密码学杂谈 - 上

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安全防护

最近做软件的商业license设计，又一次对密码学进行了一些学习和了解，整理形成本文的笔记。密码学比较复杂，我了解有限，所以不打算深入介绍，仅仅针对涉及的几个应用场景进行介绍。

我们使用密码学，个人认为是应对安全防护上的三个概念: 防窃听，防伪造，防篡改，这是安全防护的主要目的。

防窃听是指防止信息在传递过程中被第三方读取。明信片在邮递过程中，信息可以被任何接触到的人看到，信息就泄露了。解决这个问题，最简单的办法，加一个密封的信封。这样信息在传递过程中就是安全的，其它人看不到。

防伪造是指防止信息的来源被第三方伪造。传统的信件防伪方法有印章，比如在圣旨上盖个大印，宣布发布者的身份，避免伪传圣旨。

防篡改是指防止信息被第三方修改。传统的方法是使用蜡丸/火漆来包装信息，完整的蜡丸/火漆表示信息未被修改。篡改信息的知名故事有“传位于四(十四)阿哥”的康熙遗旨事件。

安全防护的防泄露，防伪造，防篡改在不同的场景中有不同的需求，可以单独应用也可以结合使用。

网络中防窃听的方法是发送方把原文信息进行数字加密，传输密文，接收方只有使用秘钥才可以解开，保证信息的私密性。防伪造的方法是数字签名，发送方给信息附加一个数字签名，表明信息来源的真实性。防篡改的方式是数字摘要，对信息形成一个唯一的摘要，任何微小的原文修改都会导致数字摘要变化，从而保证信息的完整性。总结如下表:

安全防护 目的 措施
防窃听 信息的私密性 加密
防伪造 信息来源真实性 签名
防篡改 信息的完整性 摘要

加密和签名

加密和解密是一个对称操作，使用秘钥对原文进行加密得到密文，再使用同一秘钥对密文进行解密得到原文。

这种使用 唯一秘钥 的加密方式叫做 对称加密 。对称加密执行效率很高，但是在网络中如何安全的传输秘钥是个问题？秘钥无法安全传输，加密就达不到防护效果。

下面是使用openssl工具进行对称加密的演示:

# echo "123abc" | openssl enc -e -aes-128-cbc -pass pass:game404 -base64 -md sha1
U2FsdGVkX1+wwmevh948fa38juYRyBxYYcdL2rWBhMQ=
...
# echo "U2FsdGVkX1+wwmevh948fa38juYRyBxYYcdL2rWBhMQ=" | openssl enc -d -aes-128-cbc -pass pass:game404 -base64 -md sha1
123abc

非对称加密 可以解决秘钥传输的安全问题。在非对称加密中使用一对秘钥: 私钥+公钥。私钥发送方(通常是服务端)保存，公钥通过网络对外发布，可以有多个接收方（通常是客户端）。客户端使用公钥加密后的密文，只能够在服务端使用私钥进行解密，即使再使用公钥也无法完成密文解密。

当然也可以反过来，使用私钥“加密”信息，公钥“解密”信息。但是由于公钥有多个，任何持有公钥的客户端，都可以对信息进行解密，所以这种私钥“加密”的信息，起不到保密的作用。只可以用来验证信息来源的唯一性，这个过程通常叫做 签名 和 验签。

私钥和公钥还有一个主要特点：公钥是通过私钥生成的，通过公钥很难推断出私钥，这样由于私钥的唯一性，可以做到信息保密。

总结一下口诀: 公钥加密，私钥解密；私钥签名，公钥验签 。

同样使用openssl工具创建非对称加密的私钥:

# openssl genrsa -out private.pem 1024
Generating RSA private key, 1024 bit long modulus
...............++++++
.++++++
e is 65537 (0x10001)
# cat private.pem
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----

根据私钥创建公钥:

# openssl rsa -in private.pem -pubout -out public.pem
writing RSA key
# cat public.pem
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQDj73NhxbtD0lNJtYA5bWrMRKYh
N07r6BYOKqsFMm9N91ZtvW/R7w87XO6WSt5uqVzBgQAHshQZNh0PNeBp8DpwIQYA
rG9x/ZZhZnTIsD3wUpbMbp5EEF4IBgw1284IKtpvV8a7HJzNchl4//bFGkAU/flI
P1Upl6ZkOMk6KP76wQIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

对信息进行加密的部分过程:

# openssl rsautl -sign -in license.md5 -out license -inkey private.pem
# base64 license
hkBRNnalRvi21K+dnOvAg8W3V/ntheouUhlJelwvzzW3CMZbKw08z4TQzV4Qkx0DU7YgiUOdCNvn
KWRdxVnj4jatqLZeMJp9BOYI3SrdzsQETzXQOV/37L+s6nA4T+EM8YfsdgoEfyt5GYezBqQW3Iii
fppNQ4e67qSTBqpfD88=

在非对称加密过程中还存在2个问题:

  1. 私钥加密无法达到保密效果，服务端响应信息无法加密。
  2. 要求明文信息必须小于秘钥长度。

一种容易想到的方法是让每个客户端也生成一对私钥+公钥，这样服务端使用客户端的公钥加密响应信息。这种方法的副作用是服务端需要保存所有的客户端公钥，实现成本较高，一般非金融类业务不会这样处理。对于明文信息必须小于秘钥长度，可采用明文分段方式进行加密，这种方法的副作用是效率更低。

比较好的解决上述2个问题的方法是把对称加密和非对称加密结合起来。客户端随机生成一个对称秘钥，然后使用公钥加密秘钥，服务端收到密文信息后解密得到秘钥。服务端使用秘钥对响应信息进行对称加密，客户端使用秘钥解密信息。这样就解决了服务端响应信息的加密问题。以后客户端再发送请求信息，都可以使用这个秘钥进行对称加密，同时也解决非对称加密效率低和秘钥长度的问题。流程如下:

步骤 客户端 服务端
1 生成对称秘钥 -
2 公钥加密对称秘钥 -
3 - 私钥解密获得对称秘钥
4 使用对称秘钥加密请求明文 -
5 - 使用对称秘钥解密请求密文
6 - 使用对称秘钥加密响应明文
7 使用对称秘钥解密响应明文 -

证书

使用对称加密+非对称加密的结合，还有秘钥伪造的安全问题。假设客户端请求A网站服务，需要先获取A网站的公钥。如果在网络传输中B网站使用自己的公钥进行伪装替换，客户端错误的把B网站的公钥当做A网站的公钥。那么客户端发送给A网站的信息就可以被B网站窃取。

解决的办法就需要使用 证书。由一个专业的安全机构，给A网站颁发一个证书。证书实际上就是把A网站的公钥使用自己的私钥包装一下。同时这个机构还会和操作系统配合，提前在操作系统中预制自己的公钥。这样通讯中获取到A站点的证书后，使用操作系统提供的安全机构公钥解密得到A站点的公钥，从而解决公钥伪造问题。以上处理方式就是https协议的安全基础。

摘要

摘要一个应用场景是公示信息的完整性。下载网站在提供软件下载的时候，一般还会提供一个数字摘要，用来防止流氓软件捆绑。比如下面pypy软件包的摘要信息:

pypy3.9-v3.7.8 sha256:
---------------------
89dd0399a89a04b58c22e9b773747258807996bd5071dbf996a85bf8af432393  pypy3.9-v7.3.8rc1-linux32.tar.bz2
f3f90203afcf7ee359e8c8a871bfaa06d96f926781fd94fb81f471dcd32f7332  pypy3.9-v7.3.8rc1-linux64.tar.bz2
9a5d7217d8173bbdf1c7351b34651fee0596b0bcfe6fe4becae150d4a5469487  pypy3.9-v7.3.8rc1-osx64.tar.bz2
4651d804341046be824af0ca35b7ebbbb6d5cdcef0d4a373891398dba182d010  pypy3.9-v7.3.8rc1-src.tar.bz2
c4db62a854c2cc994d46fac0105a8e3bd4273093b9844c1f7cb69118fae6df72  pypy3.9-v7.3.8rc1-src.zip
ad214e4a44c893dc503e7e0b6f6bdfa7523db80b9d4890523f8ee96339d05fc9  pypy3.9-v7.3.8rc1-win64.zip

