《系统架构设计师教程（第2版）》第4章-信息安全技术基础知识-02-信息加密技术

本章对应教材：4.4信息加解密技术、4.5 密钥管理技术

1. 信息加密技术

1.1 数据加密

• 作用：防止未经授权的用户访问敏感信息的手段
• 密码学(Cryptography)：研究数据加密的科学
• 加密过程
  • 发送端把明文P 用加密算法E 和密钥 K 加密（即 密文C=E(K,P)）
  • 接收端利用解密算法D 和密钥K 对C 解密得到明文P（即P=D(K,C)
  • 这里加/解密函数E 和D 是公开的，而密钥K是秘密的

1.2 对称密钥加密算法

• 概述：加密密钥和解密密钥是相同的，称为共享密钥算法或对称密钥算法

1）数据加密标准（DES)

• Data Encryption Standard
• 制定：1977年1月，美国国家安全局(National Security Agency) 根据IBM的专利技术Lucifer制定了DES。
• 加密过程：
  • 明文被分成64位的块
  • 对每个块进行19次变换
    • 其中16次变换由56位密钥的不同排列形式控制
    • 而IBM使用128为秘钥，而DES减少了秘钥长度
  • 最后产生64位的密文块

2）三重DES（Triple-DES）

• 概述：两把密钥对报文做三次 DES加密，克服了DES密钥长度较短的缺点
• 秘钥：112位
  • 因为三次加密中，第一层和第三层秘钥相同，因此秘钥长度 56x2=112位 （而不是56x3）
  • 若只使用两层加密，第2层DES不安全，它对一种称为“中间可遇”的密码分析攻击极为脆弱
• 算法的步骤：
  1. 用密钥 K1 进行 DES加密
  2. 用K2 对步骤(1)的结果进行 DES解密。
  3. 对步骤(2)的结果使用密钥 K 1 进行DES 加密。

3）国际数据加密算法（IDEA）

• International Data Encryption Algorithm
• 秘钥：128位
• 步骤：把明文分成64位的块，进行8轮迭代加密
• 优点：可以用硬件或软件实现、比DES快

4）高级加密标准（AES）

• 全称 Advanced Encryption Standard
• 秘钥：支持支持128、192、256
• 可以通过软件或硬件实现。

1.3 非对称密钥加密算法

1）概述

• 概念：如题，加密密钥和解密密钥是不同的

• 满足的条件

  • D( E ( P ) ) = P
  • 不能由E导出D
  • 选择明文攻击不能破解E

  明文攻击：选择任意明文-密文对以确定未知的密钥

• 加密传输和签名

  • 用公钥加密，私钥解密，可实现保密通信
  • 用私钥加密，公钥解密，可实现数字签名

RSA算法

• 概念：RSA(Rivest Shamir and Adleman) 是一种公钥加密算法
• 基于大素数分解的困难性

  具体方法不用考虑，教材写的错误很多

2. 密钥管理技术

2.1 秘钥的使用控制

两个用户(主机、进程、应用程序)在进行保密通信时，必须拥有一个共享的并且经常更新的秘密密钥

秘钥控制技术：

1）密钥标签

• DES 的密钥控制
  • 将DES的8个校验位作为控制这个密钥的标签
    • 前3位分别代表了该密钥的不：主/会话密钥、加密、解密
  • 缺陷：由于长度限制，且须经解密方能使用，带来了一定的不便性

2）控制矢量

• 概念：
  • 用若干字段说明秘钥在一定环境下，是否允许被使用
  • 由秘钥中心产生，并加入秘钥中
  • 其长度可变

2.2 密钥的分配

1）获得共享秘钥的方式

• 方法一（人工发送）

  • 秘钥选取：A 选取
  • 发送：A ==> B
  • 媒介：物理手段发送
  • 问题：网络中秘钥数目过多

  如网络中N个用户都要求支持加密服务，则每一对用户都需要一个共享秘钥，数目将达到 N(N-1)/2

• 方法二（人工发送）

  • 秘钥选取：第3方选取密钥
  • 发送：第三方 ===> A、B
  • 媒介：物理手段发送
  • 问题：同上

• 方法三

  • 秘钥选取：A选取
  • 发送：A <用已有秘钥加密（新密钥）> ==> B

• 问题：

  • B一旦获得秘钥，则可获得后期秘钥。
  • 网络中秘钥数目过多（同上）

• 方法四：

  • 秘钥选取：由秘钥中心（KDC）选取
  • 发送：
    • KDC == 保密通道A ==> A
    • KDC == 保密通道B ==> B
  • 分配过程
    • KDC有一个共享密钥，即主密钥
    • 通过主密钥分配给每对用户会话密钥
    • 通信结束后立会话秘钥立即销毁
  • KDC的分层结构
    • 每个小范围建立一个本地KDC
    • 不同范围间使用一个全局KDC

2.3 公钥加密体制的密钥管理

1）公开发布

• 概念：指用户将自己的公钥发给每一其他用户，或向某一团体广播
• 缺点：任何人都可以伪造密钥公开发布

2）公用目录表

• 概念：一个公用的公钥动态目录表，由某个可信的实体或组织)承担该共用目录表的建立、维护以及公钥的分布等
• 过程：
  • 管理员
    • 为每个用户在目录表中建立一个目录
    • 每个目录包括：用户名、用户的公开钥
    • 定期公布和更新目录表
  • 用户
    • 使用合法方式向管理者注册自己的公钥
    • 可通过合法手段更新自己的公钥
• 缺点：管理员秘密钥一旦被攻击者获取，所有用户将面临被假冒的危险

3）公钥管理机构

• 与公用目录的区别
  • 由秘钥管理机构维护动态公钥目录
• 过程：
  • 每一个用户都知道管理机构的公钥
  • A向管理机构发出请求
  • 管理机构使用私钥加密，发送给A
  • A 使用管理机构的公钥解密
• 缺点
  • 管理机构容易成为瓶颈
  • 管理机构的公钥目录容易成为攻击目标

4）公钥证书

• 证书形式：CA=ESKCA[T,IDA,PKA]

  • C A则是用户 A 产生的证书
  • ESKCA是 CA 的秘密钥
  • T是当前的时戳
  • IDA是用户A 的身份
  • PKA是 A 的公钥，

• 解决公钥中心成为瓶颈的问题：

  • 用户将自己的公钥通过公钥证书发给另一用户
  • 而接受方则可用 C A的公钥 PKCA对证书加以验证

  如是，通过证书交换用户之间的公钥而无须再与公钥管理机构联系，从而避免了由统一机构管理所带来的不便和安全隐患。

2.4 公钥加密分配单钥密码体制的密钥

• 公钥加密体制的加密速度比较慢，适合单钥密码体制的密钥分配

• 建立共享会话密钥的步骤

  • A 将用B 的公钥加密得到的身份IDA和一个用于唯一标志这个业务的一次性随机数N₁,发往 B
  • 预使A 确定对方是B, 则 B 用 A 的公钥加密N₁和另一新产生的随机数N₂ 因为只有B 能解读①中的加密。
  • A用 B 的公钥 PKB对N₂ 加密后返回给 B , 以使B 相信对方确是A。
  • A 将 M=E_PKB[ESKA[K_S]] 发送给B , 其中K_S为会话密钥，用 B 的公开钥加密是为保证只有B 能解读加密结果，用 A 的秘密钥加密是保证该加密结果只有A 能发送。
  • B 以D_PKA[D_SKB[M]]恢复会话密钥。

• 优点：

  • 保密性和认证性均非常强
  • 既可防止被动攻击，又可防止主动攻击

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