为什么需要加密

通过互联网交换数据时，数据要经过各种各样的网络和设备才能传到对方那里。数据在传输过程中有可能会经过某些恶意用户的设备，从而导致内容被盗取。因此，要想安全地使用互联网，安全技术是不可或缺的。

传输数据时的四个问题

互联网传输数据时可能会发生的四个主要问题：

• 窃听：A向B发送的消息可能会在传输途中被X偷看，这就是窃听
• 假冒：A以为向B发送了消息，然而B接受的消息有可能是X冒充的
• 篡改：B确实收到了A发送的消息，但是该消息的内容在途中就被X更改了，除了被第三方篡改，通信故障导致的数据损坏也可能会使消息内容发生变化。
• 事后否认：B从A那里收到了消息，但作为消息发送者的A可能对B抱有恶意，并在事后声称"这不是我发送的消息啊"

为了解决这些问题，我们需要使用哪些安全技术呢

• 应对窃听，我们会使用加密技术
• 应对假冒、篡改，我们会使用消息验证码或数字签名技术
• 应对事后否认，我们使用数字签名

一些基本的概念

• 加密就是用密钥对数据进行数值运算，把数据变成第三者无法理解的形式的过程
• 解密就是通过密钥进行数值计算，把密文恢复成原本数据的过程。

哈希函数

哈希函数可以把给定的数据转换成固定长度的无规律数值。转换后的无规律数值可以作为数据摘要应用于各种各样的场景。

• 第一个特征是输出的哈希值数据长度不变，即使输入了相当大的数据，输出的哈希值的长度也保持不变。
• 第二个特征是如果输入的数据相同，那么输出的哈希值也必定相同。
• 第三个特征是即使输入的数据相似，但哪怕它们只有一比特的差别，那么输出的哈希值也会有很大的差异。输入相似的数据并不会导致输出的哈希值也相似。
• 第四个特征是即使输入的两个数据完全不同，输出的哈希值也有可能是相同的，虽然出现这种情况的概率比较低。这种情况叫作哈希冲突
• 第五个特征是不可能从哈希值反向推算出原本的数据。输入和输出不可逆这一点和加密有很大不同。
• 第六个特征是哈希值的计算相对容易，就是说执行效率很高

哈希函数的算法中具有代表性的是MD5、SHA-1和SHA-2等。其中SHA-2是现在应用较为广泛的一个，而MD5和SHA-1存在安全隐患，不推荐使用。

加密方法

加密数据的方法可以分为两种：

• 加密和解密都使用相同密钥的共享密钥加密
• 加密和解密都使用不同密钥的公开密钥加密

1.对称加密

共享密钥加密是加密和解密都使用相同密钥的一种加密方式。由于使用的密钥相同，所以这种算法也被称为对称加密

先来了解下共享密钥加密的处理流程：

1. A使用密钥加密数据，然后将密文发送给B。
2. B收到密文后，使用相同的密钥对其进行解密。这样B就取得了原本的数据。只要是加密好的数据，就算被第三者恶意窃听也无须担心

实现共享密钥加密的算法有凯撒密码、AES[插图]、DES[插图]、动态口令等，其中AES的应用最为广泛

接下来想一想共享密钥加密中的问题

• 密文可能已经被X窃听了。这里假设A和B无法直接沟通，B不知道加密时使用的是什么密钥。A需要通过某种手段将密钥交给B。和密文一样，A又在互联网上向B发送了密钥。B使用收到的密钥对密文进行解密。但是，该密钥也有可能会被X窃听。这样一来，X也可以使用密钥对密文进行解密了。 - 如何将蜜月安全的发送给B，这其实是密钥分配问题

2.非对称加密

公开密钥加密是加密和解密使用不同密钥的一种加密方法。由于使用的密钥不同，所以这种算法也被称为非对称加密。加密用的密钥叫作公开密钥，解密用的叫作私有密钥。

公开密钥加密的处理流程：

1. 由接收方B来生成公开密钥Public Key和私有密钥Secret Key
2. 然后接收方B把公开密钥发送给数据发送方A
3. A使用B发来的公开密钥加密数据
4. A将密文发送给B, B再使用私有密钥对密文进行解密。这样，B就得到了原本的数据

