密碼學(xué)入門(mén)科普（加密、簽名、證書(shū)、HMAC、CA、PKI） · 語(yǔ)雀

英雄曹孟德 2019-01-27

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—— 本文由本人首發(fā)于“阿里技術(shù)”公眾號(hào)：鏈接

事情是這樣的，Alice 和 Bob 是一對(duì) CP。兩人之間難免要說(shuō)一些 secret，又不想被別人偷聽(tīng)，怎么辦呢？本文就是講述這對(duì) CP 之間如何安全隱秘的聊天，如何跟無(wú)（wěi）聊（suǒ）份子們斗智斗勇的故事。先介紹一下將要登場(chǎng)的各個(gè)角色：

Alice：話嘮，嚴(yán)重的傾訴欲，和 Bob 是 CP。
Bob：沉默男，理工男，和 Alice 是 CP。
Eve：Alice 的室友，熱衷于偷聽(tīng)八卦。
Mallory：猥瑣男，專業(yè)搞破壞 20 年。
Trent：長(zhǎng)者，相當(dāng)具有權(quán)威性，大家都相信他。

如何不被竊聽(tīng) —— 加密

剛開(kāi)始時(shí)，Alice 和 Bob 沒(méi)有安全意識(shí)。平時(shí)說(shuō)話聊天沒(méi)有什么防范措施，經(jīng)常被 Eve 偷聽(tīng)。但礙于情面又不好直說(shuō)，為此煩惱不已。偷聽(tīng)過(guò)程如下：

Bob 是個(gè)技術(shù)男，想到一個(gè)辦法。既然有人偷聽(tīng)，那我為什么不加密呢？說(shuō)干就干，他事先和 Alice 商定一個(gè) 密鑰（key），是個(gè)隨機(jī)值，別人猜不出來(lái)。從此這對(duì) CP 之間聊天就用這個(gè) key 進(jìn)行加密保護(hù)，如下：

從圖中可以看到，Alice 在說(shuō)話前，先用 key 對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行加密。發(fā)送消息時(shí)，不再直接傳遞“我剛買(mǎi)了個(gè)包包”這么直白的明文，而是 “*&2#%/Qw@##” 這種誰(shuí)都看不懂的密文。即使被 Eve 竊聽(tīng)，她也完全看不懂神馬意思，只能表示 WTF。Bob 收到密文后，先用 key 對(duì)其進(jìn)行解密，得到原始的消息內(nèi)容“我剛買(mǎi)了個(gè)包包”。

旁白：

這種加密方案在密碼學(xué)里稱為 對(duì)稱密碼，加密方和解密方使用的是相同的密鑰。
知名的密碼算法有 AES（2001）、Blowfish（1993）、DES（1977），再遠(yuǎn)一點(diǎn)，有二戰(zhàn)時(shí)期的恩尼格碼（轉(zhuǎn)輪機(jī)原理，德國(guó)）、紫色密碼（轉(zhuǎn)輪機(jī)原理，日本），以及著名的凱撒密碼（沒(méi)錯(cuò)就是地中海北岸那個(gè)凱撒）、柵欄密碼等。后續(xù)會(huì)寫(xiě)文章專門(mén)進(jìn)行各個(gè)算法的性能比較、安全性比較。
友情提示： 密碼學(xué)里的“密碼”和現(xiàn)實(shí)生活中的“密碼”不是一回事兒！后者一般指的是口令（password），比如登錄淘寶、QQ、ATA輸入的那個(gè)東西。順便說(shuō)下，有些耿直的 boy 會(huì)把自己的口令設(shè)置得炒雞簡(jiǎn)單，比如 12345678 、helloworld 等。這是萬(wàn)萬(wàn)不能夠的，小心被人猜出來(lái)。

