密码是来自一种什么样的技术

⑴ 密码是什么

据网络知识解释：密码是一种用来混淆的技术，它希望将正常的(可识别的)信息转变为无法识别的信息。当然，对一小部分人来说，这种无法识别的信息是可以再加工并恢复的。密码在中文里是"口令"(password)的通称。登录网站、电子邮箱和银行取款时输入的"密码"其实严格来讲应该仅被称作"口令"，因为它不是本来意义上的"加密代码"，但是也可以称为秘密的号码。主要限定于个别人理解(如一则电文)的符号系统。如密码电报、密码式打字机。
中国是世界上最早使用密码的国家之一。而最难破解的"密电码"也是中国人发明的。
密码组成
密码是按特定法则编成，用以对通信双方的信息进行明密变换的符号。换而言之，密码是隐蔽了真实内容的黑客密码符号序列。就是把用公开的、标准的信息编码表示的信息通过一种变换手段，将其变为除通信双方以外其他人所不能读懂的信息编码，这种独特的信息编码就是密码。
密码是一门科学，有着悠久的历史。密码在古代就被用于传递秘密消息。在近代和现代战争中，传递情报和指挥战争均离不开密码，外交斗争中也离不开密码。密码一般用于信息通信传输过程中的保密和存储中的保密。随着计算机和信息技术的发展，密码技术的发展也非常迅速，应用领域不断扩展。密码除了用于信息加密外，也用于数据信息签名和安全认证。这样，密码的应用也不再只局限于为军事、外交斗争服务，它也广泛应用在社会和经济活动中。当今世界已经出现了密码应用的社会化和个人化趋势。例如:可以将密码技术应用在电子商务中，对网上交易双方的身份和商业信用进行识别，防止网上电子商务中的"黑客"和欺诈行为;应用于增值税发票中，可以防伪、防篡改，杜绝了各种利用增值税发票偷、漏、逃、骗国家税收的行为，并大大方便了税务稽查;应用于银行支票鉴别中，可以大大降低利用假支票进行金融诈骗的金融犯罪行为;应用于个人移动通信中，大大增强了通信信息的保密性等等。

⑵ 常见密码技术简介

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密码技术在网络传输安全上的应用

随着互联网电子商务和网络支付的飞速发展，互联网安全已经是当前最重要的因素之一。作为一名合格的软件开发工程师，有必要了解整个互联网是如何来保证数据的安全传输的，本篇文章对网络传输安全体系以及涉及到的算法知识做了一个简要的介绍，希望大家能够有一个初步的了解。

###密码技术定义

简单的理解，密码技术就是编制密码和破译密码的一门技术，也即是我们常说的加密和解密。常见的结构如图：

其中涉及到的专业术语：

1.秘钥：分为加密秘钥和解密秘钥，两者相同的加密算法称为对称加密，不同的称为非对称加密；

2.明文：未加密过的原文信息，不可以被泄露；

3.密文：经过加密处理后的信息，无法从中获取有效的明文信息；

4.加密：明文转成密文的过程，密文的长度根据不同的加密算法也会有不同的增量；

5.解密：密文转成明文的过程；

6.加密/解密算法：密码系统使用的加密方法和解密方法；

7.攻击：通过截获数据流、钓鱼、木马、穷举等方式最终获取秘钥和明文的手段。

###密码技术和我们的工作生活息息相关

在我们的日常生活和工作中，密码技术的应用随处可见，尤其是在互联网系统上。下面列举几张比较有代表性的图片，所涉及到的知识点后面都会一一讲解到。

1.12306旧版网站每次访问时，浏览器一般会提示一个警告，是什么原因导致的？ 这样有什么风险呢？

2.360浏览器浏览HTTPS网站时，点开地址栏的小锁图标会显示加密的详细信息，比如网络的话会显示```AES_128_GCM、ECDHE_RSA```，这些是什么意思？

