信息安全之通信加密

信息安全之通信加密

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_30878817/article/details/145637550

本文是一篇关于信息安全和通信加密技术的详细教程，涵盖了加密与解密的基本概念、数字签名、对称加密（如AES、3DES）、非对称加密（如RSA、ECC）、PKI体系（包括CA、RA、CRL）、数字证书以及HTTPS协议的工作原理等。文章结构清晰，从基础概念到具体实现，层层递进，适合对信息安全领域感兴趣的读者阅读。

目录
前言

1. 加密与解密
2. 数字签名DA
3. 对称加密
   3.1 AES（Advanced Encryption Standard）
   3.2 3DES（Triple Data Encryption Standard）
4. 非对称加密
5. PKI&&RA&&CA&&CRL
   5.1 PKI
   5.2 RA
   5.3 CA
   5.4 CRL
6. 数字证书
   6.1 证书区别
   6.2 数字证书签发
   6.3 证书链
7. HTTP vs HTTPS
   7.1 SSL/TLS
   7.2 HTTPS与Web服务器通信步骤
   7.3 HTTPS - 对称加密和非对称加密
   7.4 HTTPS – 数字签名和数字证书
   7.5 数字签名

前言

本文旨在概念性地介绍关于信息安全中的加密和解密，后续会详细阐述每种加密方式的基本原理。

1.加密与解密

在使用公私钥进行加密通信时

1. 发送方：使用接收方的公钥对数据进行加密，然后发送给接收方。
2. 接收方：密方式确保了数据在传输过程中的安全性，即使数据被第三方截获，也无法解密获取原始内容。

2.数字签名DA

用于验证信息发送者身份和确保信息完整性。

• 发送者:使用自己的私钥对信息进行签名，然后将签名和原始信息一起发送给接收者。
• 接收者:使用发送者的公钥对签名进行验签，如果验证成功，则说明信息确实是由发送者发送的，且信息在传输过程中没有被篡改。

3.对称加密

对称加密使用相同的密钥进行数据的加密和解密。它具有速度快、效率高的特点，因此适合用于大量数据的传输。在HTTPS中，对称加密用于实际的数据传输。常见的对称加密算法包括AES、DES和3DES。

3.1 AES（Advanced Encryption Standard）

加密过程：使用一个对称密钥对明文进行加密，生成密文。
解密过程：使用相同的对称密钥对密文进行解密，还原出明文。
密钥长度：AES支持128位、192位和256位密钥长度，密钥长度越长，安全性越高。

3.2 3DES（Triple Data Encryption Standard）

加密过程：对数据进行三次DES加密，每次使用不同的密钥。
解密过程：对数据进行三次DES解密，还原出明文。
密钥长度：3DES使用三个56位的密钥，总共168位。

4.非对称加密

非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。非对称加密的安全性高，但加密和解密速度较慢，通常用于加密对称密钥而非实际数据传输。

私钥Private Key
私钥是保密的，只能由拥有者自己使用。它用于解密数据或生成数字签名。

公钥Public Key
公钥是公开的，可以分发给任何人。它用于加密数据或验证数字签名。

RSA（Rivest-Shamir-Adleman）
公钥加密：客户端生成会话密钥后，使用服务器的公钥对会话密钥进行加密，并发送给服务器。
私钥解密：服务器使用其私钥解密会话密钥，确保只有服务器能够读取会话密钥。
密钥长度：RSA的密钥长度通常为2048位或以上，长度越长，安全性越高。

ECC（Elliptic Curve Cryptography）
公钥加密：使用椭圆曲线数学算法生成公钥和私钥，进行加密和解密。
私钥解密：相比于RSA，ECC提供更高的安全性和效率，适合资源受限的设备。

会话密钥:用于对称加密的临时密钥，仅在当前会话中有效。会话密钥通过非对称加密进行安全传输，一旦会话结束，密钥就会失效。这样既保证了数据传输的安全性，又提高了加密解密的效率。

5.PKI&&RA&&CA&&CRL

PKI、RA、CA、CRL是与信息加密和数字证书管理相关的关键概念。

5.1 PKI

目的：解决公私钥信任问题
Public Key Infrastructure公钥基础设施，通过这套基础设施对公钥进行统一的管理，通过PKI体系可以对公钥进行发布、吊销等管理操作。PKI公钥基础设施包括：

1. 认证机构（CA）
2. 注册机构（RA）
3. 证书撤销列表（CRL）

5.2 RA

1. RA是PKI体系中的一个重要组成部分，全称为Registration Authority，即注册中心。
2. RA是CA的证书发放、管理的延伸，它提供用户和CA之间的一个接口。
3. 1. 负责证书申请者的信息录入、审核以及证书的发放等。
4. 2. 对发放的证书完成相应的管理功能。
5. RA一般都是由一个独立的注册机构来承担，它接受用户的注册申请，审查用户的申请资格，并决定是否同意CA给其签发数字证书。
6. 但注意：RA不给用户签发证书，而是对用户进行资格审查。

5.3 CA

CA是PKI的信任基础，全称为Certificate Authority，即证书颁发机构。在PKI体系中，认证中心CA是整个PKI体系中各方都承认的一个值得信赖的、公正的第三方机构.