言歸正傳，一切看起來(lái)是那么完美。Alice 和 Bob 以為可以高枕無(wú)憂了，卻沒(méi)想到道高一尺 Eve 高一丈。

如何交換密鑰 —— 非對(duì)稱加密

自從 Alice 和 Bob 使用了“加密”這種秘密武器之后，Eve 什么都聽(tīng)不到了。為此她寢食難安，沒(méi)有八卦的生活還有神馬意義?。?還好，Eve 不是普通的 Eve，她并不只是一個(gè)八卦女，她是個(gè)懂科技的 girl。思考幾天之后，Eve 意識(shí)到這對(duì) CP 肯定是用了加密的。一不做二不休，Eve 找到了破解辦法，請(qǐng)看下圖。

Eve 觀察到那對(duì) CP 之間為了安全性，會(huì)經(jīng)常更換 key。為此，她尋找一個(gè)合適的時(shí)機(jī)，把 key 竊取到手。之后，Eve 又可以愉快的竊聽(tīng)了，終于可以睡個(gè)安穩(wěn)覺(jué)。竊聽(tīng)過(guò)程如下：

有 key 在手，Eve 截獲消息之后，就可以像 Bob 一樣把消息明文解密出來(lái)。

不過(guò)好景不長(zhǎng)，相對(duì)于 Eve 來(lái)說(shuō)，Bob 才是掌握核心科技的。他很快發(fā)現(xiàn) Eve 的這一行為，想到另一個(gè)辦法： 非對(duì)稱加密。具體過(guò)程如下：

Bob 事先生成一對(duì)公鑰和私鑰，私鑰 pri 由自己保管，把公鑰 pub 發(fā)給 Alice。
Alice 使用 pub 對(duì)消息內(nèi)容進(jìn)行加密，Bob 用 pri 進(jìn)行解密。
需要注意的是， 只有私鑰才可以解密，所以即使 Eve 竊取到了 pub（只有 pub 被傳輸而容易被竊?。?，她也無(wú)法解密。

另外，這種方式還有個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。假使 Bob 還有很多別的女友（嚴(yán)重抨擊這種行為），他可以把同一個(gè)公鑰 pub 都發(fā)給她們，各個(gè)女友都用這個(gè) pub 和 Bob 進(jìn)行通信。構(gòu)成“多對(duì)一”的通信關(guān)系，卻不用擔(dān)心女友 A 竊聽(tīng)到女友 B 和 Bob 之間的聊天內(nèi)容，因?yàn)?pub 無(wú)法解密。而在對(duì)稱密碼中，Bob 必須為每個(gè)女友都分發(fā)一個(gè)不同的 key，這很難保管。

旁白：

這種加密方式在密碼學(xué)里稱為 非對(duì)稱密碼，所謂“非對(duì)稱”指的是加密方和解密方用的密鑰不一樣。
知名的非對(duì)稱算法有：DSA（數(shù)字簽名算法，只能用于簽名，1991）、ECC（橢圓曲線加密，1985）、RSA（公鑰加密算法，1977）等。
這些算法除了用于加密外，還可以用于 數(shù)字簽名，本文后面會(huì)講到。
非對(duì)稱算法有個(gè)致命弱點(diǎn)：性能很低。實(shí)際應(yīng)用中一般采用混合加密體制、哈希簽名體制，后續(xù)會(huì)寫(xiě)文章中進(jìn)行介紹。

好了，現(xiàn)在信道安全問(wèn)題已經(jīng)解決啦，不用再擔(dān)心 secret 被 Eve 偷聽(tīng)。但是情場(chǎng)多艱，猥瑣男 Mallory 現(xiàn)在隆重登場(chǎng)。

如何防止數(shù)據(jù)篡改 —— MAC

文章開(kāi)頭說(shuō)了，Mallory 是個(gè)專業(yè)搞破壞 20 年的男人，這次也不例外。請(qǐng)看下圖：

Mallory 并不是八卦小女生，他對(duì)偷聽(tīng)秘密沒(méi)有任何興趣。生而不羈，他決定搞一些惡作劇，篡改一下消息吧。于是他把 “我剛買(mǎi)了個(gè)包包” 改成“我決定跟你分手”，但 Bob 卻不知道已被篡改，還以為是 Alice 的原話。那么問(wèn)題來(lái)了，求此刻 Bob 的心理陰影面積。

