密码技术之密钥、随机数、PGP、SSL/TLS

第三部分：密码技术之密钥、随机数、PGP、SSL/TLS

　　密码的本质就是将较长的消息变成较短的秘密消息——密钥。

　　一、密钥

　　　　什么是密钥？

　　　　（1）密钥就是一个巨大的数字，然而密钥数字本身的大小不重要，重要的是密钥空间的大小，也就是可能出现的密钥的总数量，因为密钥空间越大，进行暴力破解就越困难。

　　　　如DES的密钥的长度是56bit（7字节），三重DES中DES-EDE2的密钥长度为112bit（14字节）、DES-EDE3的密钥长度为168bit（21字节），AES的密钥长度可以是128、192和256bit。

　　　　需要注意的是一个字节不一定对应一个字符。

　　　　（2）密钥和明文是等价的，即对于窃听者而言，得到了密钥就等于得到了明文

　　　　（3）密钥算法与密钥，密码算法应使用世界公认的密码算法，另外，信息的机密性不应该依赖于密码算法本身，而是应该依赖于妥善保管的密钥。

　　　　密钥分类：

　　　　（1）对称密码的共享密钥，公钥密码中的私钥和公钥，公钥加密，私钥解密

　　　　（2）消息认证码的共享密钥和数字签名的密钥，私钥加签，公钥验签

　　　　（3）对称密码和公钥密码的密钥是用于确保机密性的密钥，相对地，消息认证码和数字签名所使用的密钥，则是用于认证的密钥。

　　　　（4）会话密钥和主密钥，一直被重复使用的密钥称为主密钥；https通信每次通信只使用一次的密钥称为会话密钥。

　　　　（5）用于加密内容的密钥CEK与用于加密密钥的密钥KEK

　　　　密钥的生成

　　　　　　生成密钥最好的方式就是使用随机数，或者使用口令加盐PBE生成随机数

　　　　PBE（基于口令的密码）

　　　　　　基于口令的密码（Password Based Encryption，PBE）就是一种根据口令生成密钥并用该密钥进行加密的方法。其中加密和解密使用同一个密钥。

　　　　　PBE加密的步骤：

　　　　　（1）生成KEK

　　　　　　　　首先，伪随机数生成器会生成一个被称为盐的随机数。将盐和Alice的口令一起输入单向散列函数，得到的散列值就是用来加密密钥的密钥KEK

　　　　　（2）生成会话密钥并加密

　　　　　　　　使用伪随机数生成器生成会话密钥。会话密钥是用来加密消息的密钥CEK。

　　　　　　　　会话密钥使用（1）生成的KEK进行加密，然后和盐一起保存在安全的地方

　　　　　　　　将KEK丢弃，因为使用盐和口令可以重建KEK

　　　　　（3）加密消息

　　　　　　　　使用（2）生成的会话密钥对消息进行加密

　　　　　PBE解密的步骤：

　　　　　（1）重建KEK

　　　　　　　　将之前保存下来的盐和Alice的口令一起输入单向散列函数，得到的散列值就是KEK　　

　　　　　（2）解密会话密钥

　　　　　　　　获取之前保存下来的使用KEK加密的会话密钥，用（1）生成的KEK进行解密得到会话密钥

　　　　　（3）使用会话密钥解密消息

　　　　盐的作用：

　　　　　　盐salt是由伪随机数生成的，在生成密钥KEK时会和口令一起被输入单向散列函数。所以盐是用来防御字典攻击的。

　　　　　　如果在生成KEK的时候加盐，则盐的长度越大，生成字典的候选KEK的数量也随之增大，生成候选KEK的难度就会变得巨大。

　　　　

　　二、随机数

               随机数具有不可预测性，随机数在密码技术中扮演着十分重要的角色。

　　如：生成密钥——用于对称密码和消息认证码、生成密钥对——用于公钥密码和数字签名、生成初始化向量（IV）——用于分组密码的CBC、CFB和OFB模式、生成nonce——用于防御重放攻击以及分组密码的CTR模式、生成盐——用于基于口令的密码（PBE）等。

　　随机数的性质

　　　　1、随机性——不存在统计偏差，是完全杂乱的数列

　　　　2、不可预测性——不能从过去的数列推测出下一个出现的数

　　　　3、不可重现性——除非将数列本身保存下来，否则不能重现相同的数列

　　随机数的分类

	随机性	不可预测性	不可重现性
若伪随机数	yes	no	no	只具备随机性
弱伪随机数	yes	yes	no	具备不可预测性
真随机数	yes	yes	yes	具备不可重现性可用于密码技术

