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文章目录
  1. 0x00 前言
  2. 0x01 密码学基础
    1. 1. 受到的部分威胁和对应的密码技术
    2. 2. 基本的密码技术与常识
    3. 3. 对称密码
      1. 3.1 DES与3DES
      2. 3.2 AES
      3. 3.3 填充模式的优劣对比
    4. 4. 非对称密码
      1. 4.1 RSA
        1. 4.1.1 RSA的加密和解密
        2. 4.1.2 签名与验签
      2. 4.2 ECC
        1. 4.2.1 DH交换
      3. 4.3 应用与攻击方式:
      4. 4.4 混合密码系统
    5. 5. 单向散列函数
    6. 6. 消息验证码
      1. 6.1 实现方法
      2. 6.2 应用与攻击方式
    7. 7. 伪随机数生成
    8. 8. PGP
    9. 9. 关于密码系统的信息安全常识
  3. 0x02 加密基础设施
  4. 0x03 总结
  5. 0x04 参考资料

浅谈加密基础设施

2021.09.27 放之 安全工程师

0x00 前言

讲加密基础设施前，会介绍一下密码学基础，不过需要先声明一下的是我仅仅是能理解并应用。所以如果文中笔误，还请读者及时指出。如果只需要关注加密基础设施建设的一些经验，可直接跳至第二节——0x02.

0x01 密码学基础

以下章节中的密码学基础部分的知识主要总结自《图解密码技术》读书笔记，本节图片系原文所载。有个朋友说这个是神书，我觉得大可不必，不过确切是本好书，因为能够帮助数学基础不是很好的读者快速了解密码学基础。

1. 受到的部分威胁和对应的密码技术

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2. 基本的密码技术与常识

基本密码技术分为六部分：对称密码（Symmetric Cryptography)，非对称密码(Asymmetric Cryptography)，单向散列函数，消息认证码，数字签名，伪随机数生成器。

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大部分密钥技术中都需要密钥，这里面有个值得参考的观点是————密钥与明文是等价的 (即如果明文价值100w，那密钥也就值100w。)

以下是各种不同的密钥：

  1. 对称密码的密钥与公钥密码的密钥
  2. 消息认证码的密钥与数字签名的密钥
  3. 用于确保机密性的密钥与用于认证的密钥
  4. 会话密钥与主密钥
  5. 用于加密内容的密钥与用于加密密钥的密钥
  6. 基于口令的密码（Password Based Encryption)

3. 对称密码

对称密码可以分为两类：序列密码和分组密码。如其名，序列密码单独加密每个位，分组密码加密明文分组。 分组密码（Block Cipher)每次只能处理特定长度的一块（Block），下面主要介绍分组密码。

对称密码的加解密主要依赖是比特的异或计算， 假设明文是010101,密钥是111111， 那么异或得到的密文就是101010， 翻过来密文进行解密时候同密钥进行异或就可以得到010101

1
2
3
4
0 XOR 0 = 0
0 XOR 1 = 1
1 XOR 0 = 1
1 XOR 1 = 0

3.1 DES与3DES

DES全称是Data Encryption Standard, 1977年被FIPS采用，基本结构为Feistel网络/结构。目前不应被用于现有或新的加密用途。

Feistel网络中，加密和解密可以用完全相同的结构实现，加密的各个步骤被称为轮，轮数可以任意增加。

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DES就是一种16轮循环的Feistel网络。 即每次输入输出后左右侧对调，然后使用新的子密钥通过轮函数进行异或。
下面是一个三轮的Feistel网络。记住DES是16轮的。
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而3DES就是将DES重复3次得到的。
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不过可以发现3DES加密过程是加密-解密（这一步是为了能够向下兼容）-加密，如果DES密钥1，2，3相同那么其实3DES就和DES是一样的。 如果1，2，3完全使用不同的密钥就叫DES-3DES,如果1，3相同，2不同就是DES-EDE2。

3DES目前暂时允许使用，但不应用于新用途。

3.2 AES

全称是Advanced Encryption Standard，由NIST选拔作为FIPS标准。我最开始的时候以为AES是一种，其实AES是由一系列算法选拔得到的。1997年开始募集（15个算法中5个入围），2000年选定分组密码Rijndael（by比利时密码学家Joan Daemen & Vincent Rijmen）。

Rijndael也是由多个轮构成，不过用的是SPN结构，不再是Feistel网络。主要分为SubBytes（16字节分组进行处理，获得一张拥有256个值的替换表S-Box）, ShiftRows(以4字节为单位的行进行某种规则向左平移，每一行平移的字节数不同), MixColumns（对1个4字节值进行比特运算）, AddRoundKey（将MixColumns的输出与轮密钥进行异或）。完成从SubBytes->AddRoundKey算是1轮，Rijndael结构需要重复10-14轮，解密时顺序相反，方向相反即可。AddRoundKey -> InvMixColumns -> InvShiftRows -> InvSubBytes

3.3 填充模式的优劣对比

分组意味着能处理特定长度的，针对任意长度的就要对分组密码进行迭代，迭代的方式成为模式。

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OFB模式与CTR模式的对比
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CFB模式与OFB模式的对比
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4. 非对称密码