了解下就行：

• 实现公开密钥加密的算法有RAS算法、椭圆曲线加密算法等，其中使用最为广泛的是RSA算法。RSA算法由其开发者Rivest、Shamir、Adleman的首字母命名而来，三人在2002年获得了图灵奖。

• 公开密钥和密文都是通过互联网传输的，因此可能会被X窃听。但是，使用公开密钥无法解密密文，因此X也无法得到原本的数据。因此公开密钥是不怕被人知道的，所以B可以把公开密钥发布在网上。与此相反，私有密钥不能被人知道，必须严密保管。

• 如果使用共享密钥加密，密钥的需求数量会随着发送人数的增多而急剧增多。具体公式为需要的密钥数=n(n-1)/2，其中N为人数，那么2人就需要2个密钥，5人就需要10个，100个人就需要4950个

• B用私有密钥对收到的密文进行解密，取得原本的数据。这种情况就不需要为每个发送对象都准备相对应的密钥了。需要保密的私有密钥仅由接收方保管，所以安全性也更高。

不过，公开密钥加密存在公开密钥可靠性的问题：

1. 让我们回到B生成公开密钥和私有密钥的时候。在接下来的说明中，B生成的公开密钥用PB来表示、私有密钥用SB来表示。
2. X想要窃听A发给B的数据，于是他也准备了公开密钥PX和私有密钥SX
3. 在B把公开密钥PB发给A的时候，X把公开密钥PB替换成自己的公开密钥PX
4. 于是公开密钥PX传到了A那里。由于公开密钥无法显示自己是由谁生成的，所以A不会发现自己收到的公开密钥已经被人替换。于是A使用公开密钥PX对数据加密。
5. 当A把想要给B的密文发送出去后，X接收了这个密文。这个密文由X生成的公开密钥PX加密而成，所以X可以用自己的私有密钥SX对密文进行解密。
6. 接下来，X用B生成的公开密钥PB加密数据。
7. X把密文发送给B，这个密文由B发出的公开密钥PB加密而成，所以B可以用自己的私有密钥SB来解密。从收到密文到解密密文都没发生任何问题，因此B也意识不到数据已经被窃听。这种通过中途替换公开密钥来窃听数据的攻击方法叫作“中间人攻击”（man-in-the-middle attack）

公开密钥存在的问题

1. 公开密钥的可靠性会出现问题，就是因为A无法判断收到的公开密钥是否来自B。要想解决这个问题，就要用到之后会讲到的“数字证书”。
2. 公开密钥加密还有一个问题，那就是加密和解密都比较耗时，所以这种方法不适用于持续发送零碎数据的情况。要想解决这个问题，就要用到“混合加密”。

3.混合加密

共享密钥加密存在无法安全传输密钥的密钥分配问题，公开密钥加密又存在加密解密速度较慢的问题。结合这两种方法以实现互补的一种加密方法就是混合加密。在混合加密中，要用处理速度较快的共享密钥加密对数据进行加密。不过，加密时使用的密钥，则需要使用公开密钥加密进行处理。

混合加密的处理流程如下：

1. 假设A准备通过互联网向B发送数据。使用处理速度较快的共享密钥加密对数据进行加密。加密时所用的密钥在解密时也要用到，因此A需要把共享密钥发送给B。
2. 为了将共享密钥PA安全的发送给接收方B，我们需要传输共享密钥PA时需要使用公开密钥加密，因此，接收方B需要事先生产公开密钥PB和私有密钥SB
3. 公开密钥传输：B将公开密钥发送给A，A使用收到的公开密钥，对共享密钥加密中需要使用的密钥进行加密，B使用私有密钥对密钥进行解密
4. 数据传输：A就把共享密钥加密中使用的密钥安全地发送给了B。接下来，A只要将使用这个密钥加密好的数据发送给B即可。加密数据时使用的是处理速度较快的共享密钥加密。

像这样，混合加密在安全性和处理速度上都有优势。能够为网络提供通信安全的SSL协议也应用了混合加密方法。SSL是Secure Sockets Layer（安全套接层）的简写，该协议经过版本升级后，现在已正式命名为TLS（TransportLayer Security，传输层安全）。但是，SSL这个名字在人们心中已经根深蒂固，因此该协议现在也常被称为SSL协议或者SSL / TLS协议。

