密碼學常用算法的工作原理和特點

現(xiàn)如今，常用的加密算法不外乎私鑰加密方法和公鑰加密方法。私鑰加密方法可以用來保護關(guān)鍵/敏感數(shù)據(jù)。密鑰密文只需一把鑰匙（由通信雙方共享）破解，因此被稱為對稱性密碼設(shè)計學。

1949 年，貝爾實驗室的 Claude Shannon 公布了私鑰加密方法的基本理論。數(shù)十年來的演化已經(jīng)孕育出了很多高質(zhì)量的私鑰加密算法。然而，直到 1975 年，一個名為 DES 的強大私鑰加密方法才得到了廣泛使用。

公鑰/非對稱性密碼設(shè)計學誕生于 20 世紀 70 年代中期。公鑰加密方法需要用到一對密鑰，分別是對外公開的公鑰和相對應(yīng)的由個人持有的私鑰。例如，接收方可以創(chuàng)建一對密鑰，并將公鑰分享給任何想要向 ta 發(fā)送密文的人。發(fā)送方可以使用公鑰加密發(fā)送給接收方的信件，接收方可以用私鑰來解密。

加密算法的強大程度取決于三個主要因素：

基礎(chǔ)設(shè)施 —— 如果相關(guān)密碼設(shè)計主要由軟件實現(xiàn)，那么底層基礎(chǔ)將是最薄弱的環(huán)節(jié)。如果你總是會加密某些信息，那么對黑客來說，最好的做法是黑進你的電腦，在信息被加密前將其偷到手。相比破解密鑰來說，入侵系統(tǒng)或者使用病毒感染系統(tǒng)要容易得多。很多情況下，破解密鑰最簡單的方法是竊聽用戶，并在密鑰被傳入加密程序時進行攔截。

密鑰長度—— 在密碼設(shè)計學中，密鑰長度很重要。如果攻擊者無法安裝按鍵監(jiān)視器（keystroke monitor），那么破解密文的最佳方法就是通過不斷的試錯來暴力破解。實用的加密算法必須將密鑰長度設(shè)定得足夠長，來杜絕暴力破解的可能性。但是，隨著電腦運算速度一年比一年快，密鑰長度的安全閾值也需要一直提高。 專家們承認，小于等于 64 位的密鑰，包括 DES 密鑰在內(nèi)，都很容易被暴力破解。在 1999 年，電子前線基金會（Electronic Frontier Foundation）資助開發(fā)了一種叫做 “Deep Crack” 的設(shè)備，可以在三天以內(nèi)破解一個 DES 加密密鑰。所以現(xiàn)在加密算法的密鑰長度一般都在 100 位以上，少數(shù)算法支持 256 位的密鑰。

算法質(zhì)量 —— 算法質(zhì)量本身是很難評價的，基于一個現(xiàn)有算法去構(gòu)造一個看似可行的算法是很容易的，但只有經(jīng)驗老道的專家仔細檢查才能發(fā)現(xiàn)其中的微妙漏洞。算法中的漏洞會產(chǎn)生 “捷徑”，讓攻擊者可以在暴力搜索攻擊時候跳過大批密鑰。舉個例子，流行的壓縮程序 PKZIP 以前繼承了一個定制的的加密功能，使用 64 位的密鑰。理論上來說，應(yīng)該要 264 嘗試才能試完所有的密鑰。但實際上，有捷徑可走，所以攻擊 PKZIP 加密算法只需 227 次嘗試就能破解密文。發(fā)現(xiàn)這樣漏洞的唯一辦法就是嘗試破解算法，一般來說就是使用對付其它算法的技巧。只有在經(jīng)過這樣的分析和攻擊之后，算法的質(zhì)量才會展現(xiàn)出來，所以，還沒有找出這樣的漏洞，并不代表這個算法永遠不被發(fā)現(xiàn)有漏洞。

算法的類型

DES —— DES 已經(jīng)經(jīng)受住了時間的考驗，多來年出版的研究都證明了其質(zhì)量。經(jīng)過四分之一世紀的研究之后，研究員也只能找出一些猜測式的攻擊方法，而且實用性還不如暴力破解。DES 算法的唯一真實弱點就是它過短的密鑰長度（56 位）。

三重 DES —— 使用 112 位或者 168 位的密鑰連續(xù)三次使用 DES 算法。最終這個算法會比其它有類似強度的算法慢得多，而且，因為計算機還是強大到了能破解這個算法，這一方法已經(jīng)過時了。