1. CA负责产生、分配并管理PKI结构下的所有用户的数字证书，把用户的公钥和用户的其他信息捆绑在一起，在网上验证用户的身份。
2. CA负责证书废止列表CRL的登记和发布。
   数字证书是一种权威性的电子文档，它用于证明某一主体（如个人、企业或机构）的身份以及其公钥的合法性。

5.4 CRL

CRL是Certificate Revocation List的缩写，即证书废止列表，也被称为证书黑名单。当一个证书因为某些原因（如私钥泄露、证书过期、证书持有者身份变更等）需要被废止时，CA会将这个证书添加到CRL中，并发布给所有需要验证证书有效性的实体。这样，当某个实体需要验证某个证书的有效性时，它就可以查询CRL，以确定该证书是否已经被废止。

总结：

• PKI 是整体框架。
• RA 负责验证用户身份。
• CA 签发和管理证书。
• CRL 列出已吊销的证书。

6. 数字证书

是由可信的证书颁发机构（CA，Certificate Authority）签发，用于验证服务器身份的电子文件。遵循它遵循x.509 v3格式。
数字证书包含公钥信息以及公钥拥有者信息：
-服务器的公钥：用于加密数据和验证服务器的身份。
-服务器信息：包括服务器的域名和公司名称等信息。
-证书颁发机构信息：包括CA的名称和数字签名。
-有效期：证书的生效日期和过期日期。
常见数字证书格式和后缀: <区别在于是否可以包含私钥>
-PKCS#12<可以包含私钥>
-.p12/.pfx
-DER <不能包含私钥>
-.der/.cer/.crt
-PEM <可以包含私钥>
-.pem/.cer/.crt

数字证书工作流程：
1.生成密钥对：服务器生成一对密钥，即公钥和私钥。
2.申请证书：服务器将公钥和相关信息提交给CA，申请数字证书。
3.颁发证书：CA验证服务器的身份后，使用CA的私钥对服务器的公钥和相关信息进行签名，生成数字证书。
4.安装证书：服务器安装CA签发的数字证书，并将其发送给客户端。
5.验证证书：客户端收到证书后，使用CA的公钥验证证书的有效性和完整性。
数字证书确保了客户端与服务器之间的通信是安全的，并且服务器的身份是可信的。

6.1 证书区别

-自签名证书：用自己的私钥签名的证书，证书中的颁发者和主体名相同。
-根证书：CA认证中心给自己颁发的证书，是信任链的起始点。它是一份特殊的证书，其签发者是它本身，也是自签名。
未被签名的公钥证书或自签名的证书（这里的“自签名”指的是CA给自己颁发的证书，与上述自签名证书在应用场景上有所不同）。
包含CA的公钥，用于验证由该CA签发的其他证书的有效性。
安装根证书意味着对这个CA认证中心的信任。
-CA证书：CA自己的证书，如果CA没有多个层级，根证书就是CA证书。
-本地证书：通过CA颁发给申请者的证书。

6.2 数字证书签发

-CA数字证书签发过程如下图左：
1.CA会把持有者的公钥、⽤途、颁发者、有效时间等信息打成⼀个包，然后对这些信息进⾏Hash计算， 得到⼀个Hash值；
2.CA会使⽤⾃⼰私钥将该Hash值加密，⽣成Certificate Signature，也就是CA对证书做了签名；
3.将Certificate Signature添加在⽂件证书上，形成数字证书；
客户端校验服务端数字证书入上图右：

1. 客户端会使⽤同样的Hash算法获取该证书的Hash值H1；
2. 通常浏览器和操作系统中集成了CA公钥信息，浏览器收到证书后可以使⽤CA公钥解密Certificate Signature内容，得到Hash值H2；
3. ⽐较H1和H2，如果值相同，则为可信赖的证书，否则则认为证书不可信。

6.3 证书链

-假设CA签发了一个证书A，在这个过程中CA称为Issuer，A称为Subject，假设A是一个受信任的中间证书，已经预装在我们的操作系统中了。现在由A利用它自己的私钥给某一个网站签发了一个证书B。
-现在当我们的电脑需要访问该网站的时候，该网站就会给我们发来一个证书B，由于我们的浏览器并不知道B证书是否合法，但是我们的电脑上已经预装了A证书，我们可以从A证书中提取出A的公钥，然后利用A的公钥对B证书的签名进行验证（因为B证书的签名是A的私钥签的），如果验证通过了，就说明B是合法的。
-相同的道理，B也可以继续签发C证书，C继续签发D证书，这样就形成了一个信任链。
-如果服务端的签名是D证书，那么一般来说，服务器返回给浏览器的就会包含B、C、D三个证书（因为A证书已经在我们的电脑上了），即使只返回D证书，浏览器也可以根据D书中的信息，自动下载到B、C两个证书然后进行验证。
-客户端收到baidu.com的证书后，发现签发者不是根证书，就不能使用本地的根证书公钥（浏览器及系统客户端默认会注入信任的CA根证书）验证baidu.com证书是否可信。于是，客户端根据baidu.com证书中的签发者，找到该证书的颁发机构 “GlobalSignRSA OV SSL CA”，然后向CA查询中间证书。
-请求到证书后发现该证书是由 “GlobalSignRoot CA”签发的，由于 “GlobalSignRoot CA”没有上级签发机构，说明它是根证书。那客户端就会检查此证书是否在本地已经安装的证书列表中，如果有，则可以利⽤根证书中的公钥去验证 “GlobalSignRSA OV SSL CA”证书，如果发现验证通过，就认为该中间证书是可信的。
-“GlobalSignRSA OV SSL CA”被信任后，可以使⽤此证书中的公钥去验证baidu.com证书的可信性，如果验证通过，就可以信任baidu.com证书。

