3.1.1 密码学发展简况
密码学是一门研究信息安全保护的科学，以实现信息的保密性、完整性、可用性及抗抵赖性。密码学主要由密码编码（加密）和密码分析（解密）两个部分组成。
1949 年，香农发表了著名的论文《保密系统的通信理论》，提出交替使用换位和置换以抵御统计分析，增加了混乱(Confusion)和扩散(Diffusion)的密码技术新方法。
3.1.2 密码学基本概念
密码学的主要目的是保持明文的秘密以防止攻击者获知，而密码分析学则是在不知道密钥的情况下，识别出明文的科学。明文是指需要采用密码技术进行保护的消息。密文是指用密码技术处理过明文的结果。
3.1.3 密码安全性分析
- 唯密文攻击。密码分析者只拥有一个或多个用同一个密钥加密的密文，没有其他可以利用的信息。
- 已知明文攻击。密码分析者仅知道当前密钥下的一些明文及所对应的密文。
- 选择明文攻击。密码分析者能够得到当前密钥下自己选定的明文所对应的密文。（适用于攻击计算机文件系统和数据库系统）
- 密文验证攻击。密码分析者对于任何选定的密文，能够得到该密文“是否合法”的判断。
- 选择密文攻击。除了挑战密文外，密码分析者能够得到任何选定的密文所对应的明文。（主要攻击公开密钥密码体制，特别是数字签名）
3.2 密码体制分类
根据密钥的特点，密码体制分为私钥和公钥密码体制两种，而介于私钥和公钥之间的密码体制称为混合密码体制。
3.2.1 私钥密码体制
私钥密码体制又称为对称密码体制，该体制的特点是加密和解密使用相同的密钥。
私钥密码体制的缺陷可以归结为三点：密钥分配问题、密钥管理问题以及无法认证源。
目前，私钥密码典型算法有DES、IDEA、AES等，其中 DES 是美国早期数据加密标准，现在已经被 AES 取代。
3.2.2 公钥密码体制
公钥密码体制又称为非对称密码体制，其基本原理是在加密和解密的过程中使用不同的密钥处理方式，其中，加密密钥可以公开，而只需要把解密密钥安全存放即可。密码算法即使公开，由加密密钥推知解密密钥也是计算不可行的。
与私钥密码体制相比较，公钥密码体制有以下优点。
1. 密钥分发方便，能以公开方式分配加密密钥。
2. 密钥保管量少。网络中的消息发送方可以共用一个公开加密密钥，从而减少密钥数量，只要接收方的解密密钥保密，就能实现消息的安全性。
3. 支持数字签名。
目前，有三种公钥密码体制类型被证明是安全和有效的，即RSA体制、ELGamal体制及椭圆曲线密码体制。
3.2.3 混合密码体制
混合密码体制利用公钥密码体制分配私钥密码体制的密钥，消息的收发双方共用这个密钥，然后按照私钥密码体制的方式，进行加密和解密运算。
1、消息发送者Harden用对称密钥把需要发送的消息加密
2、Harden用James的公钥将对称密钥加密，形成数字信封
3、Harden将加密消息和数字信封一起传送给James
4、James收到Harden的加密消息和数字信封后，先用自己的私钥将数字信封解开获取对称密钥
5、James使用对称密钥把加密消息解开
3.3 常见密码算法
3.3.1 DES
DES 是一个分组加密算法，能够支持64比特的明文块加密，其密钥长度为56比特。
NIST于1999年10月25日采用三重DES(Triple Data Encryption Algorithm，TDEA)作为过渡期间的国家标准，以增强DES的安全性，并开始征集AES算法。
其中，TDEA算法的工作机制是使用DES对明文进行“加密-解密-加密”操作，即对DES加密后的密文进行解密再加密，而解密则相反。（3DES K1=K3，密钥长度112位，K1,K2,K3不同则密钥长度168位）
3.2.2 IDEA