3.在Mac系统的钥匙串里有很多的系统根证书，展开后有非常多的信息，这些是做什么用的？

4.去银行开通网上支付都会附赠一个U盾，那U盾有什么用呢？

##如何确保网络数据的传输安全

接下来我们从实际场景出发，以最常见的客户端Client和服务端Server传输文件为例来一步步了解整个安全体系。

####1. 保密性

首先客户端要把文件送到服务端，不能以明文形式发送，否则被黑客截获了数据流很容易就获取到了整个文件。也就是文件必须要确保保密性，这就需要用到对称加密算法。 

** 对称加密： **加密和解密所使用的秘钥相同称为对称加密。其特点是速度快、效率高，适用于对较大量的数据进行加密。常见的对称加密算法有DES、3DES、AES、TDEA、RC5等，让我们了解下最常见的3DES和AES算法：

** DES(Data Encryption Standard)： **1972年由美国IBM研制，数学原理是将明文以8字节分组（不足8位可以有不同模式的填充补位），通过数学置换和逆置换得到加密结果，密文和明文长度基本相同。秘钥长度为8个字节，后有了更安全的一个变形，使用3条秘钥进行三次加密，也就是3DES加密。

**3DES：**可以理解为对明文进行了三次DES加密，增强了安全程度。

** AES(Advanced Encryption Standard)： **2001年由美国发布，2002年成为有效标准，2006年成为最流行的对称加密算法之一。由于安全程度更高，正在逐步替代3DES算法。其明文分组长度为16字节，秘钥长度可以为16、24、32(128、192、256位)字节，根据秘钥长度，算法被称为AES-128、AES-192和AES-256。

对称加密算法的入参基本类似，都是明文、秘钥和模式三个参数。可以通过网站进行模拟测试：[http://tool.chacuo.net/crypt3des]()。其中的模式我们主要了解下ECB和CBC两种简单模式，其它有兴趣可自行查阅。

** ECB模式(Electronic Codebook Book)： **这种模式是将明文分成若干小段，然后对每一段进行单独的加密，每一段之间不受影响，可以单独的对某几段密文进行解密。

** CBC模式(Cipher Block Chaining)： **这种模式是将明文分成若干小段，然后每一段都会和初始向量(上图的iv偏移量)或者上一段的密文进行异或运算后再进行加密，不可以单独解密某一断密文。

 ** 填充补位： **常用为PKCS5Padding，规则为缺几位就在后面补几位的所缺位数。，比如明文数据为```/x01/x01/x01/x01/x01/x01```6个字节，缺2位补```/x02```，补完位```/x01/x01/x01/x01/x01/x01/x02/x02```。解密后也会按照这个规则进行逆处理。需要注意的是：明文为8位时也需要在后面补充8个```/x08```。

####2. 真实性

客户端有了对称秘钥，就需要考虑如何将秘钥送到服务端，问题跟上面一样：不能以明文形式直接传输，否则还是会被黑客截获到。这里就需要用到非对称加密算法。

** 非对称加密： **加密和解密秘钥不同，分别称为公开秘钥(publicKey)和私有秘钥(privateKey)。两者成对出现，公钥加密只能用私钥解密，而私钥加密也只能用公钥加密。两者不同的是：公钥是公开的，可以随意提供给任何人，而私钥必须保密。特点是保密性好，但是加密速度慢。常见的非对称加密算法有RSA、ECC等；我们了解下常见的RSA算法：

** RSA(Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman)： **1977年由麻省理工学院三人提出，RSA就是他们三个人的姓氏开头字母拼在一起组成的。数学原理是基于大数分解。类似于```100=20x5```，如果只知道100的话，需要多次计算才可以试出20和5两个因子。如果100改为极大的一个数，就非常难去试出真正的结果了。下面是随机生成的一对公私钥:

