加減密和數字簽名

加密資料的目的是防止發給對方的隱私資訊被他人看到；釋出簽名的目的是向對方證明這段訊息確實是你發的。

一、加密演算法

加密演算法分為 對稱金鑰演算法(Symmetric Key Algorithm) 和 公開金鑰演算法(Public Key Algorithm)。對稱加密，是一種比較傳統的加密方式，其加密運算、解密運算使用的是同樣的金鑰，資訊的傳送者和資訊的接收者在進行資訊的傳輸與處理時，必須共同持有該密碼（稱為對稱密碼）；公開金鑰演算法也稱為 非對稱金鑰演算法 ，就是使用不同的加密金鑰與解密金鑰，是一種“由已知加密金鑰推匯出解密金鑰在計算上是不可行的”密碼體制。加密金鑰（即公開金鑰）PK是公開資訊，而解密金鑰（即祕密金鑰）SK是需要保密的，加密演算法E和解密演算法D也都是公開的，雖然解密金鑰SK是由公開金鑰PK決定的，但卻不能根據PK計算出SK。

1.1 DES(Data Encryption Standard, 資料加密標準)

DES是一種對稱加密演算法。
加密原理：DES 使用一個 56 位的金鑰以及附加的 8 位奇偶校驗位，產生最大 64 位的分組大小。這是一個迭代的分組密碼，使用稱為 Feistel 的技術，其中將加密的文字塊分成兩半。使用子金鑰對其中一半應用迴圈功能，然後將輸出與另一半進行“異或”運算；接著交換這兩半，這一過程會繼續下去，但最後一個迴圈不交換。DES 使用 16 個迴圈，使用異或，置換，代換，移位操作四種基本運算。
三重 DES：使用 168 位的金鑰對資料進行三次加密的一種機制。因DES的金鑰長度太短，很容易被暴力破解，故利用三重加密來有效地增加金鑰長度。
不過 ，DES 現在僅用於舊系統的鑑定，而更多地選擇新的加密標準。

1.2 AES(Advanced Encryption Standard, 高階加密標準)

AES是一種對稱加密演算法。這個標準用來替代原先的DES，2006年AES已然成為對稱金鑰加密中最流行的演算法之一。
加密原理：AES加密資料塊分組長度必須為128位元，金鑰長度可以是128位元、192位元、256位元中的任意一個（如果資料塊及金鑰長度不足時，會補齊）。AES加密有很多輪的重複和變換。大致步驟如下：1、金鑰擴充套件（KeyExpansion），2、初始輪（Initial Round），3、重複輪（Rounds），每一輪又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最終輪（Final Round），最終輪沒有MixColumns。

1.3 RSA

RSA是一種公開金鑰演算法。由Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman提出，故該演算法取三個人名字的首字母來命名。它通常是先生成一對RSA 金鑰，其中之一是保密金鑰，由使用者儲存；另一個為公開金鑰，可對外公開。
RSA演算法基於一個十分簡單的數論事實：將兩個大質數相乘十分容易，但是想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密金鑰。
具體解析：帶你徹底理解RSA演算法原理

1.4 加密演算法選擇

因對稱加密演算法在傳輸資料時，也需要把雙方共同的金鑰明文傳給對方，這裡就會出現安全性地問題，故現在所有的通訊都會使用公開金鑰演算法RSA。
但RSA有幾個缺點：1.產生金鑰很麻煩，受到素數產生技術的限制，因而難以做到一次一密；速度太慢，由於RSA 的分組長度太大，為保證安全性，n 至少也要 600 bits以上，使運算代價很高，尤其是速度較慢，較對稱密碼演算法慢幾個數量級；且隨著大數分解技術的發展，這個長度還在增加，不利於資料格式的標準化。

為了速度問題，人們廣泛使用單，公鑰密碼結合使用的方法，優缺點互補：單鑰密碼加密速度快，人們用它來加密較長的檔案，然後用RSA來給檔案金鑰加密，極好的解決了單鑰密碼的金鑰分發問題。在對稱金鑰演算法中應首選AES。

