密码知识

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密码知识
　　谈起密码算法，有的人会觉得陌生，但一提起PGP，大多数网上朋友都很熟悉，它是一个工具软件，向认证中心注册后就可以用它对文件进行加解密或数字签名，PGP所采用的是RSA算法，以后我们会对它展开讨论。密码算法的目的是为了保护信息的保密性、完整性和安全性，简单地说就是信息的防伪造与防窃取，这一点在网上付费系统中特别有意义。密码学的鼻祖可以说是信息论的创始人香农，他提出了一些概念和基本理论，论证了只有一种密码算法是理论上不可解的，那就是 One Time Padding，这种算法要求采用一个随机的二进制序列作为密钥，与待加密的二进制序列按位异或，其中密钥的长度不小于待加密的二进制序列的长度，而且一个密钥只能使用一次。其它算法都是理论上可解的。如DES算法，其密钥实际长度是56比特，作2^56次穷举，就肯定能找到加密使用的密钥。所以采用的密码算法做到事实上不可解就可以了，当一个密码算法已知的破解算法的时间复杂度是指数级时，称该算法为事实上不可解的。顺便说一下，据报道国外有人只用七个半小时成功破解了DES算法。密码学在不断发展变化之中，因为人类的计算能力也像摩尔定律提到的一样飞速发展。作为第一部分，首先谈一下密码算法的概念。
　　密码算法可以看作是一个复杂的函数变换，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表示密钥，是秘密选定的一个字符序列。密码学的一个原则是“一切秘密寓于密钥之中”，算法可以公开。当加密完成后，可以将密文通过不安全渠道送给收信人，只有拥有解密密钥的收信人可以对密文进行解密即反变换得到明文，密钥的传递必须通过安全渠道。目前流行的密码算法主要有DESRSA，IDEA，DSA等，还有新近的Liu氏算法，是由华人刘尊全发明的。密码算法可分为传统密码算法和现代密码算法，传统密码算法的特点是加密和解密必须是同一密钥，如DES和IDEA等；现代密码算法将加密密钥与解密密钥区分开来，且由加密密钥事实上求不出解密密钥。这样一个实体只需公开其加密密钥(称公钥，解密密钥称私钥)即可，实体之间就可以进行秘密通信，而不象传统密码算法似的在通信之前先得秘密传递密钥，其中妙处一想便知。因此传统密码算法又称对称密码算法(Symmetric Cryptographic Algorithms )，现代密码算法称非对称密码算法或公钥密码算法( Public-Key Cryptographic Algorithms )，是由Diffie 和Hellman首先在1976年的美国国家计算机会议上提出这一概念的。按照加密时对明文的处理方式，密码算法又可分为分组密码算法和序列密码算法。分组密码算法是把密文分成等长的组分别加密，序列密码算法是一个比特一个比特地处理，用已知的密钥随机序列与明文按位异或。当然当分组长度为1时，二者混为一谈。这些算法以后我们都会具体讨论。
　　RSA算法
　　1978年就出现了这种算法，它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。它易于理解和操作，也很流行。算法的名字以发明者的名字命名：Ron Rivest, AdiShamir 和Leonard Adleman。但RSA的安全性一直未能得到理论上的证明。
　　RSA的安全性依赖于大数分解。公钥和私钥都是两个大素数（ 大于 100个十进制位）的函数。据猜测，从一个密钥和密文推断出明文的难度等同于分解两个大素数的积。
　　密钥对的产生。选择两个大素数，p 和q 。计算：
　　n = p * q
　　然后随机选择加密密钥e，要求 e 和 ( p - 1 ) * ( q - 1 ) 互质。最后，利用Euclid 算法计算解密密钥d, 满足
　　e * d = 1 ( mod ( p - 1 ) * ( q - 1 ) )
　　其中n和d也要互质。数e和n是公钥，d是私钥。两个素数p和q不再需要，应该丢弃，不要让任何人知道。
　　加密信息 m（二进制表示）时，首先把m分成等长数据块 m1 ,m2,..., mi ，块长s，其中 2^s <= n, s 尽可能的大。对应的密文是：
　　ci = mi^e ( mod n ) ( a )
　　解密时作如下计算：
　　mi = ci^d ( mod n ) ( b )
　　RSA 可用于数字签名，方案是用 ( a ) 式签名， ( b )式验证。具体操作时考虑到安全性和 m信息量较大等因素，一般是先作 HASH 运算。
　　RSA 的安全性。
　　RSA的安全性依赖于大数分解，但是否等同于大数分解一直未能得到理论上的证明，因为没有证明破解 RSA就一定需要作大数分解。假设存在一种无须分解大数的算法，那它肯定可以修改成为大数分解算法。目前， RSA的一些变种算法已被证明等价于大数分解。不管怎样，分解n是最显然的攻击方法。现在，人们已能分解140多个十进制位的大素数。因此，模数n必须选大一些，因具体适用情况而定。
　　RSA的速度。
　　由于进行的都是大数计算，使得RSA最快的情况也比DES慢上100倍，无论是软件还是硬件实现。速度一直是RSA的缺陷。一般来说只用于少量数据加密。