这是使用公钥加密后结果：

RSA的这种特性就可以保证私钥持有者的真实性，客户端使用公钥加密文件后，黑客就算截获到数据因为没有私钥也是无法解密的。

** Tips： **

+** 不使用对称加密，直接用RSA公私钥进行加密和解密可以吗？ **

答案：不可以，第一是因为RSA加密速度比对称加密要慢几十倍甚至几百倍以上，第二是因为RSA加密后的数据量会变大很多。

+** 由服务端生成对称秘钥，然后用私钥加密，客户端用公钥解密这样来保证对称秘钥安全可行吗？ **

答案：不可行，因为公钥是公开的，任何一个人都可以拿到公钥解密获取对称秘钥。

####3. 完整性

当客户端向服务端发送对称秘钥加密后的文件时，如果被黑客截获，虽然无法解密得到对称秘钥。但是黑客可以用服务端公钥加密一个假的对称秘钥，并用假的对称秘钥加密一份假文件发给服务端，这样服务端会仍然认为是真的客户端发送来的，而并不知道阅读的文件都已经是掉包的了。

这个问题就需要用到散列算法，也可以译为Hash。常见的比如MD4、MD5、SHA-1、SHA-2等。

** 散列算法(哈希算法)： **简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。而且该过程是不可逆的，无法通过摘要获得原文。

** SHA-1(Secure Hash Algorithm 1)： **由美国提出，可以生成一个20字节长度的消息摘要。05年被发现了针对SHA-1的有效攻击方法，已经不再安全。2010年以后建议使用SHA-2和SHA-3替代SHA-1。

** SHA-2(Secure Hash Algorithm 2)： **其下又分为六个不同算法标准：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA512/256。其后面数字为摘要结果的长度，越长的话碰撞几率越小。SHA-224的使用如下图：

客户端通过上面的散列算法可以获取文件的摘要消息，然后用客户端私钥加密后连同加密的文件发给服务端。黑客截获到数据后，他没有服务端私钥无法获取到对称秘钥，也没有客户端私钥无法伪造摘要消息。如果再像上面一样去掉包文件，服务端收到解密得到摘要消息一对比就可以知道文件已经被掉包篡改过了。

这种用私钥对摘要消息进行加密的过程称之为数字签名，它就解决了文件是否被篡改问题，也同时可以确定发送者身份。通常这么定义：

** 加密： **用公钥加密数据时称为加密。

** 签名： **用私钥加密数据时称为签名。

####4. 信任性

我们通过对称加密算法加密文件，通过非对称加密传输对称秘钥，再通过散列算法保证文件没被篡改过和发送者身份。这样就安全了吗？

答案是否定的，因为公钥是要通过网络送到对方的。在这期间如果出现问题会导致客户端收到的公钥并不一定是服务端的真实公钥。常见的** 中间人攻击 **就是例子：

** 中间人攻击MITM(Man-in-the-MiddleAttack)： **攻击者伪装成代理服务器，在服务端发送公钥证书时，篡改成攻击者的。然后收到客户端数据后使用攻击者私钥解密，再篡改后使用攻击者私钥签名并且将攻击者的公钥证书发送给服务器。这样攻击者就可以同时欺骗双方获取到明文。

这个风险就需要通过CA机构对公钥证书进行数字签名绑定公钥和公钥所属人，也就是PKI体系。

** PKI(Privilege Management Infrastructure)： **支持公钥管理并能支持认证、加密、完整性和可追究性的基础设施。可以说整个互联网数据传输都是通过PKI体系进行安全保证的。

** CA(Certificate Authority)： **CA机构就是负责颁发证书的，是一个比较公认的权威的证书发布机构。CA有一个管理标准：WebTrust。只有通过WebTrust国际安全审计认证，根证书才能预装到主流的浏览器而成为一个全球可信的认证机构。比如美国的GlobalSign、VeriSign、DigiCert，加拿大的Entrust。我国的CA金融方面由中国人民银行管理CFCA，非金融CA方面最初由中国电信负责建设。

CA证书申请流程：公司提交相应材料后，CA机构会提供给公司一张证书和其私钥。会把Issuer,Public key,Subject,Valid from,Valid to等信息以明文的形式写到证书里面，然后用一个指纹算法计算出这些数字证书内容的一个指纹，并把指纹和指纹算法用自己的私钥进行加密。由于浏览器基本都内置了CA机构的根证书，所以可以正确的验证公司证书指纹（验签），就不会有安全警告了。