二、數字簽名

數字簽名就是為了證明發布資料者的身份。簽名流程是先 認證，再 加密。

1. 認證。以單向雜湊函式思想為基礎，它接受一個任意長度的明文作為輸入，然後計算出一個 固定長度 的位串，這個雜湊函式MD稱為 訊息摘要(Message Digest)。雜湊過程是不可逆的，即給定P很容易計算出MD(P)，但給定MD(P)，不能有效推算出P；並且輸入明文中即使只有1位變化也會導致完全不同的輸出。
2. 加密。加密的過程也就是簽名的過程，為了安全，在實際的場景中，仍然使用公開加密演算法RSA，為了證明發布者的身份，釋出者就會用自己的私鑰加密，接收方用釋出者的公鑰解密來確認。

釋出者對明文進行簽名後，需要把明文和摘要都發給接收方，接收方只需對明文也hash計算出摘要，和接收到的摘要進行對比是否一致。

問題1：理論上用RSA直接對明文簽名就可以，為什麼還要先對訊息進行雜湊得到摘要再加密？
Why hash the message before signing it with RSA?
主要原因無非是 安全 和 快速。雜湊過程是不可逆的，故安全；雜湊完總是計算出一個固定的值，能加快RSA的加減密速度。

問題2：RSA的公鑰和私鑰到底哪個才是用來加密和哪個用來解密？
RSA演算法是第一個能同時用於加密和數字簽名的演算法。RSA的兩個金鑰是對稱的，隨便哪一個加密，可以用另一個解密，理論上你可以保留公鑰，釋出私鑰，只不過公鑰可以通過私鑰輕鬆算出，反之不行，故實際中的做法是保留私鑰釋出私鑰。
我們會發現實際中對資料加密時，使用的是接收方的公鑰，而在數字簽名時，使用的是傳送者的私鑰。
RSA的公鑰和私鑰到底哪個才是用來加密和哪個用來解密？

不要去硬記。
你只要想：既然是加密，那肯定是不希望別人知道我的訊息，所以只有我才能解密，所以可得出 公鑰負責加密，私鑰負責解密；同理，既然是簽名，那肯定是不希望有人冒充我發訊息，只有我才能釋出這個簽名，所以可得出 私鑰負責簽名，公鑰負責驗證。

2.1 MD5(Message-Digest Algorithm 5, 資訊-摘要演算法5)

MD5以512位分組來處理輸入的資訊，且每一分組又被劃分為16個32位子分組，經過了一系列的處理後，演算法的輸出由四個32位分組組成，將這四個32位分組級聯後將生成一個128位雜湊值。
MD5碼可以唯一地代表原資訊的特徵，通常用於密碼的加密儲存，數字簽名，檔案完整性驗證等。

2.2 SHA-1(Secure Hash Algorithm 1, 安全雜湊演算法1)

SHA-1 會從一個最大 2^64 位元的訊息中產生一串 160 位元的摘要。SHA-1基於MD5，MD5又基於MD4。
論壇裡提供的系統映象檔案的hash也就是微軟官方提供的SHA-1值，下載後和此值對應，就說明你下載過程中檔案沒有被更改，屬於原版。

比較：SHA-1摘要比MD5摘要長 32 位元，故SHA-1抗攻擊能力更強，自然執行速度比MD5慢。需根據實際場景來選擇。

三、編碼轉換

在進行完加密和簽名後的資料時二進位制的，不適合用於傳輸，故需要轉換為字符集。目前常見的編碼演算法就是 Base64。
Base64是網路上最常見的用於傳輸8Bit位元組碼的編碼方式之一，Base64就是一種基於64個可列印字元來表示二進位制資料的方法。Base64編碼是從二進位制到字元的過程，可用於在HTTP環境下傳遞較長的標識資訊。

四、總結

目前大多數應用通訊的安全流程是：

上圖是加密和簽名的流程圖，而解密和驗籤倒序進行。

五、公鑰管理

為了安全地分發公鑰(因為在傳輸的過程中可能被非法者替換)，就建立了能證明公鑰所屬權的 認證中心(CA, Certification Authority)。CA會給申請者頒發一個證書，用自己私鑰對證書的SHA-1雜湊值進行簽名。證書的作用就是將一個公鑰與安全個體的名字繫結在一起。
實際上，CA並不是一個，為了安全和效率，而是分等級層次的，這樣即使一個CA的資料庫被攻破了，也不會影響全球的安全性。最頂級的CA即層次的根，它的責任是證明第二級的CA，頂級CA稱為 區域管理機構(RA, Regional Authority)

