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密码学及公钥基础设施入门

密码

作者： Alex Wood 译者： LCTT Andy Song
学习密码学背后的基本概念，主要是保密性、完整性和身份认证 。
安全通信正快速成为当今互联网的规范 。从 2018 年 7 月起，google Chrome 将对全部使用 HTTP 传输（而不是 HTTPS 传输）的站点开始显示“不安全”警告 。虽然密码学已经逐渐变广为人知，但其本身并没有变得更容易理解 。Let's Encrypt 设计并实现了一套令人惊叹的解决方案，可以提供免费安全证书和周期性续签；但如果不了解底层概念和缺陷，你也不过是加入了类似“货物崇拜cargo cult”的技术崇拜的程序员大军 。
安全通信的特性
密码学最直观明显的目标是保密性confidentiality：消息message传输过程中不会被窥探内容 。为了保密性，我们对消息进行加密：对于给定消息，我们结合一个密钥key生成一个无意义的乱码，只有通过相同的密钥逆转加密过程（即解密过程）才能将其转换为可读的消息 。假设我们有两个朋友 Alice 和 Bob，以及他们的八卦nosy邻居 Eve 。Alice 加密类似 "Eve 很讨厌" 的消息，将其发送给 Bob，期间不用担心 Eve 会窥探到这条消息的内容 。
对于真正的安全通信，保密性是不够的 。假如 Eve 收集了足够多 Alice 和 Bob 之间的消息，发现单词 “Eve” 被加密为 "Xyzzy" 。除此之外，Eve 还知道 Alice 和 Bob 正在准备一个派对，Alice 会将访客名单发送给 Bob 。如果 Eve 拦截了消息并将 “Xyzzy” 加到访客列表的末尾，那么她已经成功的破坏了这个派对 。因此，Alice 和 Bob 需要他们之间的通信可以提供完整性integrity：消息应该不会被篡改 。
而且我们还有一个问题有待解决 。假如 Eve 观察到 Bob 打开了标记为“来自 Alice”的信封，信封中包含一条来自 Alice 的消息“再买一加仑冰淇淋” 。Eve 看到 Bob 外出，回家时带着冰淇淋，这样虽然 Eve 并不知道消息的完整内容，但她对消息有了大致的了解 。Bob 将上述消息丢弃，但 Eve 找出了它并在下一周中的每一天都向 Bob 的邮箱中投递一封标记为“来自 Alice”的信封，内容拷贝自之前 Bob 丢弃的那封信 。这样到了派对的时候，冰淇淋严重超量；派对当晚结束后，Bob 分发剩余的冰淇淋，Eve 带着免费的冰淇淋回到家 。消息是加密的，完整性也没问题，但 Bob 被误导了，没有认出发信人的真实身份 。身份认证Authentication这个特性用于保证你正在通信的人的确是其声称的那样 。
信息安全还有其它特性，但保密性、完整性和身份验证是你必须了解的三大特性 。
加密和加密算法
加密都包含哪些部分呢？首先，需要一条消息，我们称之为明文plaintext 。接着，需要对明文做一些格式上的初始化，以便用于后续的加密过程（例如，假如我们使用分组加密算法block cipher，需要在明文尾部填充使其达到特定长度） 。下一步，需要一个保密的比特序列，我们称之为密钥key 。然后，基于私钥，使用一种加密算法将明文转换为密文ciphertext 。密文看上去像是随机噪声，只有通过相同的加密算法和相同的密钥（在后面提到的非对称加密算法情况下，是另一个数学上相关的密钥）才能恢复为明文 。
（LCTT 译注：cipher 一般被翻译为密码，但其具体表达的意思是加密算法，这里采用加密算法的翻译）
加密算法使用密钥加密明文 。考虑到希望能够解密密文，我们用到的加密算法也必须是可逆的reversible 。作为简单示例，我们可以使用 XOR 。该算子可逆，而且逆算子就是本身（P ^ K = C; C ^ K = P），故可同时用于加密和解密 。该算子的平凡应用可以是一次性密码本one-time pad，不过一般而言并不可行 。但可以将 XOR 与一个基于单个密钥生成任意随机数据流arbitrary stream of random data的函数结合起来 。现代加密算法 AES 和 Chacha20 就是这么设计的 。
我们把加密和解密使用同一个密钥的加密算法称为对称加密算法symmetric cipher 。对称加密算法分为流加密算法stream ciphers和分组加密算法两类 。流加密算法依次对明文中的每个比特或字节进行加密 。例如，我们上面提到的 XOR 加密算法就是一个流加密算法 。流加密算法适用于明文长度未知的情形，例如数据从管道或 socket 传入 。RC4 是最为人知的流加密算法，但在多种不同的攻击面前比较脆弱，以至于最新版本 （1.3）的 TLS （“HTTPS” 中的 “S”）已经不再支持该加密算法 。Efforts 正着手创建新的加密算法，候选算法 ChaCha20 已经被 TLS 支持 。
分组加密算法对固定长度的分组，使用固定长度的密钥加密 。在分组加密算法领域，排行第一的是 先进加密标准Advanced Encryption Standard（AES），使用的分组长度为 128 比特 。分组包含的数据并不多，因而分组加密算法包含一个工作模式，用于描述如何对任意长度的明文执行分组加密 。最简单的工作模式是 电子密码本Electronic Code Book（ECB），将明文按分组大小划分成多个分组（在必要情况下，填充最后一个分组），使用密钥独立的加密各个分组 。


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