又称为公钥密码(Public-Key Cryptography), 主要是依托于人类目前尚无法快速求解离散对数的原理。

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4.1 RSA

4.1.1 RSA的加密和解密

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4.1.2 签名与验签

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一般有两种形式，一种是直接对消息签名，另一种是对消息的散列值进行签名。
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4.2 ECC

全称为Elliptic Curve Cryptography 椭圆曲线密码。

主要包含三个方面:

  • 基于椭圆曲线的公钥密码
  • 基于椭圆曲线的数字签名
  • 基于椭圆曲线的密钥交换

4.2.1 DH交换

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4.3 应用与攻击方式:

应用:

  • 公钥证书
  • SSL/TLS

攻击方式:

  • 中间人攻击
  • 对单向散列函数的攻击
  • 利用数字签名攻击公钥密码
  • 潜在伪造

4.4 混合密码系统

简单来说就是用非对称密码保护对称密钥，用对称密钥进行对数据的加解密。

加密
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解密
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5. 单向散列函数

英文名 One-way hash function，又称作消息摘要函数（Message digest function）、哈希函数、杂凑函数。
输入成为消息(message)也成为原像（Message digest）, 输出为散列值(hash value)也成为消息摘要（Message digest）或者指纹（fingerprint）

能够辨别出是否被篡改，但无法识别伪装。

特性:

  1. 根据任意长度的消息计算出固定长度的散列值
  2. 能够快速计算出固定长度的散列值
  3. 消息不同散列值不同（抗碰撞性）
  4. 具备单向性

应用:

  • 检测软件是否篡改
  • 基于口令的加密
  • 消息认证码
  • 数字签名
  • 伪随机数生成器
  • 一次性口令

常见的单向散列函数:

  • MD4、 MD5
  • SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512
  • RIPEMD-160
  • SHA-3

6. 消息验证码

英文名 Message Authentication Code， 输入为任意长度的消息和一个发送者与接收者之间共享的密钥，输出为固定长度的数据，即MAC值。

能够辨别篡改和伪装，但无法解决对第三方证明，以及防止否认

6.1 实现方法

  1. 使用单向散列函数实现
    使用SHA1、SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512所构造的HMAC分别称为HMAC-SHA1、HMAC-SHA-224、HMAC-SHA-256、HMAC-SHA-384、HMAC-SHA-512
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  2. 使用分组密码实现
  3. 其他方法（流密码，公钥密码）

6.2 应用与攻击方式

应用:

  • SWIFT (参考电子支付基础的一些分享资料)
  • IPsec
  • SSL/TLS

攻击方式:

  • 重放攻击
  • 密钥推测攻击

7. 伪随机数生成

很多地方都会用到随机数，生成密钥，密钥对，初始化向量，Nonce，盐。但是软件是没有办法生成真正的随机数的，软件生成的都是伪随机数。

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生成伪随机数有以下几种方法:

  • 杂乱的方法
  • 线性同余法
  • 单向散列函数法
  • 密码法
  • ANSI X9.17

8. PGP

略，可参考，PGP: Pretty Good Privacy - Garfinkel Simson

9. 关于密码系统的信息安全常识

  • 不要使用保密的密码算法
  • 使用低强度的密码比不进行任何加密更危险
  • 任何密码总有一天都会被破解
  • 一次性密码本理论上是无法破译的，但实际过程因为面临密钥配送问题，保存问题，重用问题，同步问题，生成问题而没有得到使用。
  • 盐主要是防御字典攻击的

0x02 加密基础设施

这里先介绍常规做基础设施需要的特性有哪些，然后针对每一种不同的不同的设施稍作补充。 图是临时画的，包含了去做一套加密基础设施涉及到的不同方面。下面我会简单介绍图中的几块。

image（绘制by作者）

  • Integration(Application/System)

    • Logging Management
    • Monitoring Management
    • Identify Management
    • Access Management
    • etc…

  • Optimization (Tech/Operation/…)

    • Workflow & Pipeline
    • Support Template
    • HW/SW Performance
    • Scenario
    • etc …

  • Customer Service (Application/User/…)

    • Support Service
    • Self Service

在知道在做某些Solution时需要考虑到的点后，我们看下加密基础设施的大概Scope是什么样的（绘制by作者）:

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以PKI进行举例(之前曾经总结过一篇关于CA/RA文章, 以及另一篇关于HSM的), 在确定了建设PKI的方案后，对逻辑架构和物理架构进行设计，同时包含了与其他系统/服务（日志，监控，权限，加密机等）的整合，在系统进行部署并提供服务后。继续建设整合服务，例如提供Support template， Customer Service，以及提供一定的SDK让其他系统/应用进行调用。不同功能的CA产生的不同证书提供给不同的应用或用户，其中提供给员工用于访问内部系统的证书是不是可以通过MDM工具推送到员工的Laptop，以及LB上的用于提供TLS服务的证书，以及所有需要根证书的地方等等。尽量优化日常运营中繁复的工作。

同样的针对HSM，KMS或者说Secret Management之类的也是类似的做法。

0x03 总结

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。

0x04 参考资料