一、密碼學(xué)的起源
密碼學(xué)的出現(xiàn)主要是因為戰(zhàn)爭，有了戰(zhàn)爭，就有了密碼學(xué)的應(yīng)用環(huán)境。在戰(zhàn)爭中，對陣雙方要保護(hù)自己的通信安全并竊取、破譯對方的情報，就出現(xiàn)了密碼學(xué)。
為了保證通信的安全，出現(xiàn)了下面3種保密方法：
1、對傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，使用的方法包括：對稱加密算法、非對稱加密算法。
2、雖然對數(shù)據(jù)進(jìn)行了加密，但是會存在加密的數(shù)據(jù)被破壞的情況，因此使用散列函數(shù)來驗證數(shù)據(jù)的完整性。通過散列函數(shù)，可以為數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個散列值，散列值通常是一個短的隨機(jī)字母和數(shù)字組成的字符串，收發(fā)雙方提前約定要使用的散列算法，如果消息被篡改，數(shù)據(jù)前后所得的散列值就會不同。散列函數(shù)常用的算法有MD--消息摘要算法，SHA--安全散列算法、MAC--消息認(rèn)證碼算法。
3、除此之外還需要保證數(shù)據(jù)來源的可認(rèn)證性和數(shù)據(jù)發(fā)送行為的不可否認(rèn)性，就需要通過數(shù)字簽名來保證，數(shù)字簽名可以保證簽名者任何時候都無法否認(rèn)自己曾經(jīng)簽發(fā)的數(shù)字簽名，信息接受者能夠驗證和確認(rèn)收到的數(shù)字簽名，但任何人無法偽造發(fā)送者的數(shù)字簽名，當(dāng)收發(fā)雙方對數(shù)字簽名真?zhèn)萎a(chǎn)生爭議時，可進(jìn)行仲裁。數(shù)字簽名使用非對稱密碼體制，簽名算法受私鑰控制，由簽名者保密，驗證算法受公鑰控制，對外公開，也就是說私鑰用于簽名，公鑰用于驗證。常用的數(shù)字簽名算法有：RSA(即可用于非對稱加密算法，也可用于簽名算法)、DSA(屬于非對稱加密算法但不具備數(shù)據(jù)加解密功能)
Tips:
雙向認(rèn)證：
甲方用私鑰對數(shù)據(jù)做簽名發(fā)送給乙方，數(shù)據(jù)是可以保證安全的，但是如果乙方想發(fā)送消息給甲方，由于公鑰，算法都是公開的，竊聽者可以截獲乙方的消息替換成自己的，而甲方無法辨別消息是否來源于乙方，也就是說上述的認(rèn)證消息是單向的，屬于單向認(rèn)證。如果有兩套公私鑰，甲乙雙方都對數(shù)據(jù)做簽名及驗證就可以避免這個問題，這就是雙向認(rèn)證。
二、密碼學(xué)分類
1、按時間劃分
A、古典密碼：以字符為基本加密單元，通過移位(也稱錯位，將字符的順序重新排列，如：將“12345”變?yōu)椤?2165”)，替代(也稱置換，將明文中的一組字符替代成其他字符，如：將“encryption”變?yōu)椤癴odszqujpo”每個字母用下一個字母替代)達(dá)到加密的目的。
B、現(xiàn)代密碼：以信息塊為基本加密單元
2、按保密內(nèi)容劃分
A、受限制算法：算法的保密性給予保持算法的秘密，算法由專業(yè)機(jī)構(gòu)開發(fā)，驗證，確保其算法的安全性，是古典密碼學(xué)的主要特征。
B、基于密鑰算法：算法的保密性基于對密鑰的保密。這樣做的好處是：算法的公開有助于算法安全性的驗證，算法的漏洞得以及時修正，避免留下后面，這是先打密碼學(xué)的主要特征。
3、按密碼體制劃分
A、對稱密碼體制(單鑰密碼體制/私鑰密碼體制)：加密與解密的密鑰相同，即加密與解密的過程中使用同一套密鑰。