通过特定的散列算法，对 pypy3.9-v7.3.8rc1-linux32.tar.bz2 计算得到值为 89dd0399a89a04b58c22e9b773747258807996bd5071dbf996a85bf8af432393 的摘要。下载完成后比较一下摘要就知道软件包的完整性。

下面是另外一个摘要算法md5的示例:

➜  ~ echo "123456789" | md5sum
b2cfa4183267af678ea06c7407d4d6d8  -
➜  ~ echo "123456789" | md5sum
b2cfa4183267af678ea06c7407d4d6d8  -
➜  ~ echo "1" | md5sum
b026324c6904b2a9cb4b88d6d61c81d1  -
➜  ~ echo "123456780" | md5sum
9af763c0ffc99c565a6a9460e1a2ca7e  -

散列函数形成的摘要都具有下面几个特点:

下面是摘要算法的一些应用场景。

去重

因为摘要算法的确定性，所以可以用来进行去重。对于数据是否变更，仅仅需要比较信息的摘要指是否变动:

if data["targets_md5"] != self.route_data.get("targets_md5", None):
    do_update()
else:
    log.info("update_router_info targets not changed !")
    pass

密码保护

系统存储用户密码时，并不记录密码本身，仅记录密码的散列值。这样只有用户自己知道密码的明文。校验密码时，只要输入的密码正确，得到的散列值一定是一样的，表示校验通过。即使系统的数据库不小心产生泄露问题，也不会导致用户的密码泄露。

很多用户习惯使用同一个密码访问所有网站，比如A网站和B网站使用同一个密码，假设网站都是明文存储用户名和密码。A网站是大站点，网络安全处理比较好。但是B网站是小站点，发送了数据库泄露。这样攻击者利用盗取数据中的用户名和密码，从而拿到用户在A网站的重要信息。

md5算中123456789的值固定是b2cfa4183267af678ea06c7407d4d6d8，所以即使使用散列存储，也可以反向推断值为b2cfa4183267af678ea06c7407d4d6d8的密码明文是123456789。这种攻击方法一般称为 彩虹表，就是利用一些常用密码的散列值进行推测密码明文。解决这个问题的方法是 加盐 。加盐是一个通俗说法，利用散列算法的分散特性，在明文中混入一个其它数据，这样得到密文就会产生大的变化。校验的时候只要保证使用相同的盐，就可以确定明文是正确。

明文+盐值 --> 密文

接口签名

摘要算法还可以用来做服务之间接口的安全认证。比如某个接口的参数如下:

appid：wxd930ea5d5a258f4f
mch_id：10000100
device_info：1000
body： test
nonce_str：ibuaiVcKdpRxkhJA

对接口的参数信息进行拼接，形成一个原始的字符串:

stringA="appid=wxd930ea5d5a258f4f&body=test&device_info=1000&mch_id=10000100&nonce_str=ibuaiVcKdpRxkhJA";

结合参数信息和秘钥形成一个摘要签名:

MD5签名方式：
stringSignTemp=stringA+"&key=192006250b4c09247ec02edce69f6a2d" //注：key为商户平台设置的密钥key
sign=MD5(stringSignTemp).toUpperCase()="9A0A8659F005D6984697E2CA0A9CF3B7" //注：MD5签名方式

因为秘钥进行双方服务器存放，不进过网络传输。所以每个请求可以通过验证签名确定来源和信息的完整性。

小结

本文我们了解了密码学的一些应用场景和解决问题的目的。目的这个很重要，可以让我们知道 加密，签名，摘要 都在保护什么。加密是保护信息的私密性，签名是保护信息来源真实性，摘要是保护信息的完整性。进而可以根据自己的需求，灵活的应用，比如创建一个自己的授权证书license。

下一节我会介绍一些算法的具体实现，以及如何实现一个license。

参考链接

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