加密技术挑战

⑴ 数据加密标准的DES挑战赛

从1997年开始，RSA公司发起了一个称作“向DES挑战”的竞技赛。在首届挑战赛上，罗克·维瑟用了96天时间破解了用DES加密的一段信息。
1999年12月22日，RSA公司发起“第三届DES挑战赛（DES Challenge III）”。2000年1月19日，由电子边疆基金会组织研制的25万美元的DES解密机以22.5小时的战绩，成功地破解了DES加密算法。DES已逐渐完成了它的历史使命。

⑵ 加密技术06-加密总结

对称密码是一种用相同的密钥进行加密和解密的技术，用于确保消息的机密性。在对称密码的算法方面，目前主要使用的是 AES。尽管对称密码能够确保消息的机密性，但需要解决将解密密钥配送给接受者的密钥配送问题。

主要算法

DES

数据加密标准（英语：Data Encryption Standard，缩写为 DES）是一种对称密钥加密块密码算法，1976年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），随后在国际上广泛流传开来。它基于使用56位密钥的对称算法。

DES现在已经不是一种安全的加密方法，主要因为它使用的56位密钥过短。

原理请参考： 加密技术01-对称加密-DES原理

3DES

三重数据加密算法（英语：Triple Data Encryption Algorithm，缩写为TDEA，Triple DEA），或称3DES（Triple DES），是一种对称密钥加密块密码，相当于是对每个数据块应用三次DES算法。由于计算机运算能力的增强，原版DES由于密钥长度过低容易被暴力破解；3DES即是设计用来提供一种相对简单的方法，即通过增加DES的密钥长度来避免类似的攻击，而不是设计一种全新的块密码算法。

注意：有3个独立密钥的3DES的密钥安全性为168位，但由于中途相遇攻击（知道明文和密文），它的有效安全性仅为112位。

3DES使用“密钥包”，其包含3个DES密钥，K1，K2和K3，均为56位（除去奇偶校验位）。

密文 = E k3 (D k2 (E k1 (明文)))

而解密则为其反过程：

明文 = D k3 (E k2 (D k1 (密文)))

AES

AES 全称 Advanced Encryption Standard（高级加密标准）。它的出现主要是为了取代 DES 加密算法的，因为 DES 算法的密钥长度是 56 位，因此算法的理论安全强度是 56 位。于是 1997 年 1 月 2 号，美国国家标准技术研究所宣布什望征集高级加密标准，用以取代 DES。AES 也得到了全世界很多密码工作者的响应，先后有很多人提交了自己设计的算法。最终有5个候选算法进入最后一轮：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6 和 MARS。最终经过安全性分析、软硬件性能评估等严格的步骤，Rijndael 算法获胜。

AES 密码与分组密码 Rijndael 基本上完全一致，Rijndael 分组大小和密钥大小都可以为 128 位、192 位和 256 位。然而 AES 只要求分组大小为 128 位，因此只有分组长度为 128 位的 Rijndael 才称为 AES 算法。

本文 AES 默认是分组长度为 128 位的 Rijndael 算法

原理请参考： 加密技术02-对称加密-AES原理

算法对比

公钥密码是一种用不同的密钥进行加密和解密的技术，和对称密码一样用于确保消息的机密性。使用最广泛的一种公钥密码算法是 RAS。和对称密码相比，公钥密码的速度非常慢，因此一般都会和对称密码一起组成混合密码系统来使用。公钥密码能够解决对称密码中的密钥交换问题，但存在通过中间人攻击被伪装的风险，因此需要对带有数字签名的公钥进行认证。

公钥密码学的概念是为了解决对称密码学中最困难的两个问题而提出

应用场景

几个误解

主要算法

Diffie–Hellman 密钥交换

迪菲-赫尔曼密钥交换（英语：Diffie–Hellman key exchange，缩写为D-H） 是一种安全协议。它可以让双方在完全没有对方任何预先信息的条件下通过不安全信道创建起一个密钥。这个密钥可以在后续的通讯中作为对称密钥来加密通讯内容。公钥交换的概念最早由瑞夫·墨克（Ralph C. Merkle）提出，而这个密钥交换方法，由惠特菲尔德·迪菲（Bailey Whitfield Diffie）和马丁·赫尔曼（Martin Edward Hellman）在1976年发表，也是在公开文献中发布的第一个非对称方案。