B、非對稱密碼體制(雙鑰密碼體制/公鑰密碼體制)：加密與解密的密鑰不同，分為公鑰與私鑰，公鑰對外公開，私鑰對外保密。
這兩種密碼體制對應(yīng)的算法為對稱密碼算法和非對稱密碼算法。
A、對稱密碼算法(單鑰密碼算法/私鑰密碼算法)：DES，AES
B、非對稱密碼算法(雙鑰密碼算法/公鑰密碼算法)：RSA，這種算法有更高的安全性，但是加密解密的耗時較長。
4、按明文的處理方法劃分
A、分組密碼：加密時將明文分成固定長度的租，用同一密鑰和算法對每一塊加密，輸出的也是固定長度的密文，多用于網(wǎng)絡(luò)加密。分組長度越長，密碼分析越困難，分組長度越短，操作運(yùn)算越簡單。代表算法：DES，AES。
分組密碼工作模式：
1)電子密碼本模式--ECB：是最基本、最易理解的工作模式。每次加密均產(chǎn)生獨(dú)立的密文分組，每組的加密結(jié)果不影響其他分組，相同明文加密后產(chǎn)生相同密文。適用于加密密鑰，隨機(jī)數(shù)等短數(shù)據(jù)。(如果密文較長，重復(fù)的內(nèi)容較多，則密文也會重復(fù)，密文容易被篡改)
2)密文鏈接模式--CBC：應(yīng)用最廣泛。明文加密前先與前面的密文進(jìn)行異或再加密，因此只要選擇不同的初始向量，相同的明文加密后產(chǎn)生的密文也不相同。但如果在加密過程中發(fā)生錯誤，則錯誤會被無限放大，最終導(dǎo)致加密失敗。適用于檢車數(shù)據(jù)完整性的消息認(rèn)證碼MAC。
3)密文反饋模式--CFB：初始化一個向量，加密后與第一個分組進(jìn)行異或產(chǎn)生第一組密文，之后對第一組密文加密后再與第二個分組進(jìn)行異或取得第二組密文，以此類推。這種作法，即使明文相同，產(chǎn)生的密文也不同，但也會誤差傳遞。用于檢查發(fā)現(xiàn)明文密文的篡改。
4)輸出反饋模式--OFB：與CFB類似，無誤差傳送問題，對明文的主動攻擊是可能的，安全性較CFB差，適用于加密冗余性較大的數(shù)據(jù)，如語音和圖像。
B、流密碼(序列密碼)：加密時每次加密一位或一個字節(jié)的明文，對系統(tǒng)資源要求極低，常用于手機(jī)應(yīng)用平臺，它的實現(xiàn)簡單，便于硬件技術(shù)，加解密速度快，錯誤傳播率低，但對錯誤的產(chǎn)生不夠敏感。常用算法有RC4，SEAL。
流密碼分為：
1)同步流密碼：信息在發(fā)送和接收時，同步進(jìn)行加解密操作，明文與密文一一對應(yīng)，密文內(nèi)容如果被篡改，會導(dǎo)致同步失敗，則密文解密失敗。同步流密碼的重要特點(diǎn)就是，如果一個密文位發(fā)生變化，只會影響這一位密文的恢復(fù)，對后續(xù)密文無影響。這樣也會導(dǎo)致攻擊者選擇性的對密文進(jìn)行改動，因此同步流密碼具有同步性、無錯誤傳遞性、主動攻擊性三種特征。適用于對音頻、視頻提供版權(quán)保護(hù)。
2)自同步流密碼：是一種由記憶變換的密碼，每個密鑰與已產(chǎn)生的固定數(shù)量的密文位有關(guān)，密鑰由已生成的密文決定。如果一個密文位發(fā)生變化，這個變化會影響后續(xù)有限位(如n位)的密文位的正確解密。所以，自同步流密碼有錯誤傳遞的現(xiàn)象。但是，在接收了n為正確密文字符后，密碼自身又會實現(xiàn)重新同步。自同步流密碼的密碼分析更困難，安全性更高。有自同步性，錯誤傳遞有限性，主動攻擊性及明文統(tǒng)計擴(kuò)散性四種特征。
三、算法介紹
1、Base64