當使用者不相信對方直屬CA頒發的證書時，就會請求上一級CA，以此類推，請求的證書就形成了一個 證書鏈(Certificate chain)。總之你必須相信根CA，證書鏈才有效，當然根CA並非只有一個，而是有多個根，每個根都有它直接的RA和CA。實際上，現代瀏覽器在安裝的時候預先載入了100多個根的公鑰。通過這種方式，就可以避免在全球範圍內使用單一的可信權威機構。

六、常見安全通訊協議

6.1 GPG/PGP

PGP(Pretty Good Privacy, 良好的隱私性) 是一個完整的電子有點安全軟體包，提供了私密性、認證、數字簽名和壓縮功能。它使用 國際資料加密演算法(IDEA, International Data Encryption Algorithm) 的塊密碼演算法來加密資料，PGP的金鑰管理使用RSA，資料完整性使用MD5。
PGP使用已有的密碼學演算法，而不是發明新的演算法。它像一個前處理器，接受明文輸入，併產生簽過名的密文作為輸出，其輸出格式為Base64。

但是PGP是商業軟體，不能自由使用。所以自由軟體基金會決定，開發一個PGP的替代品，取名為GnuPG，即 GPG(The GNU Privacy Guard)。

6.2 SSH(Secure Shell, 安全外殼協議)

SSH 為建立在應用層基礎上的安全協議，它專為遠端登入會話和其他網路服務提供安全性的協議。SSH最初是UNIX系統上的一個程式，後來又迅速擴充套件到其他操作平臺。SSH採用面向連線的TCP協議傳輸，監聽 22埠。
傳統的網路服務程式，如：ftp、pop和telnet在本質上都是不安全的，因為它們在網路上用明文傳送口令和資料，別有用心的人非常容易就可以截獲這些口令和資料。而且，這些服務程式的安全驗證方式也是有其弱點的， 就是很容易受到“中間人”（man-in-the-middle）這種方式的攻擊。通過使用SSH，你可以把所有傳輸的資料進行加密，這樣"中間人"這種攻擊方式就不可能實現了，而且也能夠防止DNS欺騙和IP欺騙。使用SSH，還有一個額外的好處就是傳輸的資料是經過壓縮的，所以可以加快傳輸的速度。
從客戶端來看，SSH提供兩種級別的安全驗證：

1. 基於口令的安全驗證：通過帳號和口令登入到遠端主機，所有傳輸的資料都會被加密。但可能會有別的伺服器在冒充真正的伺服器，也就是受到“中間人”這種方式的攻擊。
2. 基於密匙的安全驗證：需要建立一對密匙，並把公用密匙放在需要訪問的伺服器上，通過類似RSA的方式來加密和解密資料。它不僅加密所有傳送的資料，而且“中間人”這種攻擊方式也是不可能的（因為他沒有你的私人密匙），但是整個登入的過程可能需要10秒。

生活中應該首選SSH Keys，儘量避免使用密碼方式登入SSH。

6.3 SSL(Secure Sockets Layer, 安全套接層)

現在SSL的協議已廣泛被Google、Firefox、Safari和IE等瀏覽器採用，主要用於頁面資訊的通訊。SSL在兩個套接字之間建立一個安全的連線，主要功能有瀏覽器和伺服器的雙向認證、資料加密和資料完整性保護等。
實際上，SSL位於應用層和傳輸層之間的一個新層，它接受來自瀏覽器的請求，再將請求傳遞給TCP以便傳輸到伺服器上。一旦安全的連線已經被建立起來，則SSL的主要任務時處理壓縮和加密。
在SSL上使用的HTTP被稱為 安全的HTTP(HTTPS, Secure HTTP)，它使用一個新埠 443，而不是標準的埠80。現在許多企業都強烈推薦使用HTTPS協議，2017.01.01蘋果要求所以的APP都必須使用HTTPS。

SSL存在一個問題是，使用者並不總是驗證所用的金鑰是否與證書相匹配，故產生了IETF標準haul後的 傳輸層安全(TLS, Transport Layer Security)。TLS是SSL的第3個版本，這就是所謂的 SSL/TLS。

參考連結：《計算機網路（第5版）》 AndrewS．Tanenbaum
RSA演算法原理（一）
RSA演算法原理（二）