当谈论通讯安全的时候，通常我们关心的是下面四个问题：

1）防止消息窃听

当传送的消息是机密内容的时，人们希望给消息加密。这样即使消息在传送过程中被截获，窃听者也无法确切的知道消息内容，从而达到保密的效果。

2）防止消息篡改

消息在传送过程中，有可能被攻击者篡改内容，这样接收者接到的就是错误的信息，通讯过程中应该提供某种方案防止篡改。

3）防止消息伪造

攻击者假冒发送者的名义，给接收者发送消息，这种行为称为消息伪造。

4）防止否认

发送者事后否认自己发送过消息，需要有一种机制来防止这种情况发生。

下面，我们将详细分析下这四个问题。

1. 防窃听

提到加密，很多人的第一反应是下面这样：

"自己实现一个加密算法，然后将算法保密，这样就能保证安全。"

在密码学的领域，这是个典型的误区。

首先，开发高强度的加密算法是非常困难的。普通的算法在外行看起来牢不可破，但是专业破译者却有非常多的工具和攻击方式，使其破绽百出。

其次，加密算法的秘密总有一天会公诸于世。到那时，所有基于这个算法的秘密都将被泄露。

实践中使用的加密算法都是公开的，消息传递依靠保密的密钥来确保消息不被破解。正因此，它们经过攻击者长期尝试仍未被破解，所以保密强度较高。

常用的加密体系分为三类，对称加密、非对称加密和混合加密。

1.1 对称加密

对称加密是指加密和解密用的是同一个密钥。这个密钥只有发送者和接收者知晓，其他没有密钥的人无法解密消息。

常见的对称加密算法有 DES 、 3DES 和 AES 等。随着计算机硬件的进步，使用暴力破解法已经能在现实时间中完成对 DES 的破解； 3DES 处理速度不高，此外在安全性方面也逐渐显现出了些问题；目前应该选用的算法是 AES 。

1.2 非对称加密

与对称加密不同，非对称加密算法需要两个密钥——公钥和私钥。

公钥和私钥是一对。公钥加密，对应的私钥才能解密，反之亦然。前面的场景适用于防窃听，后面的场景适用于数字签名，也就是防止否认。

实现机密消息交换的基本过程是：甲方生成一对密钥并将其中一个作为公钥向其它方公开，得到该公钥的乙方使用该公钥对消息进行加密再发送给甲方，甲方再使用自己的私钥对消息进行解密。

网络中的其他窃听者虽然也能拿到甲方的公钥，但是加密后的消息只有私钥才能解开，所以他们无法破译消息。

最常使用的非对称加密算法是 RSA 。

1.3 混合加密

比较一下对称加密和非对称加密各自的特点：

对称加密处理速度快，但是由于通讯双方使用的是同一个密钥，存在密钥配送困难的问题。要求通讯双方线下交换密钥是不现实的，而线上配送又存在被窃听的风险。

非对称加密的公钥本身就是可以对外公开的，天然避免了密钥配送的问题；但是非对称加密的处理速度远远低于对称加密。

混合加密体系是将上述两种优势相结合的办法。

先看一下加密过程。

通讯过程中传送了两部分内容：一部分是使用对称加密算法加密的消息，另一部分是对称加密的密钥。其中对称加密的密钥是由接收方的公钥加密过的，这样除了接收方之外，任何其他人都不能解开对称加密的密钥，从而也无法解开加密的消息。

加密过程

相比于要传送的消息本身，对称密钥的长度要短得多。非对称加密的处理速度慢，所以只用来加密对称密钥，而很长的消息则用处理速度快的对称算法来加密。

下面是解密过程。

先把对称加密的密钥和加密后消息这两部分分离开。对称密钥之前是用接收者的公钥加密的，所以只能使用接收者的私钥进行解密。对称密钥解出来之后，就可以对消息密文进行解密了，从而得到消息明文。

2. 防篡改

通讯过程中，接收方有时候会有这样的疑问：

"我接收到的消息确实就是发送者发过来的那条吗？在传输的过程中会不会已经被攻击者给改写了？"