Base64是一種基于64個字符的編碼算法，是一種以任意8位字節(jié)序列組合的描述形式，這種形式不易被人直接識別。Base64算法的轉(zhuǎn)換類似于古典加密算法中的電表置換算法，通過一個字符映射表對原數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。經(jīng)過Base64編碼后的數(shù)據(jù)會比原始數(shù)據(jù)略長，為原來的4/3倍，經(jīng)過Base64編碼后的字符串的字符數(shù)是以4位單位的整數(shù)倍。如果編碼后的字符數(shù)不足4的整數(shù)倍，需要補(bǔ)位，Base64的字符映射表中用于補(bǔ)位的符號是“=”，因此看到字符串末尾有等號，就會聯(lián)想到Base64的算法。
Base64算法的編碼、解碼操作可以作為加解密操作，字符映射表可以作為密鑰，為什么他不能叫做加密算法呢？因為Base64的算法公開沒有問題，但是充當(dāng)密鑰的字符映射表也公開了，相當(dāng)于把密鑰進(jìn)行公開了，自然無法作為加密算法了，而且Base64算法的加密強(qiáng)度并不高。雖然Base64不能作為加密算法，但他常作為密鑰、密文、證書的一種通用存儲編碼格式，與加密算法形影不離。
2、消息摘要算法(驗證數(shù)據(jù)完整性)
散列函數(shù)的單向性(通過散列函數(shù)可以獲得對應(yīng)的散列值，但不可通過該散列值反推其原始信息)使其能夠用于校驗數(shù)據(jù)的完整性，任何消息經(jīng)過散列函數(shù)處理后，都會獲得唯一的散列值，這一過程稱為“消息摘要”，其散列值稱為“數(shù)字指紋”，其算法稱為“消息摘要算法”。數(shù)字簽名是使用消息摘要算法獲得數(shù)字指紋。
消息摘要算法主要分為三大類：MD(Message Digest，消息摘要算法)、SHA(Secure Hash Algorithm，安全散列算法)和MAC(Message Authentication Code，消息認(rèn)證碼算法)
A、MD算法家族
MD5是典型的消息摘要算法，其前身有MD2，MD3，MD4，它由MD4，MD3，MD2算法改進(jìn)而來。這種算法需要獲得一個隨機(jī)長度的信息，并產(chǎn)生一個128位的信息摘要，并將這個128位的二進(jìn)制摘要信息換算成十六進(jìn)制，就得到一個32位的字符串，所以大部分MD5算法的數(shù)字指紋都是32位的十六進(jìn)制字符串。
B、SHA算法家族
SHA算法家族有SHA-1，SHA-224，SHA-256，SHA-384，SHA-512(通常將后四種算法稱為SHA-2算法)。SHA算法是在MD4算法基礎(chǔ)上演進(jìn)而來，通過SHA算法能獲得一個固定長度的摘要信息，但若輸入的消息不同，則與其相對應(yīng)的摘要信息的差異概率很高，因此要找到兩組不同的信息對應(yīng)相同的消息摘要，從理論上來說很困難。與MD算法相比，摘要長度更長，安全性更高。
C、MAC算法家族
MAC算法結(jié)合了MD5和SHA算法的優(yōu)勢，并加入密鑰的之處，是一種更為安全的消息摘要算法。
3、循環(huán)冗余校驗(奇偶校驗碼)算法--CRC算法
CRC(Cyclic Redundancy Check，循環(huán)冗余校驗)是可以根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生簡短固定位數(shù)的一種散列函數(shù)，主要用于檢測/校驗數(shù)據(jù)傳輸/保存后出現(xiàn)的錯誤。生成的散列值在傳輸或存儲之前計算出來并附加到數(shù)據(jù)后面，在使用數(shù)據(jù)之前，對數(shù)據(jù)的完整性做校驗。一般來說，循環(huán)冗余校驗的值都是32位的二進(jìn)制數(shù)，以8位十六進(jìn)制字符串形式表示。他編碼解碼方法簡單，檢錯糾錯能力強(qiáng)，在通信領(lǐng)域廣泛用于實現(xiàn)差錯控制。
