【网络安全】对称加密、非对称加密以及密钥分配

1、对称加密

2、非对称加密

3、如何分配对称密钥？

4、如何分配非对称密钥？

1、对称加密

所谓对称加密，就是指加密密钥与解密密钥都使用相同的密钥。如下图所示，通信双方使用的就是对称加密密钥。//代表：DES和AES

数据加密标准 DES(Data Encryption Standard) 属于对称密钥密码体制。它由 IBM 公司研制出，于 1977 年被美国定为联邦信息标准后，在国际上引起了极大的重视。ISO 曾将 DES 作为数据加密标准。

DES 是一种分组密码。在加密前，先对整个的明文进行分组。每一个组为 64 位长的二进制数据。然后对每一个 64 位二进制数据进行加密处理，产生一组 64 位密文数据。最后将各组密文串接起来，即得出整个的密文。使用的密钥占有 64 位（实际密钥长度为 56 位，外加 8 位用于奇偶校验）。

DES 的机密性仅取决于对密钥的保密，而算法是公开的。DES 的问题是它的密钥长度。56 位长的密钥意味着共有 $2^{56}$ 种可能的密钥，也就是说，共有约 7.6 × $10^{16}$ 种密钥。假设一台计算机 1 us 可执行一次 DES 加密，同时平均只需搜索密钥空间的一半即可找到密钥，那么破译 DES 要超过 1000 年。

然而芯片的发展出乎意料地快。不久，56 位 DES 已不再被认为是安全的。对于 DES 56 位密钥的问题，又提出了 三重DES(3DES) 的方案，把一个 64 位明文用一个密钥加密，再用另一个密钥解密，然后再使用第一个密钥加密，即

$Y=DES_{k1}(DES^{-1}_{K2}(DES_{k1}(X)))))$

这里，X 是明文，Y 是密文，K1 和 K2 分别是第一个和第二个密钥， $DES_{k1}(.)$ 表示用密钥 K1 进行 DES 加密，而 $DES_{k2}^{-1}(.)$ 表示用密钥 K2 进行 DES 解密。//加密，解密，再加密

在 DES 之后，1997 年美国标准与技术协会(NIST)，对一种新的加密标准即 高级加密标准 AES(Advanced Encryption Standard) 进行遴选，最后由两位年轻比利时学者 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提交的 Rijndael算法 被选中，在 2001 年正式成为 NIST 的加密标准。在 2002 年成为美国政府加密标准。现在 AES 也是 ISO/IEC 18033-3 标准。

AES 也是一种分组密码，分组长度为 128 位。AES 有三种加密标准，其密钥分别为 128 位、192 位和 256 位，加密步骤相当复杂，运算速度比 3DES 快得多，且安全性也大大加强。在 2001 年，NIST 曾有一个大致的估计，就是假定有一台高速计算机，仅用 1 秒钟就能够破译 56 位的 DES，那么要破译 128 位的 AES，就需要 $10^{12}$ 年！

2、非对称加密

非对称加密使用不同的加密密钥与解密密钥。也就是所谓的公钥密码体制。

公钥密码产生主要有两个方面的原因，一是由于对称密钥的密钥分配问题，二是对数字签名的需求。

在对称加密中，加解密的双方使用的是相同的密钥。但怎样才能做到这一点呢？

一种是事先约定，另一种是用信使来传送。在高度自动化的大型计算机网络中，用信使来传送密钥显然是不合适的。如果事先约定密钥，就会给密钥的管理和更换带来极大的不便。若使用高度安全的密钥分配中心 KDC(Key Distribution Center)，也会使得网络成本增加。//密钥分配

对数字签名的强烈需要也是产生公钥加密的一个原因。在许多应用中，人们需要对纯数字的电子信息进行签名，表明该信息确实是某个特定的人产生的。//数字签名

对于公钥密码体制，目前最著名的是由美国三位科学家 Rivest, Shamir 和 Adleman 于1976 年提出并在 1978 年正式发表的 RSA 体制，它是一种基于数论中的大数分解问题的体制。

在公钥加密中，加密密钥 PK(Public Key 公钥) 是向公众公开的，而解密密钥 SK(Secret Key 私钥) 则是需要保密的。

公钥加密的加密和解密过程有如下特点：

首先，密钥对 生成器会为接收者 B 生成一对密钥：即公钥 $PK_{B}$ 和私钥 $SK_{B}$ 。
然后，发送者 A 用 B 的公钥 $PK_{B}$ 对明文 X 加密，得出密文 Y，发送给 B。
最后，B 接收到密文后，用自己的私钥 $SK_{B}$ 进行解密，恢复出明文。