这是对消息完整性的挑战。

实践中一般使用摘要算法来应对这种挑战。

摘要算法有如下重要特性。

第一，输入任意长度的字符串，输出固定长度的字符串。比起要传输的消息长度来说，输出的固定长度通常很短，因此很容易进行处理。

第二，相同的输入总是对应相同的输出。发送方对消息进行摘要处理，同时把摘要附在消息里发送出来。接收方收到之后用同样的摘要算法对消息进行处理，再把计算出来的摘要和收到的摘要进行对比，如果不一致，就能知道消息已被篡改。

第三，给定一个字符串 A ，经过摘要算法处理后的串 B ，很难找到一个字符串 C ，使其摘要后的串和串 B 相同。这个重要的特性称为抗碰撞性（弱抗碰撞性）。这条特性使得攻击者在篡改消息后，很难再计算出同样的摘要，从而规避摘要算法的检查。

第四，这种转换具有单向性，即不能通过输出串倒推出输入串。

常用的摘要算法包含 MD4 、 MD5 、 SHA-1 和 SHA-2 （包含 SHA-256 、SHA-384 和 SHA-512 ）。上述算法中目前唯有 SHA-2 算法的强抗碰撞性尚未被攻破。

3. 防伪造

防伪造指的是"消息来自正确的发送者"。

防篡改关注的是消息内容，防伪造关注的是消息发送者本身。

防篡改关注的是消息的完整性（ integrity ），防伪造关注的是消息的认证（ authentication ）。

消息认证码（ Message Authentication Code ）是一种既能检查消息完整性，又能做身份验证的技术，取三个单词的首字母，简称为 MAC 。

实践中经常使用与密钥相关的摘要算法来实现消息认证码。

消息认证码的使用步骤如下：

1. 发送者和接收者事先共享密钥；

2. 发送者使用共享密钥对消息计算 MAC 值；

3. 发送者将消息和 MAC 一起发给接收者；

4. 接收者使用共享密钥对接收到的消息计算 MAC 值；

5. 接收者将计算的 MAC 值跟接收到的 MAC 值做比较；

由于攻击者没有共享密钥，所以无法跟接收者算出一样的 MAC 值。

跟对称密钥一样，这里同样面临密钥配送的问题，我们仍然可以采用非对称加密的方式进行密钥配送。除此之外， Diffie-Hellman 算法也是常用的密钥交换方式。

4. 防否认

想象一下这个场景， Bob 收到了一张 Alice 发来的五百万元的借条。使用事先约定好的共享密钥， Bob 计算出的 MAC 值跟借条里收到的 MAC 值一致，这表明消息没有被篡改，同时消息也不会是第三方伪造的，那么就没有任何后顾之忧了吗？

并不是这样。问题在于共享密钥是两个人持有的，因此能算出正确 MAC 值的并不只是 Alice ， Bob 也能。如果 Alice 声称自己没有发过这样的借条，那作为第三方仲裁者来说，无法证明借条是 Alice 生成的还是 Bob 生成的。

我们需要寻求一种解决方案， Alice 使用的签名是由只有她自己才知道的密钥生成，同时别人还能顺利解开。这样别人无法伪造 Alice 的签名，同时还能验证这个签名。

看上去是不是有点熟悉？没错，就是之前介绍过的非对称加密。

Alice 使用自己的私钥对消息进行签名（加密），同时对外发布对应的公钥。无论是 Bob 还是第三方仲裁者，都可以使用公钥对签名进行验证（解密）。

这种方案称为数字签名。

5. 后话

到目前为止，看上去我们解决了之前提出的四个问题，但是通讯安全领域的问题还远不止这些。比如怎么验证公钥的可靠性？比如怎么才能生成一个可靠的随机数？再延伸下去我们会涉及到证书，认证机构和随机数的分级等领域，这里就不再一一展开了。

最后，请大家记住一句话：只有完美的密码，没有完美的人。不管多精密的系统，在确保整体安全方面，人是一个特别巨大的弱点。很多时候，最脆弱的环节并不是各种算法，而是人类自己。

2019年04月11日 于上海

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