7. HTTP vs HTTPS

HTTP（HyperTextTransfer Protocol）和HTTPS（HyperTextTransfer Protocol Secure）都是用于在客户端（如浏览器）和服务器之间传输数据的协议。它们的主要区别在于HTTPS在HTTP的基础上增加了SSL/TLS协议，从而提供了数据加密和身份验证功能。
-HTTP：HTTP是一种无状态的、明文的通信协议，这意味着数据在传输过程中不进行加密。尽管HTTP可以有效地传输网页内容，但由于数据以明文形式传输，容易被截取和篡改。Port: 80.
-HTTPS：HTTPS通过引入SSL/TLS协议，为数据传输提供加密和身份验证功能。Port: 443.

7.1 SSL/TLS

SSL（Secure Sockets Layer）和TLS（Transport Layer Security）是为互联网通信提供安全保障的加密协议。TLS是SSL的升级版本，具有更高的安全性和性能。主要功能：
加密：使用对称加密算法和非对称加密算法对数据进行加密，确保数据在传输过程中保持机密性。
身份验证：通过数字证书验证服务器和客户端的身份，防止中间人攻击。
数据完整性：使用消息验证码（MAC）和散列函数确保数据在传输过程中没有被篡改。

7.2 HTTPS与Web服务器通信步骤

n客户端向服务端发起HTTPS请求，连接到服务器的443端口；
n服务器将网站的证书信息（证书中包含公钥，数字签名等）发送给客户端；
n客户端接收到服务器的证书后，会对证书进行检查，验证其合法性。如果发现证书有问题，那么HTTPS传输就无法完成。
n如果验证证书合法，那么客户端会生成一个随机值，这个随机值就是用于进行对称加密的密钥，该密钥称之为client key，客户端密钥。
n然后利用服务端返回的公钥（非对称加密），对客户端对称密钥进行非对称加密，这样客户端密钥就成密文。（HTTPS中的第一次HTTP请求结束）；
n客户端发起HTTPS中的第二个HTTP请求，加密之后的客户端密钥发送给服务器；
n服务器接收客户端的密文：
n会用自己的私钥（非对称加密），对其进行非对称解密，得到客户端对称密钥。
n用客户端对称密钥对数据进行对称加密，数据变成密文；
n服务器将密文发送给客户端
n•客户端收到服务器发送来的密文，用客户端对称密钥对其进行对称解密，得到服务器发送数据。

7.3 HTTPS -对称加密和非对称加密

nHTTPS数据交互过程使用的对称加密，也就是客户端与服务端持有相同的密钥，对发送数据加密，服务端对接收的数据解密。
n服务端和客户端安全交换对称密钥使用非对称加密。

7.4 HTTPS –数字签名和数字证书

通信双方为确保自己拿到的对方的公钥是没有被中间人修改的，引入数字证书与数字签名。

7.5 数字签名

基于公钥密码体制，用于验证信息发送者身份和确保信息完整性。
本质：<用私钥加密用HASH算法对消息生成的摘要>
简而言之，就是我对自己发出去的包裹，写个清单，然后再签个名，接收方查看清单，检查我的字迹，检查包裹内容，就知道东西在运输过程中有没有被替换。

发送者
使用自己的私钥对信息进行签名，然后将签名和原始信息一起发送给接收者。

接收者
使用发送者的公钥对签名进行验签，如果验证成功，则说明信息确实是由发送者发送的，且信息在传输过程中没有被篡改。

基本特征：
报文鉴别：接收者能够核实发送者对报文的签名；
报文完整性：接收者不能伪造对报文的签名或更改报文内容；
不可否认性：发送者事后不能抵赖对报文的签名。

基本步骤：
计算摘要：发送方用哈希算法生成报文的摘要，如果内容在传输过程中变更，接收方重新计算摘要的时候，就会和发送方的摘要不一致；
摘要加密：发送方用自己私钥对摘要进行加密，得到数字签名；
发送消息和签名：将原数据和加密后的数字签名打包一起发送；
摘要验证：接收方用发送方公钥对数字签名进行解密，得到摘要，并用同样的哈希算法重新生成摘要进行比对，以验证报文的完整性和真实性。

文章来源：

• 信息安全之通信加密