4.迪菲-赫尔曼密钥交换z

混合加密虽然解决了公开加密耗时的问题，但是密钥传输时公开密钥可靠性的问题并没有解决，依然存在中间人攻击的风险。那么如何安全的进行密钥传输呢？

迪菲-赫尔曼（Diffie-Hellman）密钥交换是一种可以在通信双方之间安全交换密钥的方法。这种方法通过将==双方共有的秘密数值==隐藏在公开数值相关的运算中，来实现双方之间密钥的安全交换。

我们先来理解一下这个算法的概念

假设有一种方法可以合成两个密钥。使用这种方法来合成密钥P和密钥S，就会得到由这两个密钥的成分所构成的密钥P-S，这种合成方法有三个特征：

1. 即使持有密钥P和合成的密钥P-S，也无法把密钥S单独取出来。即密钥之间可以合成，但不能分解
2. 合成的密钥，可以作为新的元素，继续与别的密钥进行合成。比如使用密钥P和密钥P-S，还能合成出新的密钥P-P-S。即合成后的密钥可以继续合成
3. 密钥的合成结果与合成顺序无关，只与用了哪些密钥有关。即ABC和BAC是一样的

我们来看下密钥交换的过程

1. 首先由A生成密钥P，然后将密钥P发送给B。然后A和B各自准备自己的私有密钥SA和SB
2. A利用密钥P和私有密钥SA合成新的密钥P-SA，B也利用密钥P和私有密钥SB合成新的密钥P-SB
3. 双方交换合成密钥，即A将密钥P-SA发送给B, B也将密钥P-SB发送给A
4. 将私有密钥SA和收到的P-SB合成为新的密钥SA-P-SB，B也将私有密钥SB和收到的P-SA合成为新的密钥P-SA-SB。根据之前的假设，A和B都得到了密钥P-SA-SB，这个密钥将作为双方的共享密钥进行数据加密

下面我们来验证该密钥交换的安全性。因为密钥P、密钥P-SA和密钥P-SB需要在互联网上进行传输，所以有可能会被X窃听。但是，X无法用自己窃听到的密钥合成出P-SA-SB，因此这种交换方式是安全的。

使用迪菲-赫尔曼密钥交换，通信双方仅通过交换一些公开信息就可以实现密钥交换。但实际上，双方并没有交换密钥，而是生成了密钥。因此，该方法又被叫作“迪菲-赫尔曼密钥协议”。

5.消息认证码

前面我们可以使用迪菲赫尔曼方法安全的交换共享密钥了，但是密文的内容在传输过程中可能会被篡改，这会导致解密后的内容发生变化，从而产生误会。消息认证码就是可以预防这种情况发生的机制，消息认证码可以实现认证和检测篡改这两个功能

消息验证码的处理流程如下：

1. A生成了一个用于制作消息认证码的密钥，然后使用安全的方法将密钥发送给了B。
2. 接下来，A使用密文和密钥生成一个值。此处生成的是7f05。这个由密钥和密文生成的值就是消息认证码，以下简称为MAC（Message Authentication Code）。
3. A将MAC（7f05）和密文发送给B。B也需要使用密文和密钥来生成MAC。经过对比，B可以确认自己计算出来的7f05和A发来的7f05一致。

我们可以把MAC想象成是由密钥和密文组成的字符串的“哈希值”。计算MAC的算法有HMAC[插图]、OMAC[插图]、CMAC[插图]等。目前，HMAC的应用最为广泛。

消息验证码存在的不足

​ 然而消息验证码也有缺点。在使用消息认证码的过程中，AB双方都可以对消息进行加密并且算出MAC。也就是说，我们无法证明原本的消息是A生成的还是B生成的[事后否认]。因此，假如A是坏人，他就可以在自己发出消息后声称“这条消息是B捏造的”，而否认自己的行为。如果B是坏人，他也可以自己准备一条消息，然后声称“这是A发给我的消息”。使用MAC时，生成的一方和检测的一方持有同样的密钥，所以不能确定MAC由哪方生成。