經(jīng)過(guò)一番狗血的情感糾葛之后，Alice 表示還是愛(ài)他的，Bob 終于意識(shí)到有人在從中作梗。這還得了，之前我們一直強(qiáng)調(diào)，Bob 是個(gè)掌握核心科技的 boy，他很快就想到了應(yīng)對(duì)措施。請(qǐng)看下圖（為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本例僅展示防篡改的情況，沒(méi)有對(duì) message 做加密）：

圖中的 MAC 指的是 消息認(rèn)證碼（Message Authentication Code），你現(xiàn)在不需知道它的原理，只要記住：（1）傳入兩個(gè)參數(shù) message 和 key，進(jìn)行一系列計(jì)算后得到一個(gè)值叫 MAC。（2）只有 message 和 key 相同的情況下，才能得到相同的 MAC。

跟對(duì)稱加密一樣，這對(duì) CP 之間會(huì)事先協(xié)商一個(gè) key。
Alice 使用 key 對(duì) message 計(jì)算出一個(gè) MAC1，并把 message + MAC1 發(fā)給 Bob。
Bob 收到之后，用自己的 key 對(duì) message 計(jì)算出一個(gè) MAC2，再比較 MAC1 和 MAC2 是否一致。
根據(jù) MAC 的性質(zhì)，如果 message 被篡改，那么計(jì)算得到的 MAC2 一定不等于 MAC1，驗(yàn)證失敗，Bob 得出結(jié)論：有人篡改了消息。
由于僅 Alice 和 Bob 擁有 key，所以別人無(wú)法篡改 message 后偽造出一個(gè)有效的 MAC。
在檢測(cè)篡改方面，還可以用HASH（散列）算法，包括MD5、SHA1/224/256/384/512等。比如版本控制系統(tǒng)GIT就使用SHA1來(lái)檢查文件是否有修改。

旁白：

消息認(rèn)證碼有多種實(shí)現(xiàn)方式，其中最常見(jiàn)的是 HMAC（Hash MAC），即使用哈希算法來(lái)實(shí)現(xiàn) MAC，后續(xù)會(huì)寫(xiě)文章進(jìn)行介紹。還有一種是基于分組密碼算法的 MAC，不常見(jiàn)。
聰明如你，肯定會(huì)想到如果 key 被竊取該怎么辦？這就涉及到 數(shù)字簽名了，后文會(huì)講到。

如何校驗(yàn)身份 —— MAC

Mallory 還有個(gè)小伎倆，那就是冒充身份，恰好 MAC 也可以對(duì)付這個(gè)。且看下圖：

Mallory 發(fā)一個(gè)消息給 Bob，說(shuō)“親愛(ài)的，我是 Alice 哦，balabala...”（求猥瑣程度...）。如果沒(méi)有校驗(yàn)措施，Bob 可能就中招了。同樣的，Bob 可以用以下方式進(jìn)行防范：

只有 Alice 和 Bob 擁有相同的 key，所以 Bob 只有在校驗(yàn) MAC 成功時(shí)才會(huì)相信對(duì)方是 Alice。而 Mallory 沒(méi)有這個(gè) key，偽造的 MAC 肯定會(huì)校驗(yàn)失敗的，所以計(jì)謀不能得逞。

旁白：

MAC包含幾種實(shí)現(xiàn)方式：基于 HASH 的 MAC 稱為 HMAC，應(yīng)用比較廣泛。
有些同學(xué)應(yīng)該接觸過(guò)阿里云的 Access Key，其實(shí)就是 HMAC 的原理。
有些同學(xué)在兩個(gè)系統(tǒng)之間API調(diào)用時(shí)，會(huì)使用同一個(gè) key 做 md5 計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn) API 鑒權(quán)，這稱為“加鹽HASH”，可以簡(jiǎn)單理解為 HMAC 的簡(jiǎn)化版。
同樣的，如果 key 被竊取該怎么辦？這可以用 數(shù)字簽名來(lái)解決。