但是：所有的公司其实都可以发布证书，甚至我们个人都可以随意的去发布证书。但是由于浏览器没有内置我们的根证书，当客户端浏览器收到我们个人发布的证书后，找不到根证书进行验签，浏览器就会直接警告提示，这就是之前12306打开会有警告的原因。这种个人发布的证书，其实可以通过系统设置为受信任的证书去消除这个警告。但是由于这种证书机构的权威性和安全性难以信任，大家最好不要这么做。

我们看一下网络HTTPS的证书信息：

其中比较重要的信息：

签发机构：GlobalSign Root CA；

有效日期：2018-04-03到2019-05-26之间可用；

公钥信息：RSA加密，2048位；

数字签名：带 RSA 加密的 SHA-256 ( 1.2.840.113549.1.1.11 )

绑定域名：再进行HTTPS验证时，如果当前域名和证书绑定域名不一致，也会出现警告；

URI：在线管理地址。如果当前私钥出现了风险，CA机构可以在线吊销该证书。

####5. 不可抵赖性

看起来整个过程都很安全了，但是仍存在一种风险：服务端签名后拒不承认，归咎于故障不履行合同怎么办。

解决方法是采用数字时间戳服务：DTS。

** DTS(digital time-stamp)： **作用就是对于成功的电子商务应用，要求参与交易各方不能否认其行为。一般来说，数字时间戳产生的过程为：用户首先将需要加时间戳的文件用Hash算法运算形成摘要，然后将该摘要发送到DTS。DTS在加入了收到文件摘要的日期和事件信息后再对该文件进行数字签名，然后送达用户。

####6. 再次认证

我们有了数字证书保证了身份的真实性，又有了DTS提供的不可抵赖性。但是还是不能百分百确定使用私钥的就是合法持有者。有可能出现被别人盗用私钥进行交易的风险。

解决这个就需要用到强口令、认证令牌OTP、智能卡、U盾或生物特征等技术对使用私钥的当前用户进行认证，已确定其合法性。我们简单了解下很常见的U盾。

** USB Key(U盾)： **刚出现时外形比较像U盘，安全性能像一面盾牌，取名U盾。其内部有一个只可写不可读的区域存储着用户的私钥(也有公钥证书)，银行同样也拥有一份。当进行交易时，所有涉及到私钥的运算都在U盾内部进行，私钥不会泄露。当交易确认时，交易的详细数据会显示到U盾屏幕上，确认无误后通过物理按键确认就可以成功交易了。就算出现问题黑客也是无法控制U盾的物理按键的，用户可以及时取消避免损失。有的U盾里面还有多份证书，来支持国密算法。

** 国密算法： **国家密码局针对各种算法制定了一些列国产密码算法。具体包括：SM1对称加密算法、SM2公钥算法、SM3摘要算法、SM4对称加密算法、ZUC祖冲之算法等。这样可以对国产固件安全和数据安全进行进一步的安全控制。

## HTTPS分析

有了上面的知识，我们可以尝试去分析下HTTPS的整个过程，用Wireshark截取一次HTTPS报文：

Client Hello: 客户端发送Hello到服务端443端口，里面包含了随机数、客户端支持的加密算法、客户端的TLS版本号等；

Server Hello: 服务端回应Hello到客户端，里面包含了服务端选择的加密套件、随机数等；

Certificate： 服务端向客户端发送证书

服务端计算对称秘钥：通过ECDH算法得到对称秘钥

客户端计算对称秘钥：通过ECDH算法得到对称秘钥

开始用对称秘钥进行加密传输数据

其中我们又遇到了新的算法：DH算法

** DH(Diffie-Hellman)： **1976年由Whitefield与Martin Hellman提出的一个奇妙的秘钥交换协议。这个机制的巧妙在于可以通过安全的方式使双方获得一个相同的秘钥。数学原理是基于原根的性质，如图：

*** DH算法的用处不是为了加密或解密消息，而是用于通信双方安全的交换一个相同的秘钥。 ***

** ECDH： **基于ECC(椭圆曲线密码体制)的DH秘钥交换算法，数学原理是基于椭圆曲线上的离散对数问题。

** ECDHE： **字面少了一个E，E代表了临时。在握手流程中，作为服务器端，ECDH使用证书公钥代替Pb，使用自身私钥代替Xb。这个算法时服务器不发送server key exchange报文，因为发送certificate报文时，证书本身就包含了Pb信息。