Diffie–Hellman 算法的有效性是建立在计算离散对数很困难的基础上。简单地说，我们可如下定义离散对数。首先定义素数 p 的本原跟。素数 p 的本原根是一个整数，且其幂可以产生 1 到 p-1 之间所有整数，也就是说若 a 是素数 p 的本原根，则

a mod p, a 2 mod p,..., a p-1 mod p 各不相同，它是整数 1 到 p-1 的一个置换。

对任意整数 b 和素数 p 的本原跟 a，我们可以找到唯一的指数 i 使得

b ≡ a i (mod p) 其中 0 <= i <= p-1

其中 a, b, p 这些是公开的，i 是私有的，破解难度就是计算 i 的难度。

Elgamal

1985年，T.Elgamal 提出了一种基于离散对数的公开密钥体制，一种与 Diffie-Hellman 密钥分配体制密切相关。Elgamal 密码体系应用于一些技术标准中，如数字签名标准(DSS) 和 S/MIME 电子邮件标准。

基本原理就是利用 Diffie–Hellman 进行密钥交换，假设交换的密钥为 K，然后用 K 对要发送的消息 M，进行加密处理。

所以 Elgamal 的安全系数取决于 Diffie–Hellman 密钥交换。

另外 Elgamal 加密后消息发送的长度会增加一倍。

RSA

MIT 的罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）在 1977 年提出并于 1978 年首次发表的算法。RSA 是最早满足要求的公钥算法之一，自诞生日起就成为被广泛接受且被实现的通用的公钥加密方法。

RSA 算法的有效性主要依据是大数因式分解是很困难的。

原理请参考： 加密技术03-非对称加密-RSA原理

ECC

大多数使用公钥密码学进行加密和数字签名的产品和标准都使用 RSA 算法。我们知道，为了保证 RSA 使用的安全性，最近这些年来密钥的位数一直在增加，这对使用 RSA 的应用是很重的负担，对进行大量安全交易的电子商务更是如此。近来，出现的一种具有强大竞争力的椭圆曲线密码学（ECC）对 RSA 提出了挑战。在标准化过程中，如关于公钥密码学的 IEEE P1363 标准中，人们也已考虑了 ECC。

与 RSA 相比，ECC 的主要诱人之处在于，它可以使用比 RSA 短得多的密钥得到相同安全性，因此可以减少处理负荷。

ECC 比 RSA 或 Diffie-Hellman 原理复杂很多，本文就不多阐述了。

算法对比

公钥密码体制的应用

密码分析所需计算量（ NIST SP-800-57 ）

注：L=公钥的大小，N=私钥的大小

散列函数是一种将长消息转换为短散列值的技术，用于确保消息的完整性。在散列算法方面，SHA-1 曾被广泛使用，但由于人们已经发现了一些针对该算法理论上可行的攻击方式，因此该算法不应再被用于新的用途。今后我们应该主要使用的算法包括目前已经在广泛使用的 SHA-2，以及具有全新结构的 SHA-3 算法。散列函数可以单独使用，也可以作为消息认证、数字签名以及伪随机数生成器等技术的组成元素来使用。

主要应用

主要算法

MD5

MD5消息摘要算法（英语：MD5 Message-Digest Algorithm），一种被广泛使用的密码散列函数，可以产生出一个 128 位（ 16 字节，被表示为 32 位十六进制数字）的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。MD5 由美国密码学家罗纳德·李维斯特（Ronald Linn Rivest）设计，于 1992 年公开，用以取代 MD4 算法。这套算法的程序在 RFC 1321 中被加以规范。

2009年，中国科学院的谢涛和冯登国仅用了 2 20.96 的碰撞算法复杂度，破解了MD5的碰撞抵抗，该攻击在普通计算机上运行只需要数秒钟。2011年，RFC 6151 禁止MD5用作密钥散列消息认证码。

原理请参考： 加密技术04-哈希算法-MD5原理

SHA-1

SHA-1（英语：Secure Hash Algorithm 1，中文名：安全散列算法1）是一种密码散列函数，美国国家安全局设计，并由美国国家标准技术研究所（NIST）发布为联邦资料处理标准（FIPS）。SHA-1可以生成一个被称为消息摘要的160位（20字节）散列值，散列值通常的呈现形式为40个十六进制数。