IDEA (International Data Encryption Algorithm) 是国际数据加密算法的简记，是一个分组加密处理算法，其明文和密文分组都是 64 比特，密钥长度为 128 比特。
3.3.3 AES
3.3.4 RSA
RSA算法是非对称算法。在RSA加密算法中，公钥和私钥都可以用于加密消息，用于加密消息的密钥与用于解密消息的密钥相反。RSA算法提供了一种保护网络通信和数据存储的机密性、完整性、真实性和不可否认性的方法。目前，SSH、OpenPGP、S/MIME和SSL/TLS都依赖于RSA进行加密和数字签名功能。RSA算法在浏览器中使用，能够在不可信任的互联网中建立安全连接。
RSA算法基于大整数因子分解的困难性。
相关数学基础
欧拉函数：对于一个正整数n，小于n且与n互素的正整数的个数，记为φ(n)。
对于一个素数n，可知φ(n) = n-1
对于两个素数p和q，它们的乘积满足n = p * q，则可知φ(n) = (p-1) * (q-1)
欧几里得算法：gcd(a,b)表示a和b的最大公约数
gcd(a,b) = 1，表示a,b最大公约数为1，说明a和b互质
同余：
两个整数a,b，若它们除以整数m所得的余数相等，则称a与b对于模m同余，或a同余b模m
RSA密码体制参数的定义:
1、 随机选择两个大素数p和q (保密)
2、 计算n = p * q (n公开)
3、 计算φ(n) = (p-1) * (q-1) （φ(n)保密）
4、 随机选取一个正整数e，且满足1 < e < φ(n)，并且gcd(e,φ(n)) = 1 （e公开）
5、 根据e * d = 1 mod φ(n)，求出d （d保密）
加密运算:C = Me mod n
解密运算:M = Cd mod n
RSA密码公开的加密钥=<n,e>，保密的解密钥=<p,q,d,φ(n)>
3.3.5 国产密码算法
国产密码算法是指由国家密码研究相关机构自主研发，具有相关知识产权的商用密码算法。目前，已经公布的国产密码算法主要有SM1分组密码算法、SM2椭圆曲线公钥密码算法、SM3密码杂凑算法、SM4分组算法、SM9标识密码算法。
其中，SM1 算法是一种对称加密算法，分组长度为 128 比特，密钥长度为 128 比特。
SM2算法基于椭圆曲线，应用于公钥密码系统。
SM3杂凑算法杂凑值输出长度为 256 比特。
SM4 密码算法是一个分组算法。该算法的分组长度为 128 比特，密钥长度为 128 比特。
SM9 是标识密码算法。SM9 可支持实现公钥加密、密钥交换、数字签名等安全功能。
3.4 Hash函数与数字签名
3.4.1 Hash函数 （不可逆，无碰撞性、雪崩效应）
杂凑函数简称 Hash 函数，它能够将任意长度的信息转换成固定长度的哈希值（又称数字摘要或消息摘要），并且任意不同消息或文件所生成的哈希值是不一样的。令 h 表示函数，则 h 满足下列条件：
1. h的输入可以是任意长度的消息或文件M；
2. h的输出的长度是固定的；
3. 给定 h 和 M ，计算 h(M) 是容易的；
4. 给定 h 的描述，找两个不同的消息 M1和M2，使得h(M1)=h(M2)是计算上不可行的。
3.4.2 Hash算法
常见的Hash算法有MD5、SHA、SM3。
- MD5算法
MD5以512位数据块为单位来处理输入，产生128位的消息摘要，即MD5能产生128比特长度的哈希值。 - SHA算法
SHA同样也以512位数据块为单位来处理输入，产生160位的哈希值，具有比MD5更强的安全性。SHA算法的安全性不断改进，已发布的版本有SHA-2、SHA-3。SHA算法产生的哈希值长度有SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512等。
