密碼安全（2019.11.19）
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密碼算法
密碼學可以分爲古典密碼學和現代密碼學。其中現代密碼學的出現於一個熟悉的人脫不了關係，他就是香農了，絕對的大佬。
古典密碼於現代密碼的區別之處，我認爲就是古典密碼是依賴於加密算法的精心設計和保密性，而現代密碼這是公開了加密所用的算法，注重的是對密鑰的保密。兩者的側重點不同，一個在算法的保密上，另一個則是在密鑰的保密上。而將現代密碼在以密鑰細分就會分爲，對稱加密和非對稱加密。所謂的對稱加密，就是加密時和解密時的密鑰是一樣的；而非對稱加密則是加密密鑰和解密密鑰不同，在我看來就目前而言，似乎非對稱加密會使用更多，最近經常看到的RSA就是一種非對稱加密方法，只可惜還沒有搞明白RSA。
古典密碼
置換密碼
所謂置換密碼真的就只是置換，把明文通過一些方法排列，然後按你想要的方向或者順序讀出，就成爲一個密文。這是一種比較簡單的加密方式。正是由於這種方法過於簡單，所以它禁不起窮舉的，是可以進行爆破的。置換密碼可能是先排矩陣再按列讀取，也有可能會使用密鑰，但是這裏的密鑰只是爲了助記，與現代密碼的密鑰大不相同。通過密鑰去除重複字母后，按字典序編號，然後按編號讀出相應的列，實現加密。
例如：明文：this is transposition cipher
密鑰：password
數字序列：4167352
密文：hath ts iiphtripsocin iessor
注意！！！密文要寫的與明文格式相同。
| t | h | i | s | j | s | t |
|---|---|---|---|---|---|---|
| r | a | n | s | p | o | s |
| i | t | i | o | n | e | i |
| p | h | e | r |
替代密碼
說到替代密碼，大家最熟悉的可能就是凱撒密碼。替代密碼是利用了替代法進行加密的，通過將明文中的字符使用其他的字符替代後形成密文。
它還有很多類型，比如單表替代密碼，多明碼替代密碼，多字母替代密碼，多表替代密碼。凱撒加密就是單表替代密碼了，所有的字母都是相同的偏移量，所以凱撒是可以被輕易的破解的，直接暴力破解，CTFCracker就可以實現凱撒爆破。而多表替代密碼就提高了破解的難度，像維吉尼亞密碼、希爾密碼，一次一密鑰密碼、Playfair密碼等等，由於使用了多個替換表，情況更加複雜，爆破難度就蹭蹭蹭上去。
在我看來維吉尼亞其實就是凱撒的加強版，只不過是每個字符都有自己獨特的偏移量了，不在如凱撒一樣統一偏移量，所以對於破解而言就提高難度了。
加密：Ci=(Mi+Ki)mod26
解密就是i一個逆過程，Mi=(Ki-Ci)mod26
例如密鑰可能爲：cipher即（3，9，16，8，5，18）
明文 :this is substitution cipher
密文：vpxz mj ucqzxzvcipse eqeoii
對稱密碼
對稱密碼可以分爲分組密碼和序列密碼。分組密碼是以一個固定大小作爲每次處理的基本單元，而序列密碼則是以一個單位元素（通常是一個字母或一個比特）作爲基本的處理單元。當分組長度等於單位長度的是否，分組密碼也就是序列密碼，所以你可以這樣理解，序列密碼是分組密碼中特殊的一種情況，即分組長=單位長。
分組密碼的常用工作模式：
1、電子密碼本（ECB）
最簡單的加密模式即電子密碼本模式，將加密的消息按照密碼塊的塊大小分爲數塊，對每一塊進行獨立加密。
優點：實現簡單、效率高；有利於並行計算；誤差不會被傳送。
缺點：不能隱藏明文的模式，相同的明文會產生相同的密文；可能對明文進行主動攻擊，比如說黑客可以通過獲取賬號對應的密文段，進行密文段替換，成功實施ECB重放攻擊
2、密碼塊鏈接（CBC）
在CBC模式下，每個密文塊先要與前一個密文進行異或，然後再加密，所以它高度依賴於上一個密文塊，這就對數據完整性要求很高。因爲第一個明文沒有上一個密文，所以就要引入一個初始化矢量（IV）。
優點：不易被主動攻擊，這也是得益於它的這種像串行的機密模式，安全性高於ECB，適合傳輸長度較長的報文，是目前SSL和IPSec安全協議的應用標準。
缺點：不利於並行計算；有誤差傳輸效應；需要維護初始化矢量IV。
3、密文反饋（CFB）
密文反饋模式我覺得和CBC非常相似，區別上我覺得就是，一個先異或，一個後異或，它把上一個密文進行分組密碼加密，然後再和明文進行異或。與CBC一樣，也需要一開始引入一個初始化矢量。
優點：隱藏了明文模式；分組密碼轉化爲流模式，增強了安全強度；可以及時加密傳送小於分組的數據。