##总结

| 算法名称  | 特点 | 用处 | 常用算法名 |

| --- | :--- | :---: | ---: |

| 对称加密  | 速度快，效率高| 用于直接加密文件 | 3DES、AES、RC4 |

| 非对称加密  | 速度相对慢，但是确保安全 | 构建CA体系 | RSA、ECC |

| 散列算法 | 算出的摘要长度固定，不可逆 | 防止文件篡改 | SHA-1、SHA-2 |

| DH算法 | 安全的推导出对称秘钥 | 交换对称秘钥 | ECDH |

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⑶ 密码学基础

​ 密码学是研究如何保护信息安全性的一门科学，涉及数学、物理、计算机、信息论、编码学、通讯技术等学科，已经在生活中得到广泛应用。

​ 密码学组成分支分为编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行编码，实现信息的隐蔽。密码分析学主要研究加密消息的破译或消息的伪造。二者相互独立，又相互依存，在矛盾与斗争中发展，对立统一。

​ 密码学的发展历史大致可划分为三个阶段：

机密性

仅有发送方和指定的接收方能够理解传输的报文内容。窃听者可以截取到加密了的报文，但不能还原出原来的信息，即不能得到报文内容。

鉴别

发送方和接收方都应该能证实通信过程所涉及的另一方， 通信的另一方确实具有他们所声称的身份。即第三者不能冒充跟你通信的对方，能对对方的身份进行鉴别。

报文完整性

即使发送方和接收方可以互相鉴别对方，但他们还需要确保其通信的内容在传输过程中未被改变。

不可否认性

如果人们收到通信对方的报文后，还要证实报文确实来自所宣称的发送方，发送方也不能在发送报文以后否认自己发送过报文。

​ 密码体制是一个使通信双方能进行秘密通信的协议。密码体制由五要素组成，P（Plaintext明文集合），C（Ciphertext密文集合），K（Key密钥集合），E（Encryption加密算法），D（Decryption解密算法），且满足如下特性： 

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-1"> p ∈ P </script>

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-2"> c ∈ C </script>

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-3"> k1 ∈ K， k2 ∈ K </script>

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-6"> E_{k1}(p) = c，D_{k2}(c) = p </script>

​ 无论是用手工或机械完成的古典密码体制，还是采用计算机软件方式或电子电路的硬件方式完成的现代密码体制，其加解密基本原理都是一致的。都是基于对明文信息的替代或置换，或者是通过两者的结合运用完成的。

​ 替代（substitution cipher）：有系统地将一组字母换成其他字母或符号;

​ 例如‘help me’变成‘ifmq nf’（每个字母用下一个字母取代）。

​ 置换（Transposition cipher）：不改变字母，将字母顺序重新排列；

​ 例如‘help me’变成‘ehpl em’（两两调换位置）。

​ 密码分析者通常利用以下几种方法对密码体制进行攻击：

​ 已知明文分析法： 

知道一部分明文和其对应的密文，分析发现秘钥。

​ 选定明文分析法： 

设法让对手加密自己选定的一段明文，并获得对应的密文，在此基础上分析发现密钥。

​ 差别比较分析法: 