- SM3国产算法
SM3是国家密码管理局于2010年公布的商用密码杂凑算法标准。该算法消息分组长度为512比特，输出杂凑长度为256比特，采用Merkle-Damgard结构。
3.4.3 数字签名
数字签名（Digital Signature）是指签名者使用私钥对待签名数据的杂凑值做密码运算得到的结果。该结果只能用签名者的公钥进行验证，用于确认待签名数据的完整性、签名者身份的真实性和签名行为的抗抵赖性。数字签名具有与手写签名一样的特点，是可信的、不可伪造的、不可重用的、不可抵赖的以及不可修改的。数字签名至少应满足以下三个条件：
1. 非否认。签名者事后不能否认自己的签名。
2. 真实性。接收者能验证签名，而任何其他人都不能伪造签名。
3. 可鉴别性。当双方关于签名的真伪发生争执时，第三方能解决双方之间发生的争执。
一个数字签名方案一般由签名算法和验证算法组成。签名算法密钥是秘密的，只有签名的人掌握；而验证算法则是公开的，以便他人验证。典型的数字签名方案有RSA签名体制、Rabin签名体制、ElGamal签名体制和DSS标准。
3.5 密码管理与数字证书
3.5.1 密码管理
密码系统的安全性依赖于密码管理。密码管理主要可以分成三个方面的内容，即密钥管理、密码管理政策、密码测评。
- 密钥管理
- 密钥生成。
- 密钥存储。
- 密钥分发。
- 密钥使用。
- 密钥更新。
- 密钥撤销。
- 密钥备份。
- 密钥恢复。
- 密钥销毁。
- 密钥审计。
- 密码管理政策
密码分为核心密码、普通密码和商用密码。核心密码和普通密码用于保护国家秘密信息，属于国家密码。商用密码用于保护不属于国家秘密的信息。
- 密码测评
3.5.2 数字证书
数字证书也称公钥证书，是由证书认证机构（CA）签名的包含公开密钥拥有者信息、公开密钥、签发者信息，有效期以及扩展信息的一种数据结构。
数字证书按类别可分为个人证书、机构证书和设备证书，按用途可分为签名证书和加密证书。其中，签名证书是用于证明签名公钥的的数字证书。加密证书是用于证明加密公钥的数字证书。
当前，为更好地管理数字证书，一般是基于PKI技术建立数字证书认证系统（简称为CA）。CA提供数字证书的申请、审核、签发、查询、发布以及证书吊销等全生命周期的管理服务。数字证书认证系统的构成及部署，主要有目录服务器、OCSP服务器、注册服务器、签发服务器等。
3.6 安全协议
3.6.1 Diffie-Hellman 密钥交换协议
Diffie-Hellman密钥交换协议基于求解离散对数问题的困难性。
3.6.2 SSH
SSH是Secure Shell的缩写，即“安全外壳”，它是基于公钥的安全应用协议，由SSH传输层协议、SSH用户认证协议和SSH连接协议三个子协议组成，各协议分工合作，实现加密、认证、完整性检查等多种安全服务。
SSH传输层协议提供算法协商和密钥交换，并实现服务器的认证。SSH用户认证协议利用传输层的服务来建立连接，使用传统的口令认证、公钥认证、主机认证等多种机制认证用户。
SSH的工作机制共分 7 个步骤：
客户获取服务器的证书(C)
SSH连接请求(C)
初始化连接请求(S)
客户验证服务器公钥(S)
建立DH密钥(双向)
认证用户(双向)
使用SSH Tunnel(双向)
目前，用户为了认证服务器的公钥真实性，有三种方法来实现。第一种，用户直接随身携带含有服务器公钥的拷贝，在进行密钥交换协议前，读入客户计算机；第二种，从公开信道下载服务器的公钥和它对应的指纹后，先通过电话验证服务器的公钥指纹的真实性，然后用HASH软件生成服务器的公钥新指纹，比较下载的指纹和新生成的指纹，若比较结果相同，则表明服务器的公钥是真实的，否则服务器的公钥是虚假的；第三种，通过PKI技术来验证服务器。
