密碼知識(shí)

談起密碼算法，有的人會(huì)覺得陌生，但一提起PGP，大多數(shù)網(wǎng)上朋友都很熟悉， 它是一個(gè)工具軟件，向認(rèn)證中心注冊后就可以用它對文件進(jìn)行加解密或數(shù)字簽名，PGP所采用的是RSA算法，以后我們會(huì)對它展開討論。密碼算法的目的是為了保護(hù)信息的保密性、完整性和安全性，簡單地說就是信息的防偽造與防竊取，這一點(diǎn)在網(wǎng)上付費(fèi)系統(tǒng)中特別有意義。密碼學(xué)的鼻祖可以說是信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)，他提出了一些概念和基本理論，論證了只有一種密碼算法是理論上不可解的，那就是 One Time Padding，這種算法要求采用一個(gè)隨機(jī)的二進(jìn)制序列作為密鑰，與待加密的二進(jìn)制序列按位異或，其中密鑰的長度不小于待加密的二進(jìn)制序列的長度，而且一個(gè)密鑰只能使用一次。其它算法都是理論上可解的。如DES算法，其密鑰實(shí)際長度是56比特，作2^56次窮舉，就肯定能找到加密使用的密鑰。所以采用的密碼算法做到事實(shí)上不可解就可以了，當(dāng)一個(gè)密碼算法已知的破解算法的時(shí)間復(fù)雜度是指數(shù)級時(shí)，稱該算法為事實(shí)上不可解的。順便說
一下，據(jù)報(bào)道國外有人只用七個(gè)半小時(shí)成功破解了DES算法。密碼學(xué)在不斷發(fā)展變化之中，因?yàn)槿祟惖挠?jì)算能力也像摩爾定律提到的一樣飛速發(fā)展。作為第一部分，首先談一下密碼算法的概念。

. V3 y0 N, A* h) L0 i  X+ G7 i密碼算法可以看作是一個(gè)復(fù)雜的函數(shù)變換，C = F M, Key ),C代表密文，即加密后得到的字符序列，M代表明文即待加密的字符序列，Key表示密鑰，是秘密選定的一個(gè)字符序列。密碼學(xué)的一個(gè)原則是“一切秘密寓于密鑰之中”，算法可以公開。當(dāng)加密完成后，可以將密文通過不安全渠道送給收信人，只有擁有解密密鑰的收信人可以對密文進(jìn)行解密即反變換得到明文，密鑰的傳遞必須通過安全渠道。目前流行的密碼算法主要有DES，RSA，IDEA，DSA等，還有新近的Liu氏算法，是由華人劉尊全發(fā)明的。密碼算法可分為傳統(tǒng)密碼算法和現(xiàn)代密碼算法，傳統(tǒng)密碼算法的特點(diǎn)是加密和解密必須是同一密鑰，如DES和IDEA等；現(xiàn)代密碼算法將加密密鑰與解密密鑰區(qū)分開來，且由加密密鑰事實(shí)上求不出解密密鑰。這樣一個(gè)實(shí)體只需公開其加密密鑰(稱公鑰，解密密鑰稱私鑰)即可，實(shí)體之間就可以進(jìn)行秘密通信，而不象傳統(tǒng)密碼算法似的在通信之前先得秘密傳遞密鑰，其中妙處一想便知。因此傳統(tǒng)密碼算法又稱對稱密碼算法(Symmetric Cryptographic Algorithms )，現(xiàn)代密碼算法稱非對稱密碼算法或公鑰密碼算法( Public-Key Cryptographic Algorithms )，是由Diffie 和Hellman首先在1976年的美國國家計(jì)算機(jī)會(huì)議上提出這一概念的。按照加密時(shí)對明文的處理方式，密碼算法又可分為分組密碼算法和序列密碼算法。分組密碼算法是把密文分成等長的組分別加密，序列密碼算法是一個(gè)比特一個(gè)比特地處理，用已知的密鑰隨機(jī)序列與明文按位異或。當(dāng)然當(dāng)分組長度為1時(shí)，二者混為一談。這些算法以后我們都會(huì)具體討論。
2 R* V1 V; }1 u) ]  U4 R
7 @( o) h* X3 C* XRSA算法

' \0 `  y1 ~8 U$ O) `- g　
1978年就出現(xiàn)了這種算法，它是第一個(gè)既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的算法。它易于理解和操作，也很流行。算法的名字以發(fā)明者的名字命名：Ron Rivest, AdiShamir 和Leonard Adleman。但RSA的安全性一直未能得到理論上的證明。
2 }7 l6 E7 u( y) `4 |  {; r
RSA的安全性依賴于大數(shù)分解。公鑰和私鑰都是兩個(gè)大素?cái)?shù)（ 大于 100個(gè)十進(jìn)制位）的函數(shù)。據(jù)猜測，從一個(gè)密鑰和密文推斷出明文的難度等同于分解兩個(gè)大素?cái)?shù)的積。