设法让对方加密一组差别细微的明文，通过比较他们加密后的结果来分析秘钥。

​ 无条件安全： 

无论破译者的计算能力有多强，无论截获多少密文，都无法破译明文。

​ 计算上安全：

​ 破译的代价超出信息本身的价值，破译所需的时间超出信息的有效期。

​ 任何密码系统的应用都需要在安全性和运行效率之间做出平衡，密码算法只要达到计算安全要求就具备了实用条件，并不需要实现理论上的绝对安全。1945年美国数学家克劳德·E·香农在其发布的《密码学的数学原理》中，严谨地证明了一次性密码本或者称为“弗纳姆密码”（Vernam）具有无条件安全性。但这种绝对安全的加密方式在实际操作中需要消耗大量资源，不具备大规模使用的可行性。事实上，当前得到广泛应用的密码系统都只具有计算安全性。

​ 一个好的密码体制应该满足以下两个条件：

在已知明文和密钥的情况下，根据加密算法计算密文是容易的；在已知密文和解密密钥的情况下，计算明文是容易的。

在不知道解密密钥的情况下，无法从密文计算出明文，或者从密文计算出明文的代价超出了信息本身的价值。

常见的密码算法包括:

​ 对称密码体制也称单钥或私钥密码体制，其加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同， 即从一个易于推出另一个。

​ 优点：保密性高，加密速度快，适合加密大量数据，易于通过硬件实现； 

缺点：秘钥必须通过安全可靠的途径传输，秘钥的分发是保证安全的关键因素；

​ 常见对称密码算法：DES (密钥长度=56位)、3DES( 三个不同的密钥，每个长度56位)、AES(密钥长度128/192/256可选)、IDEA(密钥长度128位)、RC5(密钥长度可变)。

​ 根据加密方式的不同，对称密码又可以分为分组密码和序列密码。

​ 将明文分为固定长度的组，用同一秘钥和算法对每一块加密，输出也是固定长度的密文，解密过程也一样。

​ 又称为流密码，每次加密一位或一字节的明文，通过伪随机数发生器产生性能优良的伪随机序列（密钥流），用该序列加密明文消息序列，得到密文序列，解密过程也一样。

​ 非对称密码体制又称双钥或公钥密码体制，其加密密钥和解密密钥不同，从一个很难推出另一个。其中的加密密钥可以公开，称为公开密钥，简称公钥；解密密钥必须保密，称为私有密钥，简称私钥。

​ 优点：密钥交换可通过公开信道进行，无需保密。既可用于加密也可用于签名。 

缺点：加密速度不如对称密码，不适合大量数据加密，加密操作难以通过硬件实现。

​ 非对称密码体制不但赋予了通信的保密性，还提供了消息的认证性，无需实现交换秘钥就可通过不安全信道安全地传递信息，简化了密钥管理的工作量，适应了通信网的需要，为保密学技术应用于商业领域开辟了广阔的前景。

​ 常见的非对称密码算法：RSA(基于大整数质因子分解难题)、ECC(基于椭圆曲线离散对数难题)。

对非对称密码的误解 

非对称密码比对称密码更安全？ 

任何一种算法的安全都依赖于秘钥的长度、破译密码的工作量，从抗分析的角度看，没有哪一方更优越；

​ 非对称密码使对称密码成为过时技术？ 

公钥算法很慢，一般用于密钥管理和数字签名，对称密码将长期存在，实际工程中采用对称密码与非对称密码相结合。

​ 哈希函数将任意长的消息映射为一个固定长度的散列值，也称消息摘要。消息摘要可以作为认证符，完成消息认证。 

哈希是单向函数，从消息摘要来推理原消息是极为困难的。哈希函数的安全性是由发生碰撞的概率决定的。如果攻击者能轻易构造出两个不同的消息具有相同的消息摘要，那么这样的哈希函数是不可靠的。

​ 常见的哈希函数有：MD5，SHA1，HMAC。

​ 数字签名是公钥密码的典型应用，可以提供和现实中亲笔签名相似的效果，在技术上和法律上都有保证。是网络环境中提供消息完整性，确认身份，保证消息来源（抗抵赖性）的重要技术。