CRC算法與消息摘要算法一樣，屬于散列函數(shù)，但他并不屬于加密算法。
4、對稱加密算法
對稱加密算法，解密算法是加密算法的逆運(yùn)算，加密密鑰和解密密鑰相同。對稱加密算法易于理解，便于實現(xiàn)，根據(jù)加密方式分為密碼和分組密碼，分組密碼又有幾種工作模式：ECB，CBC，CFB，OFB，CTR等，密鑰長度決定了加密算法的安全性。
Java6中提供了DES，DESede，AES，Blowfish，RC2，RC4算法，其中DES是對稱加密算法的代表，DESede是DES算法的變種，AES算法是DES的替代者。
5、非對稱加密算法
非對稱加密算法與對稱加密算法的主要區(qū)別在于，非對稱加密算法用于加密和解密的密鑰不同，一個公開，稱為公鑰，一個保密，稱為私鑰。這種雙鑰體系更為安全，但他的加解密速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于對稱加密，在某些極端的情況下，會比非對稱加密慢1000倍。
非對稱加密的公鑰公開，通過非安全通道發(fā)放，私鑰保密，由發(fā)放者保留，公鑰私鑰互相對應(yīng)，成對出現(xiàn)，公鑰加密的數(shù)據(jù)，只能用私鑰解密，反之亦可。這樣密鑰的管理就不是問題了，安全性大大保證。非對稱加密算法一般應(yīng)用在對安全性要求相當(dāng)高的領(lǐng)域，如電子商務(wù)平臺。
Tips：
由于非對稱加密算法效率低，所以一般講對稱和非對稱加密算法結(jié)合使用，使用對稱加密算法為數(shù)據(jù)加解密，而使用非對稱加密算法為對稱加密算法的密鑰進(jìn)行加解密。因為非對稱加密算法對待加密數(shù)據(jù)的長度有極為苛刻 要求，如RSA算法要求待加密數(shù)據(jù)不得大于53個字節(jié)，因此非對稱加密算法主要用于交換對稱加密算法的密鑰，而非數(shù)據(jù)。
非對稱加密算法最重要的實現(xiàn)就是RSA算法。
通過RSA形成了DSA算法，DSA和RSA都是數(shù)字證書中不可或缺的兩種算法，但DSA值包含數(shù)字簽名算法，使用DSA算法的數(shù)字證書無法進(jìn)行加密通信，而RSA算法既包含加解密算法，又包含數(shù)字簽名算法。可以認(rèn)為DSA是RSA數(shù)字簽名算法實現(xiàn)的簡裝版。
四、應(yīng)用--數(shù)字證書
數(shù)字證書用于標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)中用戶的身份，數(shù)字證書有認(rèn)證機(jī)構(gòu)(Certificate Authority，CA)簽發(fā)，證書的簽發(fā)是對申請數(shù)字證書的公鑰做數(shù)字簽名，證書的驗證是對數(shù)字證書的公鑰做驗證簽名，有效期驗證。
數(shù)字證書使用相應(yīng)的加密算法保證了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的安全性
1、非對稱加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作，保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性
2、數(shù)字簽名算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名驗證操作，保證數(shù)據(jù)的完整性和抗否認(rèn)性
3、消息摘要算法對數(shù)字證書本身做摘要處理，保證數(shù)字證書的完整性
五、總結(jié)
