSA 越难于攻破,但是执行加密和解密所用的时间也越长
    • 计算,n = pq,欧拉函数 f(n) = (p - 1)(q - 1)
    • 随机选择一个小于 n 的数 e,且要求 e 和 f(n) 互质
    • 找到一个数 d,使得 ed - 1 可以被 f(n) 整除,即满足 d x e mod f(n) = 1,其中,n 和 d 也要互质

    三、密钥分配技术

    证书权威机构(CA)把一个特定实体与其公开密钥绑定在一起。

    CA 负责完成以下任务:

    • 验证一个实体的真实身份
    • 在验证了某个实体的身份后,CA 生成一个把该实体的身份和公开密钥绑定到一起的证书,这个证书包含这个公开密钥和公开密钥所有者全局唯一的身份标识信息。由 CA 通过数字签名技术对这个证书进行签名
    • 在实际的对称密钥加密体制中,由 CA 完成对用户身份及其公开密钥的确认
    • CA 一般由政府出资建立,任何用户都可获取

    四、数字签名技术

    数字签名过程:先使用 hash 函数对要签名的消息进行处理并生成消息摘要,然后对消息摘要进行签名。

    发送方,进行数字签名的创建:

    • 使用 hash 函数对要发送的消息进行运算,生成消息摘要。
    • 发送方用自己的私有密钥,利用非对称密钥加密算法对生成的消息摘要进行数字签名。
    • 发送方将消息本身和已经进行数字签名的消息摘要发送给接收方。

    接收方,数字签名的验证:

    • 使用与发送方相同的 hash 函数,对收到的消息进行运算,重新生成消息摘要。
    • 接收方使用发送方的公钥对接受到的消息摘要解密。
    • 将解密的消息摘要与重新生成的消息摘要进行对比,以判断消息在发送过程中是否被篡改。

    五、SSL 协议

    六、防火墙技术

    防火墙是把一个组织的内部网络与整个 Internet 隔离开来的软件和硬件的组合,它允许一些分组通过,也禁止一些数据分组通过。

    防火墙的主要任务:

    • 组织非授权用户访问敏感数据
    • 允许合法用户无障碍地访问内部网络资源
    6.1 网络层防火墙

    典型技术:分组过滤技术,也就是检查进入网络的分组,将不符合预先设定标准的分组丢掉,而让符合标准的分组通。

    6.2 应用层网关防火墙

    应用层网关防火墙用于控制对应用程序的访问,即允许访问某些应用程序而阻止访问其他应用程序。采用的方法是在应用层网关上安装代理软件,每个代理模块分别针对不同的应用。

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