AES —— 高級加密標準（AES）支持三種密鑰大小，128 位的、192 位的和 256 位的，而數(shù)據(jù)則按 128 位為一個組。現(xiàn)在 AES 被當成標準，全世界都在使用。

Rijndael 密碼表

DES 是明確設(shè)計為內(nèi)置在硬件中的，從沒考慮過怎么讓它在軟件層面實現(xiàn)。后來，NIST 評估了執(zhí)行效率和存儲需求，保證 AES 能在 C 語言和 Java 語言中工作，既能在工作站中運行，也能在資源更有限的環(huán)境比如嵌入式 ARM 處理器和智能卡中運行。

雖然荷蘭研究院 Vincent Rijman 和 Joan Daemen 發(fā)明的 Rijndael 算法贏得了 NIST 精算，但所有進入 AES 決賽的算法相對比 DES 和 DES 的替代品都顯現(xiàn)出了巨大的進步。所有這些算法都是分組加密（block cipher）算法并且支持 128 位乃至更大的密鑰；沒有一種算法有嚴重的漏洞；最終選擇其實是密碼設(shè)計強度和性能的權(quán)衡。

AES 基于一種叫做 “置換-排列” 的設(shè)計原理，在計算中既有置換，又有排列，無論在軟件層還是硬件層，計算起來都很快。不像其前輩 DES，AES 不使用費斯托密碼（Feistel）原理，AES 是 Rijndael 密碼的一種變種，使用固定的 128 位大小作為輸入，而且支持 128 位、192 位 和 256 位的臨界維數(shù)（critical dimension）。相反，Rijndael 設(shè)計規(guī)范僅指定了輸入組和密鑰的大小都是 32 的倍數(shù)，最小是 128 位，最大是 256 位。

AES 在一個 4×4 的字節(jié)矩陣上操作，這些舉證叫做 “狀態(tài)”。但是 Rijndael 算法的某些版本的輸入組更大，因此矩陣更大。大部分 AES 計算都是在一個特定的有限域內(nèi)完成的。

AES 算法所用的密鑰大小會相應(yīng)決定轉(zhuǎn)換操作的重復(fù)輪數(shù)。對應(yīng)關(guān)系如下：

128 位密鑰對應(yīng) 10 輪重復(fù)

192 位密鑰對應(yīng) 12 輪重復(fù)

256 位密鑰對應(yīng) 14 輪重復(fù)

每一輪都包含幾個處理步驟，而每個步驟都包含 4 個相似大不同的階段，其中包括取決于加密密鑰本身的一個結(jié)算。在解密的時候，需要用同一把密鑰來反向重復(fù)操作、將密文恢復(fù)成原文。

量子密碼學

上面這個圖示說明了量子密鑰分發(fā)方案（BB84 協(xié)議），它實現(xiàn)了一種包含量子力學的密碼學協(xié)議，能夠保證安全通信。它讓通信雙方可以生成一個共享的隨機密鑰（是個對稱密鑰），這個密鑰只有他們雙方才知道，因此可以用于加解密消息。量子力學是一組描述組成宇宙的光子、電子和其它粒子運動規(guī)律的科學定律。

業(yè)界一直在盡最大努力尋找能夠抵抗黑客攻擊的最高安全手段，而新一代的密碼設(shè)計學已經(jīng)從數(shù)學轉(zhuǎn)向物理學。量子力學科學家已經(jīng)進入密碼學的世界了，這些科學家希望利用量子力學的原理來發(fā)送無法被黑的消息。這就是 “量子密碼學” 的大概，它是在過去這幾十年里才成長起來的。

量子密碼學將自己的根扎在量子物理學中。組成我們這個宇宙的基本粒子具有內(nèi)在的不確定性，可能同時存在于此處或彼處，也可以有不止一種狀態(tài)。只有在撞上一個物體或者被測量時，它們才會顯現(xiàn)出運動現(xiàn)象。

密碼設(shè)計學是信息安全的一個迷人領(lǐng)域，也是最復(fù)雜的學科之一。不過，我們從簡單的凱撒密碼和波利比烏斯密碼介紹到多輪加密的 DES 和 AES 算法，相信讀者會覺得理解起密碼算法的概念來不那么復(fù)雜了。