 　　伪随机数生成器

　　　　随机数可以通过硬件来生成，也可以通过软件来生成。

　　　　通过硬件生成的随机数列，是根据传感器收集的热量、声音的变化等事实上无法预测和重现的自然现象信息来生成的。像这样的硬件设备就称为随机数生成器（Random Number Generator，RNG）。而可以生成随机数的软件则称为伪随机数生成器（Pseudo Random Number Generator，PRNG）。因为仅靠软件无法生成真随机数，因此要加上一个“伪”字。

 　　　　

　　伪随机数的种子是用来对内部状态进行初始化的。　种子是一串随机的比特序列，根据种子可以生成出专属于自己的伪随机数列。

　　伪随机数生成器的内部状态，是指伪随机数生成器所管理的内存中的数值。当生成伪随机数时，会根据内存中的值（内部状态）进行计算，并将计算结果作为伪随机数输出。

 　　随后，伪随机数生成器会改变自己的内存状态，为下一次生成伪随机数做准备。

　　伪随机数生成器：

　　　　单向散列函数法

　　　　（1）用伪随机数的种子初始化内部状态（即计数器）

　　　　（2）用单向散列函数计算计数器的散列值

　　　　（3）将散列值作为伪随机数输出

　　　　（4）计数器的值加1

　　　　（5）根据需要的伪随机数数量重复（2）~（4）步骤

　　　　密码法

　　　　（1）初始化内部状态（计数器）

　　　　（2）用密钥加密计数器的值（AES或RSA）

　　　　（3）将密文作为伪随机数输出

　　　　（4）计数器的值加1

　　　　（5）根据需要的伪随机数数量重复（2）~（4）步骤

 

　　三、PGP——密码技术的完美结合

　　　　PGP（Pretty Good Privacy）是一款密码软件，具备现代密码软件所需的几乎全部功能。　如：

　　　　1、对称密码

　　　　　　对称密码可以单独使用，也可以和公钥密码组合成混合密码系统，可以使用的对称密码算法包括AES、三重DES等

　　　　2、公钥密码

　　　　　　PGP支持生成公钥密码的密钥对，以及用公钥密码进行加密和解密。实际上并不是使用公钥密码直接对明文进行加密，而是使用混合密码系统来进行加密操作

　　　　3、数字签名

　　　　　　PGP支持数字签名的生成和验证，也可以将数字签名附加到文件中，或者从文件中分离出数字签名。可以使用的数字签名算法包括RSA、DSA、ECDSA等

　　　　4、单向散列函数

　　　　　　PGP可以用单向散列函数计算和显示消息的散列值

　　　　5、证书

　　　　　　PGP可以生成openPGP中规定格式的整数，以及与X.509规范兼容的证书，此外，还可以办法公钥的作废证明，并可以使用CRL和OCSP对证书进行校验。

　　　　6、压缩

　　　　　　PGP支持数据的压缩和解压缩，压缩采用ZIP等

　　　　7、文本数据　　　

　　　　　　PGP可以将二进制数据和文本数据相互转换

　　　　8、大文件的拆分和拼合

　　　　　　在文件过大无法通过邮件发送的情况下，PGP可以将一个大文件拆分成多个文件，反过来也可以将多个文件拼合成一个文件

　　　　9、钥匙串管理

　　　　　　PGP可以管理所生成的密钥以及从外部获取的公钥。用于管理密钥的文件称为钥匙串。

　　四、SSL/TLS

　　　　SSL/TLS是世界上应用最广泛的密码通信方法。是Web服务器中广泛使用的协议，如往上支付时Web浏览器就会使用SSL/TLS进行密码通信。

　　　　SSL/TLS综合运用了对称密码、消息认证码、公钥密码、数字签名、伪随机数生成器等密码技术。严格来说SSL（Secure Socket Layer，安全套接层）与

　　TLS（Transport Layer Security，安全层传输协议）是不同的，TLS相当于是SSL的后续版本。

 

　　　　用SSL/TLS承载HTTP，对请求和响应进行加密：

　　　　

　　在敏感信息通信时，需要解决的问题：

　　1、发送过程中不要被窃听，即机密性问题

　　2、发送过程中不能被篡改，即完整性问题

　　3、确认通信对方没有被伪装，即认证问题

　　要确保机密性，可以使用对称密码，密钥用伪随机数来生成，发送密钥用公钥密码。

　　要识别篡改，对数据进行认证，可以使用消息认证码，对通信对象进行认证，使用对公钥加上数字签名的整数。

　　SSL/TLS就是这样的一个“框架”，将这些工具组合起来。