更進(jìn)一步 —— 數(shù)字簽名

MAC 雖好，但是遇到和對(duì)稱密碼同樣的問(wèn)題：密鑰如何交換。

其中一個(gè)解決方式就是 數(shù)字簽名，這個(gè)“簽名”你基本可以想象成現(xiàn)實(shí)生活中的手寫(xiě)簽名，具有類似的作用。原理上和非對(duì)稱加密有點(diǎn)像，但有個(gè)很大的區(qū)別，發(fā)送方是用私鑰進(jìn)行簽名，而接收方用公鑰進(jìn)行驗(yàn)簽，這跟加密情況正好相反。

Bob 可以用數(shù)字簽名來(lái)校驗(yàn)消息是否被篡改，請(qǐng)看下圖：

原理上和圖 6 差不多，但區(qū)別在于：由 Alice 事先生成一對(duì)公鑰 pub 和私鑰 pri，并把 pub 發(fā)送給 Bob，前者用 pri 加簽，后者用 pub 驗(yàn)簽。驗(yàn)簽失敗說(shuō)明消息被篡改。

也可以用于身份校驗(yàn)，請(qǐng)看下圖：

Mallory 沒(méi)有 Alice 的 pri，所以無(wú)論如何他也沒(méi)法冒充 Alice 的身份。

看到這里，大家可能都松了一口氣，以為這小倆口終于沒(méi)事兒了。但情場(chǎng)多變，萬(wàn)一哪天 Alice 變心了呢，她給 Bob 發(fā)了一條消息，說(shuō)“分手吧”，如下圖：

可是發(fā)完之后又有點(diǎn)后悔，但他們使用的不是釘釘，并沒(méi)有消息撤回功能。怎么辦？所以說(shuō) Alice 還是有點(diǎn) too naive，她妄想可以矢口否認(rèn)，把 shit 盆子扣到破壞小王子 Mallory 身上，聲稱“剛才那句話是 Mallory 說(shuō)的” 等云云。

Mallory 雖然猥瑣，但也是個(gè)講“原則“的 man，你扣盆子也要講基本法??！于是他跳出來(lái)說(shuō)， “表冤枉我，我又沒(méi)有 Alice 的私鑰”。

這是什么意思呢？原來(lái)數(shù)字簽名還具有 抗否認(rèn) 的神奇功效，Alice 講的話里帶有她的簽名，是不能否認(rèn)的（是不是有點(diǎn)類似現(xiàn)實(shí)生活中的手寫(xiě)簽名？）。任何不講基本法的栽贓陷害都是無(wú)效的...

公鑰的身份證 —— 數(shù)字證書(shū)

如果你以為 Eve 和 Mallory 就此屈服于非對(duì)稱加密和數(shù)字簽名的威力，那你就真的是圖樣了。所謂 “兩汪戰(zhàn)一虎，四汪沉航母。六汪戲上帝，八汪創(chuàng)世紀(jì)”，他們決定聯(lián)合起來(lái)，找出公鑰機(jī)制的破綻。偉大友誼自然會(huì)有效果，他們果真找到了破解之法（絕對(duì)不是劇情發(fā)展需要...）。

沒(méi)錯(cuò)，就是 偽造公鑰。我們先拿公鑰加密來(lái)舉例子，圖4 中講到，Bob 需要事先生成公鑰 pub 和私鑰 pri ，然后把 pub 分發(fā)給 Alice。那么攻擊過(guò)程就從這入手：

Eve 生成自己的一對(duì)公鑰 pub' 和私鑰 pri'，截獲 Bob 的 pub，并用自己的 pub' 冒充 Bob 的公鑰發(fā)給 Alice。如下圖：

Alice 用 pub' 加密消息，發(fā)送出去。
Eve 截獲 Alice 的數(shù)據(jù)，并用 pri' 解密得到消息明文。
Eve 偽造一個(gè)假數(shù)據(jù)“干嘛呵呵去洗澡”，并用 pub 加密后發(fā)給 Bob。
Bob 用 pri 解密，拿到偽造的數(shù)據(jù)，以為是 Alice 發(fā)給他的。

這是個(gè)“偷天換日”的過(guò)程，Eve 通過(guò)偽造公鑰（中間人攻擊），不光竊聽(tīng)到 Alice 的消息，還能保證整個(gè)過(guò)程中 Alice 和 Bob 都沒(méi)有察覺(jué)！