/ V( b/ Q& k; t* @( K3 M密鑰對的產(chǎn)生。選擇兩個(gè)大素?cái)?shù)，p 和q 。計(jì)算：
3 _7 f0 b, z. F
n = p * q

然后隨機(jī)選擇加密密鑰e，要求 e 和 ( p - 1 ) * ( q - 1 ) 互質(zhì)。最后，利用Euclid 算法計(jì)算解密密鑰d, 滿足
  @6 m7 j" Z8 Q& i$ _* T( D8 u' F2 S: v
e * d = 1 ( mod ( p - 1 ) * ( q - 1 ) )
1 a( t- ]1 u, E, I4 e
" m  O2 l: N* M7 u. H' G其中n和d也要互質(zhì)。數(shù)e和n是公鑰，d是私鑰。兩個(gè)素?cái)?shù)p和q不再需要，應(yīng)該丟棄，不要讓任何人知道。
- d) D2 L% M. [4 v8 N5 D# k
/ B4 N5 y' D7 |8 T0 r' T0 x6 A2 F$ r加密信息 m（二進(jìn)制表示）時(shí)，首先把m分成等長數(shù)據(jù)塊 m1 ,m2,..., mi ，塊長s，其中 2^s <= n, s 盡可能的大。對應(yīng)的密文是：

7 J4 c. s9 M+ m$ j$ e3 N  n4 Nci = mi^e ( mod n ) ( a )
2 _* E- B% J2 G6 Z  e
: C5 q- h. P; i8 x3 E: _解密時(shí)作如下計(jì)算：
  n+ D* X; `9 p1 c' f
- {' e- {- ]/ @# K% ?4 E; u7 x0 Y3 tmi = ci^d ( mod n ) ( b )

RSA 可用于數(shù)字簽名，方案是用 ( a ) 式簽名， ( b )式驗(yàn)證。具體操作時(shí)考慮到安全性和 m信息量較大等因素，一般是先作 HASH 運(yùn)算。

RSA 的安全性。
- h. s( e- X% l6 K0 h1 ]8 Z% ^RSA的安全性依賴于大數(shù)分解，但是否等同于大數(shù)分解一直未能得到理論上的證明，因?yàn)闆]有證明破解RSA就一定需要作大數(shù)分解。假設(shè)存在一種無須分解大數(shù)的算法，那它肯定可以修改成為大數(shù)分解算法。目前， RSA的一些變種算法已被證明等價(jià)于大數(shù)分解。不管怎樣，分解n是最顯然的攻擊方法?，F(xiàn)在，人們已能分解140多個(gè)十進(jìn)制位的大素?cái)?shù)。因此，模數(shù)n必須選大一些，因具體適用情況而定。
  o/ ?, X8 C9 T/ v
RSA的速度。
: O3 N& ~! x& ~4 T. c. K' J由于進(jìn)行的都是大數(shù)計(jì)算，使得RSA最快的情況也比DES慢上100倍，無論是軟件還是硬件實(shí)現(xiàn)。速度一直是RSA的缺陷。一般來說只用于少量數(shù)據(jù)加密。
  O( ?$ Q- t6 Q; {0 A! H8 T9 R
RSA的選擇密文攻擊。
8 R9 Q. f9 I# @: U6 S& w- tRSA在選擇密文攻擊面前很脆弱。一般攻擊者是將某一信息作一下偽裝(Blind)，讓擁有私鑰的實(shí)體簽署。然后，經(jīng)過計(jì)算就可得到它所想要的信息。實(shí)際上，攻擊利用的都是同一個(gè)弱點(diǎn)，即存在這樣一個(gè)事實(shí)：乘冪保留了輸入的乘法結(jié)構(gòu)：
+ M9 V. [& Q/ t. B* Z4 h
' W. C: ^8 o$ _* d( XM )^d = X^d *M^d mod n

前面已經(jīng)提到，這個(gè)固有的問題來自于公鑰密碼系統(tǒng)的最有用的特征--每個(gè)人都能使用公鑰。但從算法上無法解決這一問題，主要措施有兩條：一條是采用好的公鑰協(xié)議，保證工作過程中實(shí)體不對其他實(shí)體任意產(chǎn)生的信息解密，不對自己一無所知的信息簽名；另一條是決不對陌生人送來的隨機(jī)文檔簽名，簽名時(shí)首先使用One-Way HashFunction
$ u# e  Q: d5 c對文檔作HASH處理，或同時(shí)使用不同的簽名算法。在中提到了幾種不同類型的攻擊方法。 　　

RSA的公共模數(shù)攻擊。
- L& B# _% b8 P, i, X7 q+ n: I若系統(tǒng)中共有一個(gè)模數(shù)，只是不同的人擁有不同的e和d，系統(tǒng)將是危險(xiǎn)的。最普遍的情況是同一信息用不同的公鑰加密，這些公鑰共模而且互質(zhì)，那末該信息無需私鑰就可得到恢復(fù)。