​ 数字签名与验证过程：

​ 发送方用哈希函数从报文文本中生成一个128位的散列值（或报文摘要），发送方用自己的私钥对这个散列值进行加密来形成自己的数字签名。然后，这个数字签名将作为报文的附件和报文一起发送给接收方。接收方收到报文后，用同样的哈希函数从原始报文中计算出散列值（或报文摘要），接着再用发送方的公钥来对报文附加的数字签名进行解密得出另一个散列值，如果两个散列值相同，那么接收方就能确认该数字签名是发送方的。通过数字签名能够实现消息的完整性和不可抵赖性。 

​ 在网络安全中，密钥的地位举足轻重

。如何安全可靠、迅速高效地分配密钥、管理密钥一直是密码学领域中的重要问题。

​ 密钥生成可以通过在线或离线的交互协商方式实现，如密码协议等 。密钥长度应该足够长。一般来说，密钥长度越大，对应的密钥空间就越大，攻击者使用穷举猜测密码的难度就越大。选择密钥时，应该避免选择弱密钥，大部分密钥生成算法采用随机过程或伪随机过程生成密钥。

​ 采用对称加密算法进行保密通信，需要共享同一密钥。通常是系统中的一个成员先选择一个秘密密钥，然后将它传送另一个成员或别的成员。X9.17标准描述了两种密钥：密钥加密密钥和数据密钥。密钥加密密钥加密其它需要分发的密钥；而数据密钥只对信息流进行加密。密钥加密密钥一般通过手工分发。为增强保密性，也可以将密钥分成许多不同的部分然后用不同的信道发送出去。

​ 密钥附着一些检错和纠错位来传输，当密钥在传输中发生错误时，能很容易地被检查出来，并且如果需要，密钥可被重传。接收端也可以验证接收的密钥是否正确。发送方用密钥加密一个常量，然后把密文的前2-4字节与密钥一起发送。在接收端，做同样的工作，如果接收端解密后的常数能与发端常数匹配，则传输无错。

​ 当密钥需要频繁的改变时，频繁进行新的密钥分发的确是困难的事，一种更容易的解决办法是从旧的密钥中产生新的密钥，有时称为密钥更新。可以使用单向函数进行更新密钥。如果双方共享同一密钥，并用同一个单向函数进行操作，就会得到相同的结果。

​ 密钥可以存储在脑子、磁条卡、智能卡中。也可以把密钥平分成两部分，一半存入终端一半存入ROM密钥。还可采用类似于密钥加密密钥的方法对难以记忆的密钥进行加密保存。

​ 密钥的备份可以采用密钥托管、秘密分割、秘密共享等方式。

​ 密钥托管：

​ 密钥托管要求所有用户将自己的密钥交给密钥托管中心，由密钥托管中心备份保管密钥（如锁在某个地方的保险柜里或用主密钥对它们进行加密保存），一旦用户的密钥丢失（如用户遗忘了密钥或用户意外死亡），按照一定的规章制度，可从密钥托管中心索取该用户的密钥。另一个备份方案是用智能卡作为临时密钥托管。如Alice把密钥存入智能卡，当Alice不在时就把它交给Bob，Bob可以利用该卡进行Alice的工作，当Alice回来后，Bob交还该卡，由于密钥存放在卡中，所以Bob不知道密钥是什么。

​ 秘密分割：

​ 秘密分割把秘密分割成许多碎片，每一片本身并不代表什么，但把这些碎片放到一块，秘密就会重现出来。

​ 秘密共享：

​ 将密钥K分成n块，每部分叫做它的“影子”，知道任意m个或更多的块就能够计算出密钥K，知道任意m-1个或更少的块都不能够计算出密钥K。秘密共享解决了两个问题：一是若密钥偶然或有意地被暴露，整个系统就易受攻击；二是若密钥丢失或损坏，系统中的所有信息就不能用了。

​ 加密密钥不能无限期使用，有以下有几个原因：密钥使用时间越长，它泄露的机会就越大；如果密钥已泄露，那么密钥使用越久，损失就越大；密钥使用越久，人们花费精力破译它的诱惑力就越大——甚至采用穷举攻击法。