//这个过程其实很好理解，就是如果要与B通信，就必须按照B给的方式对信息进行处理。处理后的信息，除了B，其他人都不能对这条信息进行解密。

//就比如你向你的朋友转账（通信），首先必须知道对方的账号（公钥），然后把钱转到对方的账户上（公钥加密），这样你的朋友使用密码就可以取得到你转账的钱（私钥解密）

下图，给出了使用公钥进行加密的过程：

需要注意的是，任何加密方法的安全性都取决于密钥的长度，以及攻破密文所需的计算量，而不是简单地取决于加密的方式（对称加密或非对称加密）。

3、如何分配对称密钥？

对称密钥分配存在以下两个问题：

第一，如果 n 个人中的每一个需要和其他 n-1 个人通信，就需要 n(n-1) 个密钥。但每两人共享一个密钥，因此密钥数是 n(n - 1)/2。这常称为 $n^{2}$ 问题。如果 n 是个很大的数，所需要的密钥数量就非常大。//密码数量大
第二，通信的双方怎样才能安全地得到共享的密钥呢？正是因为网络不安全，所以才需要使用加密技术。但密钥又需要怎样传送呢？//网络不安全

目前常用的密钥分配方式是设立 密钥分配中心KDC(Key Distribution Center)。 KDC 是大家都信任的机构，其任务就是给需要进行秘密通信的用户临时分配一个会话密钥(仅使用一次)。

如下图，用户 A 和 B 都是 KDC 的登记用户。A 和 B 在 KDC 登记时就已经在 KDC 的服务器上安装了各自和 KDC 进行通信的 主密钥(master key) $K_{A}$ 和 $K_{B}$ 。

密钥分配分为三个步骤：//单纯的对称密钥的分配比较麻烦

用户 A 向密钥分配中心 KDC 发送时用明文，说明想和用户 B 通信。在明文中给出了 A 和 B 在 KDC 登记的身份。
KDC 用随机数产生“一次一密”的会话密钥 $K_{AB}$ 供 A 和 B 的这次会话使用，然后向 A 发送回答报文。这个回答报文用 A 的密钥 $K_{A}$ 加密。这个报文中包含这次会话使用的密钥 $K_{AB}$ 和请 A 转给 B 的一个 票据(ticket)，该票据包括 A 和 B 在 KDC 登记的身份，以及这次会话将要使用的密钥 $K_{AB}$ 。票据用 B 的密钥 $K_{B}$ 加密，A 无法知道此票据的内容，因为 A 没有 B 的密钥 $K_{B}$ ，当然 A 也不需要知道此票据的内容。
当 B 收到 A 转来的票据并使用自己的密钥 $K_{B}$ 解密后，就知道 A 要和他通信，同时也知道 KDC 为这次和 A 通信所分配的会话密钥 $K_{AB}$ 。

此后，A 和 B 就可使用会话密钥 $K_{AB}$ 进行这次通信了。需要注意的是，在网络上传送密钥时，都是经过加密的。解密用的密钥都不在网上传送。

4、如何分配非对称密钥？

我们都知道，使用非对称密钥时大家都各自保存有自己的私钥，然后把各自的公钥发布在网上。

但是，如何能确信获取的公钥真的就是对方的呢?

例如，A 和 B 都是公司。有个捣乱者给 A 发送邮件，声称自己是 B，要购买 A 生产的设备，货到付款，并给出了 B 的收货地址。邮件中还附上“B的公钥”(其实是捣乱者的公钥)。最后用捣乱者的私钥对邮件进行了签名。A 收到邮件后，就用邮件中给出的捣乱者的公钥，对邮件中的签名进行了鉴别，就误认为 B 真的是要购买设备。当 A 把生产的设备运到 B 的地址后，B 才知道被愚弄了！//B被冒充，A无法确认对方身份，因此交易会存在抵赖的可能性

现在流行的办法，这就是找一个可信任的第三方机构，给拥有公钥的实体发一个具有数字签名的数字证书(digital certificate)。数字证书就是对公钥与其对应的实体进行绑定(binding)的一个证明，因此它常称为公钥证书。这种签发证书的机构就叫作认证中心CA(Certification Authority)，它由政府或知名公司出资建立(这样就可以得到大家的信任)。

每个证书中写有公钥及其拥有者的标识信息(人名、地址、电子邮件地址或 IP 地址等)。更重要的是，证书中有 CA 使用自己私钥的数字签名，这就是认证中心 CA 把 B 的未签名的证书进行散列函数运算，再用 CA 的私钥对散列值进行 D 运算(也就是对散列值进行签名)。这样就得到了 CA 的数字签名。把 CA 的数字签名和未签名的 B 的证书放在一起，就最后构成了已签名的 B 的数字证书。//CA使用自己的私钥对证书的散列值进行加密

CA 证书无法伪造，任何用户都可从可信任的地方（如代表政府的报纸）获得认证中心 CA 的公钥，以验证证书的真伪。这种数字证书是公开的，不需要加密。

公司 A 拿到 B 的数字证书后，可以对 B 的数字证书的真实性进行核实。A 使用数字证书上给出的 CA 的公钥，对数字证书中 CA 的数字签名进行 E 运算，得出一个数值。再对 B 的数字证书（把 CA 的数字签名除外的部分）进行散列运算，又得出一个数值。比较这两个数值。若一致，则证明数字证书是真的。

关于数字证书的内容，X.509 规定了一个数字证书必须包括以下这些重要字段：