　　RSA的选择密文攻击。
　　RSA在选择密文攻击面前很脆弱。一般攻击者是将某一信息作一下伪装(Blind)，让拥有私钥的实体签署。然后，经过计算就可得到它所想要的信息。实际上，攻击利用的都是同一个弱点，即存在这样一个事实：乘幂保留了输入的乘法结构：
　　( XM )^d = X^d *M^d mod n
　　前面已经提到，这个固有的问题来自于公钥密码系统的最有用的特征--每个人都能使用公钥。但从算法上无法解决这一问题，主要措施有两条：一条是采用好的公钥协议，保证工作过程中实体不对其他实体任意产生的信息解密，不对自己一无所知的信息签名；另一条是决不对陌生人送来的随机文档签名，签名时首先使用One-Way Hash Function对文档作HASH处理，或同时使用不同的签名算法。在中提到了几种不同类型的攻击方法。 　　
　　RSA的公共模数攻击。
　　若系统中共有一个模数，只是不同的人拥有不同的e和d，系统将是危险的。最普遍的情况是同一信息用不同的公钥加密，这些公钥共模而且互质，那末该信息无需私钥就可得到恢复。设P为信息明文，两个加密密钥为e1和e2，公共模数是n，则：
　　C1 = P^e1 mod n
　　C2 = P^e2 mod n
　　密码分析者知道n、e1、e2、C1和C2，就能得到P。
　　因为e1和e2互质，故用Euclidean算法能找到r和s，满足：
　　r * e1 + s * e2 = 1
　　假设r为负数，需再用Euclidean算法计算C1^(-1)，则
　　( C1^(-1) )^(-r) * C2^s = P mod n
　　另外，还有其它几种利用公共模数攻击的方法。总之，如果知道给定模数的一对e和d，一是有利于攻击者分解模数，一是有利于攻击者计算出其它成对的e’和d’，而无需分解模数。解决办法只有一个，那就是不要共享模数n。
　　RSA的小指数攻击。 有一种提高RSA速度的建议是使公钥e取较小的值，这样会使加密变得易于实现，速度有所提高。但这样作是不安全的，对付办法就是e和d都取较大的值。
　　RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，也易于理解和操作。RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近二十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。RSA的安全性依赖于大数的因子分解，但并没有从理论上证明破译RSA的难度与大数分解难度等价。即RSA的重大缺陷是无法从理论上把握它的保密性能如何，而且密码学界多数人士倾向于因子分解不是NPC问题。
　　RSA的缺点主要有：A)产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密。B)分组长度太大，为保证安全性，n 至少也要 600 bits以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式的标准化。目前，SET(Secure Electronic Transaction)协议中要求CA采用2048比特长的密钥，其他实体使用1024比特的密钥。
　　DSS/DSA算法
Digital Signature Algorithm
(DSA)是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(Digital SignatureStandard)。算法中应用了下述参数：
p：L bits长的素数。L是64的倍数，范围是512到1024；
q：p - 1的160bits的素因子；
g：g = h^((p-1)/q) mod p，h满足h < p - 1, h^((p-1)/q) mod p > 1；
x：x < q，x为私钥 ；
y：y = g^x mod p ，( p, q, g, y )为公钥；
H( x )：One-Way Hash函数。DSS中选用SHA( Secure Hash Algorithm )。
p, q,
g可由一组用户共享，但在实际应用中，使用公共模数可能会带来一定的威胁。签名及验证协议如下：
1. P产生随机数k，k < q；
2. P计算 r = ( g^k mod p ) mod q
s = ( k^(-1) (H(m) + xr)) mod q
签名结果是( m, r, s )。
3. 验证时计算 w = s^(-1)mod q
u1 = ( H( m ) * w ) mod q
u2 = ( r * w ) mod q
v = (( g^u1 * y^u2 ) mod p ) mod q
若v = r，则认为签名有效。
　　DSA是基于整数有限域离散对数难题的，其安全性与RSA相比差不多。DSA的一个重要特点是两个素数公开，这样，当使用别人的p和q时，即使不知道私钥，你也能确认它们是否是随机产生的，还是作了手脚。RSA算法却作不到。


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