再來(lái)看一下 Mallory 怎樣用偽造公鑰的方式來(lái)冒充身份。圖10 中講到，Alice 需要事先把自己公鑰發(fā)給 Bob，所以攻擊過(guò)程就從這入手：

Mallory 生成自己的公鑰 pub' 和私鑰 pri'，截獲 Alice 的 pub，并用自己的 pub' 冒充 Alice 的公鑰發(fā)給 Bob，如下圖：

Alice 用正常私鑰 pri 進(jìn)行簽名，并發(fā)給 Bob。
Bob 手里拿的是被偽造的公鑰 pub'，所以對(duì) Alice 的 sign 會(huì)驗(yàn)簽失敗，認(rèn)為對(duì)方不是 Alice。
Mallory 用自己私鑰 pri ' 進(jìn)行簽名，并發(fā)給 Bob。
Bob 用被偽造的公鑰 pub' 進(jìn)行驗(yàn)簽，可以驗(yàn)簽成功，認(rèn)為對(duì)方是 Alice。

這個(gè)過(guò)程中，Mallory 通過(guò)偽造 Alice 公鑰，成功冒充了 Alice 的身份。

這種偽造公鑰的攻擊方式讓 Bob 很頭疼，思考了很久，終于想到一個(gè)辦法。這次他找來(lái)了幫手 —— Trent。文章開(kāi)頭有介紹過(guò)，Trent 非常具有權(quán)威性，而且能保證自身不受攻擊（或者別人不敢攻擊），就像現(xiàn)實(shí)生活中的公安局。

Eve 不是喜歡偽造公鑰嗎，Bob 這次就要請(qǐng) Trent 為自己的公鑰注冊(cè)一張 “身份證” —— 數(shù)字證書(shū)。見(jiàn)證如見(jiàn)人，哦不對(duì)，見(jiàn)證如見(jiàn)公鑰！以下是注冊(cè)數(shù)字證書(shū)的過(guò)程：

Bob 請(qǐng)求 Trent 為自己的公鑰 pub 注冊(cè)一個(gè)證書(shū)。
Trent 收到請(qǐng)求后，用自己的私鑰 pri ' 對(duì) pub（以及身份信息）進(jìn)行簽名，得到一個(gè) sign。
Trent 把證書(shū) certificate = pub + sign 頒發(fā)給 Bob。
Bob 把自己的證書(shū) pub + sign 發(fā)給 Alice。
Alice 使用 Trent 的公鑰 pub ' 對(duì) sign 進(jìn)行驗(yàn)簽，如果校驗(yàn)成功則說(shuō)明 pub 的確是 Bob 的公鑰，因?yàn)樗嘈?Trent 的權(quán)威性。

Eve 不可能找 Trent 為她辦一個(gè) Bob 的數(shù)字證書(shū)，因?yàn)?Trent 不會(huì)同意的，就像警察蜀黍不會(huì)給我辦一張別人的身份證一樣。所以，Eve 無(wú)法偽造 Bob 的公鑰。

同理，為了防止 Mallory 偽造公鑰來(lái)冒充身份，Alice 也需要向 Trent 注冊(cè)自己的公鑰，得到一個(gè)數(shù)字證書(shū)，用于防止別人偽造公鑰。

旁白：

考慮到非對(duì)稱算法的效率問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中一般是先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希，然后才用私鑰對(duì)哈希值（摘要）進(jìn)行簽名。
Trent 在密碼技術(shù)領(lǐng)域中一般稱為 認(rèn)證機(jī)構(gòu)（Certification Authority，即 CA）。
以數(shù)字證書(shū)為基礎(chǔ)，業(yè)界制定了一系列的規(guī)范和規(guī)格，比如由誰(shuí)頒發(fā)證書(shū)、如何進(jìn)行頒發(fā)、如何作廢證書(shū)等，稱為 公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public-Key Infrastructure，即 PKI）。

自古情場(chǎng)多艱，且聽(tīng)下回分解。

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