了解加密学：从数学到物理（二）

前言：本文主要介绍了密码学的基本算法，DES、AES，还有未来的量子加密，本文适合普通读者，可以了解密码学的基础原理。本文作者是George Moraetes ，资深信息安全专家，文章来源于medium.com，由蓝狐笔记社群“Leo”翻译。

本文是上一篇 《了解加密学：从数学到物理（一）》 的续文

3.常用算法

今天的密码使用秘密公钥或私钥技术。密钥密码用于保护关键或敏感数据。因为密钥密码是两个人共享一个密钥，也称之为对称密码技术。

1949年，贝尔实验室的Claude Shannon发表了私钥密码的基本理论，从那之后几十年的发展，产出了高质量的案例。然而，直到1975年才出现强大的密钥算法，DES，它可用于一般用途。

公钥和非对称加密也在20世纪70年代中期出现。公钥密码使用一对密钥，公钥与其他人共享，私钥则由所有者独自掌握。例如，接收者可以创建密钥对，把公钥共享给其他人。发送者可以用公钥加密一封信，接收者可以用私钥进行解密。

加密密码的强度取决于三个主要因素：

1.基础设施

如果密码学主要是在软件中实施，那么，这个基础会很薄弱。如果你试图保密信息，而黑客最好的办法是入侵你的电脑，并在加密之前窃取信息。相对于破解大尺寸的密钥，侵入系统或使用病毒感染来窃取信息更容易。很多时候，窃取密钥最简单的方法可能是窃听用户，并在它传给加密程序时进行拦截。

2.密钥大小

在加密学中，大小很重要。如果攻击者无法安装击键监视器，那么，破解密文的最好方式是通过暴力计算的试错法搜索来猜测密码。因此，实用的密码必须足够大，以至于让暴力计算搜索变得不切实际。但是，随着计算速度越来越快，密码大小的“安全边界”也在不断增长。

专家们承认64比特或更少的密钥（包括DES）很容易受到攻击。1999年，EFF（电子前沿基金会）曾资助开发一种名为Deep Crack的设备，它可以在三天或更短时间内攻破DES加密密钥。当今的密码密钥一般包含100比特，甚至有一些支持256比特的密钥。

3.算法质量

算法质量比较难评判，基于现有算法构建看似合理的密码，这相对容易。除非有经验的人仔细查看，否则很难发现一些细微的缺陷。密码漏洞会产生“捷径”，允许攻击者跳过大块密钥，并发起试错搜索。例如，流行的压缩实用程序PKZIP，传统上采用了64比特密钥的定制加密功能。从理论上，应该进行264次尝试来检查所有可能的密钥。实际上，针对PKZIP有一个捷径，只需227次尝试就可以破解密文。

找到这些缺陷的唯一方法实际上是破解算法，通常是使用曾经对其他密码起作用的小技巧。算法只有在承受此类分析和攻击之后，才能证明它的质量。即便如此，今天没能找到缺陷不等于将来不会被找到。

算法类型

1.DES

DES经受住了时间的考验，因为密码质量在多年前发表的研究中得到证实。在经过四分之一世纪的研究，研究者只是发现一些投机攻击，最终来说，不如暴力计算攻击实用。DES密码的唯一弱点是它56比特的大小。

2.Triple DES

通过使用112比特或168比特密码，连续三次应用密码来解决问题。结果是，它比其他类似强度的密码慢很多，但是，由于强大的计算机攻击破解了算法，它也过时了。

3.AES

AES（高级加密标准）支持三种密码大小：128，192和256比特，并使用128比特区块大小。它目前是全球广泛使用的标准。

Rijndael 密码表

DES的设计明确地要为硬件构建，但没有考虑让它在软件中有效工作。NIST（美国国家标准与技术研究院）评估了软件执行效率和存储要求，以确保AES在如下环境能运转良好：运行C或 Java 的工作台，或更受限制的环境，如嵌入式ARM处理器和智能卡的环境。

Rijndael是由荷兰研究人员Vincent Rijmen和John Daemen开发的，虽然最终是Rijndael赢得了NIST的竞赛，但所有AES决赛入围的密码方案都超过DES及DES替代品，有很大的改进。它们都支持128比特或更大的分组密码。它们都没有严重的弱点，最终选择Rijndael是在平衡加密强度和性能之后作出的决定。

AES基于替代置换的原理设计，综合了替代和置换，在硬件和软件上都很快。跟它的前身DES不同，AES不使用Feistel。 AES是Rijndael的变体，其固定区块大小为128比特，关键维度是128，192或256比特。

相比之下，Rijndael规范由区块和密钥大小来定，可以是32比特的任意倍数，最小值128比特，最大值256比特。

虽然某些版本的Rijndael有更大的区块大小和额外的列，但，AES操作在4×4列主要的字节顺序矩阵上，它被称为状态。大多数AES计算都是在特定的有限域中完成。

用于AES密码的密钥大小指定转换轮次的重复次数，把输入转换为最终输入，输入的是明文，输出的是密文。

重复周期数如下：

• 128比特密钥重复10个周期

• 192比特密钥重复12个周期

• 256比特密钥重复14个周期

每轮包含几个处理步骤，每个步骤包含四个相似但不同的阶段，包括一个依赖于加密密钥本身的阶段。一组反向重复被应用于转换，使用相同的加密密钥把加密文转换为原始明文。

量子加密

在上图中，量子密钥分发（BB84协议）是一个安全的通信方法，它执行加密协议，协议涉及量子力学组件，并确保通信安全。它能让双方产生共享的随机密钥，也是对称性密钥，密钥只能被双方知晓，可以用来加密或解密信息。

量子力学是一门科学定律的主体，它描述光子、电子和构成宇宙的其他粒子的行为规律。行业正在寻求抵抗黑客的更高安全性。新一代的密码学已经从数学转向了物理。原子和粒子物理学的科学家们已经进入加密学的世界。这些科学家想利用量子力学的定律来发送信息，以实现无法被破解的安全性。他们是新领域的架构师，这个领域被称为量子密码学，这在过去几十年才成熟起来。

量子密码学从粒子物理中汲取力量。构成我们宇宙的粒子本质上是不确定的现象，能够同时存在不止一个地方或处于不止一种状态。（译者注：就像薛定谔的猫，同时处于生和死的两种可能状态）当它们碰撞到物体或被测量属性时，它们会独立选择行为。

密码学是信息安全的迷人领域，也是最复杂的科学之一。一旦我们从简单的凯撒和Polybius密码发展到DES和AES密码，这里有不断地重复迭代，那么，抓住算法概念就变得容易了。

密码学本身是一门科学，我们探索了它的历史，包括了今天很少使用的以及最复杂的密码基本概念。

来源：蓝狐笔记（https://mp.weixin.qq.com/s/1OZZcQndhP-Gx-NCoMYWAw） 本文作者：George Moraetes ，资深信息安全专家，文章来源于medium.com，由蓝狐笔记社群“Leo”翻译。