缺點：不利於並行運算；存在誤差傳送效應，即一個明文單元受損可以影響多個單元；需要維護一個IV。
分組密碼包括DES、IDEA、SAFER、Blowfish和Skipjack等等，最新國際標準算法是AES，以前使用的是DES/3DES算法。分組密碼的一個核心變換——Feistel結構。大多數分組密碼的結構本質上都是基於Feistel網格結構，所以這是一個很重要的地方。
Feistel網絡的安全性與一下參數有關。
（1）分組大小
（2）密鑰大小
（3）子密鑰產生算法：該算法複雜性越高，則密碼分析越困難
（4）輪數n：單輪結構遠不足以保證安全，一般輪數選取16
（5）輪函數F：結構越複雜越難分析
分組加密算法DES
DES算法爲密碼體制中的對稱密碼體制，又被稱爲美國數據加密標準，是1972年美國IBM公司研製的對稱密碼體制加密算法。明文按64bit進行分組，密鑰長64bit。
DES算法具有極高的安全性，到日前爲止，除了用窮舉搜索法對DES算法進行攻擊外，還沒有發現更有效的辦法。但是隨着計算處理能力的提升，爲了克服DES密鑰空間小的缺陷，研究人員提出了三重DES的變形方式，即採用了兩個密鑰共128bit長度，僅加大了窮舉密鑰的計算複雜度。
分組加密標準AES
AES算法基於排列和置換運算。排列是對數據重新進行安排，置換是將一個數據單元替換爲另一個。AES使用幾種不同的方法來執行排列和置換運算。AES是一個迭代的、對稱的密鑰分組的密碼，它可以使用128、192、256位密鑰，並且通過128bit分組加密或解密數據，既然是對稱加密，所以它使用相同的密鑰進行加密解密。迭代加密時就要使用一個循環結構，在循環中重複置換和替換輸入數據。
序列密碼
序列密碼是一個隨時間變化的加密變換，具有轉換速度快、低錯誤傳播的有點，硬件實現電路簡單，缺點是有低擴散、插入或修改等不敏感性。
目前序列密碼研究成果沒有完全公開，因爲序列密碼更多應用於外交和軍事部門等機密部門。目前公開的序列密碼算法有RC4、SEAL等。 說到序列密碼必須說一次一密，如果序列密碼所使用的是真正隨機方式的、與消息流長度相同的密鑰流，那麼這個序列密碼就是一次一密的密碼體制（One-Time Password）。
至於序列密碼加密和解密，加密過程大概就是密鑰K通過密鑰流生成器生成密鑰流，使用密鑰流和明文進行異或運算得到密文；解密過程這是使用密鑰K通過密鑰生成器生成密鑰流，在用密鑰流和密文進行異或得到明文。
注：密鑰流生成器的核心是一個僞隨機數發生器，而密鑰K爲該隨機數發生器的種子。應用最廣的隨機數發生器爲線性反饋一位寄存器（LFSR）。當LFSR週期無限長即可形成OTP一次一密系統，OPT是一種理想的安全流密碼體制。
一次一密系統應用目前面臨的挑戰：
1、密鑰配送問題，OTP的密鑰長度和明文長度相同，若能把密鑰安全有效地發生出去，那還加什麼密呢？？
2、密鑰的保存問題，OTP把保存明文問題轉化爲保存於明文等長的密鑰問題
3、密鑰的複用：OTP不能使用過去用過的隨機比特序列，否則就會泄露之前的通訊內容，這也叫前向安全。
4、密鑰的同步，明文很長的時候，密鑰也會一樣長，在同步密鑰的過程中一旦出現錯誤，後續通訊就無法解密，有時也被稱爲後向安全。
5、密鑰的生成問題，OTP需要生成大量的隨機數，而我們目前只能使用計算機生成僞隨機數來暫時替代，凱撒僞隨機數終究不是隨機數，無法滿足需求，而想要無重現性的真正隨機數生成的難度極大。
流密碼的安全性主要依賴於主控密鑰K的保密性和密鑰流發生器的可靠性。密鑰序列產生算法最爲關鍵，其生成的密鑰必須具備僞隨機性，至於什麼是僞隨機性，就留給大家自行百度了。序列密碼的安全性確實高，加密速度也快，實時性好，就是過於要求同步，要實現嚴格同步，需要付出很高的代價。
RC4序列密碼
RC4由RSA Security的Ron Rivest在1987年設計的一種高速簡潔的流密碼，被廣泛用於常用協議，比如無線網絡安全算法、SSL/TLS、HTTPS等安全協議。RC4加密分爲兩步：
1、Key-Scheduling Algorithm(KSA）密鑰調度算法，採用可變長度的加密密鑰產生密鑰流生成器的初始狀態。
2、Pseudo-Random Generation Algorithm（PRGA）僞隨機子密碼生成算法，根據初始狀態生成密碼流，並於明文進行相異或產生密文。
RC4採用的是XOR運算，一旦子密碼序列出現了重複，密文就有可能被破解。存在部分弱密鑰，是子密序列在不到100B內就出現重複。那麼就可能在10萬字節內就發生完全重複風險。所以在使用RC4算法時候，必須對加密密鑰進行安全測試，避免出現弱密鑰問題。