​ 不同密钥应有不同有效期。数据密钥的有效期主要依赖数据的价值和给定时间里加密数据的数量。价值与数据传送率越大所用的密钥更换越频繁。如密钥加密密钥无需频繁更换，因为它们只是偶尔地用作密钥交换，密钥加密密钥要么被记忆下来，要么保存在一个安全地点，丢失该密钥意味着丢失所有的文件加密密钥。

​ 公开密钥密码应用中的私钥的有效期是根据应用的不同而变化的。用作数字签名和身份识别的私钥必须持续数年（甚至终身），用作抛掷硬币协议的私钥在协议完成之后就应该立即销毁。即使期望密钥的安全性持续终身，两年更换一次密钥也是要考虑的。旧密钥仍需保密，以防用户需要验证从前的签名。但是新密钥将用作新文件签名，以减少密码分析者所能攻击的签名文件数目。

​ 如果密钥必须替换，旧钥就必须销毁，密钥必须物理地销毁。

​ PKI是一个利用公钥加密技术为密钥和证书的管理，所设计的组件、功能子系统、操作规程等的集合，它的主要任务是管理密钥和证书，为网络用户建立安全通信信任机制。

​ 数字证书是一个包含用户身份信息、公钥信息、证书认证中心(CA)数字签名的文件。

​ 作用：数字证书是各类终端实体和最终用户在网上进行信息交流及商业活动的身份证明，在电子交易的各个缓解，交易的各方都需要验证对方数字证书的有效性，从而解决相互间的信任问题。

​ CA全称Certificate Authentication，是具备权威性的数字证书申请及签发机构。

​ CA作为PKI的核心部分，主要由注册服务器组、证书申请受理和审核机构、认证中心服务器三者组成。

​ 注册服务器：通过 Web Server 建立的站点，可为客户提供24×7 不间断的服务。客户在网上提出证书申请和填写相应的证书申请表。

​ 证书申请受理和审核机构：负责证书的申请和审核。

认证中心服务器：是数字证书生成、发放的运行实体，同时提供发放证书的管理、证书废止列表（CRL）的生成和处理等服务。

​ 通过CA可以实现以下功能：

​ 1. 接收验证最终用户数字证书的申请； 

2. 确定是否接受最终用户数字证书的申请和审批； 

3. 向申请者颁发、拒绝颁发数字证书； 

4. 接收、处理最终用户数字证书的更新； 

5. 接受最终用户数字证书的查询、撤销； 

6. 产生和发布CRL（证书废止列表）； 

7. 数字证书的归档； 

8. 密钥归档； 

9. 历史数据归档；

五、量子密码

5.1 量子计算

​ 由于量子计算技术取得了出人意料的快速发展，大量仅能抵御经典计算机暴力破解的密码算法面临被提前淘汰的困境 。

​ 非对称密码系统有效解决了对称密码面临的安全密钥交换问题，因而广泛应用于公钥基础设施、数字签名、联合授权、公共信道密钥交换、安全电子邮件、虚拟专用网以及安全套接层等大量网络通信活动之中。不幸的是，随着量子计算的发展，包括RSA密码、ECC密码以及DH密钥交换技术等非对称密码算法已经从理论上被证明彻底丧失了安全性。相对于对称密码系统还可以采取升级措施应对量子威胁，非对称密码系统必须采取全新方法进行重建 。

5.2 量子密码

​ 量子密码是以量子力学和密码学为基础，利用量子物理学中的原理实现密码体制的一种新型密码体制，与当前大多使用的经典密码体制不一样的是，量子密码利用信息载体的物理属性实现。目前量子密码用于承载信息的载体包括光子、压缩态光信号、相干态光信号等。

​ 由于量子密码体制的理论基础是量子物理定理，而物理定理是物理学家经过多年的研究与论证得出的结论，有可靠的理论依据，且不论在何时都是不会改变的，因此，理论上，依赖于这些物理定理的量子密码也是不可攻破的，量子密码体制是一种无条件安全的密码体制。

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