6.数字签名

​ 数字签名不仅可以实现消息认证码的认证和检测篡改功能，还可以预防事后否认问题的发生。==由于在消息认证码中使用的是共享密钥加密，所以持有密钥的收信人也有可能是消息的发送者，这样是无法预防事后否认行为的==。而==数字签名是只有发信人才能生成的==，因此使用它就可以确定谁是消息的发送者了。

数字签名的处理流程

1. 假设A要向B发送消息。在发送前A给消息加上自己的数字签名，只要发送的消息上有A的数字签名，就能确定消息的发送者就是A。
2. B可以验证数字签名的正确性，但无法生成数字签名。

接下来看一看数字签名具体是怎样生成的吧

数字签名的生成使用的是公开密钥加密，我们先来回顾下前面的知识。公开密钥加密中，加密使用的是公开密钥P，解密使用的是私有密钥。任何人都可以使用公开密钥对数据进行加密，但只有持有私有密钥的人才能解密数据。然而，数字签名却是恰恰相反的。

1. 首先由A准备好需要发送的消息、私有密钥和公开密钥。由消息的发送者来准备这两个密钥，这一点与公开密钥加密有所不同。
2. A将公开密钥发送给B，然后A使用私有密钥加密消息。加密后的消息就是数字签名。
3. A将消息和签名都发送给了B。B使用公开密钥对密文（签名）进行解密。B对解密后的消息进行确认，看它是否和收到的消息一致。流程到此结束

补充说明

1. 公开密钥加密的加密和解密都比较耗时。为了节约运算时间，实际上不会对消息直接进行加密，而是先求得消息的哈希值，再对哈希值进行加密，然后将其作为签名来使用
2. 虽然==数字签名可以实现“认证”“检测篡改”“预防事后否认”三个功能==，但它也有一个缺陷。那就是，虽然使用数字签名后B会相信消息的发送者就是A，但实际上也有可能是X冒充了A。其根本原因在于使用公开密钥加密无法确定公开密钥的制作者是谁。收到的公开密钥上也没有任何制作者的信息。因此，公开密钥有可能是由某个冒充A的人生成的。这个理解起来还是挺难的，但是可以简单理解成如果黑客X足够厉害，那么他完成可以把自己伪装成A和B进行通信，从而发一些非法指令。

7.数字证书

公开密钥加密和数字签名无法保证公开密钥确实来自信息的发送者。因此，就算公开密钥被第三者恶意替换，接收方也不会注意到。不过，如果使用数字证书，就能保证公开密钥的正确性。

1. A持有公开密钥PA和私有密钥SA，现在想要将公开密钥PA发送给B
2. A首先需要向认证中心（Certification Authority, CA）申请发行证书，证明公开密钥PA确实由自己生成。
3. 认证中心里保管着他们自己准备的公开密钥PC和私有密钥SC。
4. A将公开密钥PA和包含邮箱信息的个人资料发送给认证中心。
5. 认证中心对收到的资料进行确认，判断其是否为A本人的资料。确认完毕后，认证中心使用自己的私有密钥SC，根据A的资料生成数字签名。
6. 认证中心将生成的数字签名和资料放进同一个文件中，然后，把这个文件发送给A。这个文件就是A的数字证书。
7. A将作为公开密钥的数字证书发送给了B。
8. B收到数字证书后，确认证书里的邮件地址确实是A的地址。接着，B获取了认证中心的公开密钥。
9. B对证书内的签名进行验证，判断它是否为认证中心给出的签名。证书中的签名只能用认证中心的公开密钥PC进行验证。如果验证结果没有异常，就能说明这份证书的确由认证中心发行。
10. 确认了证书是由认证中心发行的，且邮件地址就是A的之后，B从证书中取出A的公开密钥PA。这样，公开密钥便从A传到了B。

再来看看公开密钥的交付过程有没有什么问题

1. 假设X冒充A，准备向B发送公开密钥PX，但是B会用验证来判断是否为认证中心颁发的数字证书
2. 假设X为了假冒A，准备在认证中心登记自己的公开密钥。然而X无法使用A的邮箱地址，因此无法获得A的证书。

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