2005年，密码分析人员发现了对SHA-1的有效攻击方法，这表明该算法可能不够安全，不能继续使用，自2010年以来，许多组织建议用SHA-2或SHA-3来替换SHA-1。Microsoft、Google以及Mozilla都宣布，它们旗下的浏览器将在2017年停止接受使用SHA-1算法签名的SSL证书。

2017年2月23日，CWI Amsterdam与Google宣布了一个成功的SHA-1碰撞攻击，发布了两份内容不同但SHA-1散列值相同的PDF文件作为概念证明。

2020年，针对SHA-1的选择前缀冲突攻击已经实际可行。建议尽可能用SHA-2或SHA-3取代SHA-1。

原理请参考： 加密技术05-哈希算法-SHA系列原理

SHA-2

SHA-2，名称来自于安全散列算法2（英语：Secure Hash Algorithm 2）的缩写，一种密码散列函数算法标准，由美国国家安全局研发，由美国国家标准与技术研究院（NIST）在2001年发布。属于SHA算法之一，是SHA-1的后继者。其下又可再分为六个不同的算法标准，包括了：SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。

SHA-2 系列的算法主要思路和 SHA-1 基本一致

原理请参考： 加密技术05-哈希算法-SHA系列原理

SHA-3

SHA-3 第三代安全散列算法(Secure Hash Algorithm 3)，之前名为 Keccak 算法。

Keccak 是一个加密散列算法，由 Guido Bertoni，Joan Daemen，Michaël Peeters，以及 Gilles Van Assche 在 RadioGatún 上设计。

2012年10月2日，Keccak 被选为 NIST 散列函数竞赛的胜利者。SHA-2 目前没有出现明显的弱点。由于对 MD5、SHA-0 和 SHA-1 出现成功的破解，NIST 感觉需要一个与之前算法不同的，可替换的加密散列算法，也就是现在的 SHA-3。

SHA-3 在2015年8月5日由 NIST 通过 FIPS 202 正式发表。

原理请参考： 加密技术05-哈希算法-SHA系列原理

算法对比

⑶ 信息加密技术的加密技术分析

加密就是通过密码算术对数据进行转化，使之成为没有正确密钥任何人都无法读懂的报文。而这些以无法读懂的形式出现的数据一般被称为密文。为了读懂报文，密文必须重新转变为它的最初形式--明文。而含有用来以数学方式转换报文的双重密码就是密钥。在这种情况下即使一则信息被截获并阅读，这则信息也是毫无利用价值的。而实现这种转化的算法标准，据不完全统计，到现在为止已经有近200多种。在这里，主要介绍几种重要的标准。按照国际上通行的惯例，将这近200种方法按照双方收发的密钥是否相同的标准划分为两大类：一种是常规算法（也叫私钥加密算法或对称加密算法），其特征是收信方和发信方使用相同的密钥，即加密密钥和解密密钥是相同或等价的。比较着名的常规密码算法有：美国的DES及其各种变形，比如3DES、GDES、New DES和DES的前身Lucifer； 欧洲的IDEA；日本的FEAL N、LOKI?91、Skipjack、RC4、RC5以及以代换密码和转轮密码为代表的古典密码等。在众多的常规密码中影响最大的是DES密码，而最近美国NIST（国家标准与技术研究所）推出的AES将有取代DES的趋势，后文将作出详细的分析。常规密码的优点是有很强的保密强度，且经受住时间的检验和攻击，但其密钥必须通过安全的途径传送。因此，其密钥管理成为系统安全的重要因素。另外一种是公钥加密算法（也叫非对称加密算法）。其特征是收信方和发信方使用的密钥互不相同，而且几乎不可能从加密密钥推导解密密钥。比较着名的公钥密码算法有：RSA、背包密码、McEliece密码、Diffe Hellman、Rabin、Ong Fiat Shamir、零知识证明的算法、椭圆曲线、EIGamal算法等等⑷。最有影响的公钥密码算法是RSA，它能抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，而最近势头正劲的ECC算法正有取代RSA的趋势。公钥密码的优点是可以适应网络的开放性要求，且密钥管理问题也较为简单，尤其可方便的实现数字签名和验证。但其算法复杂，加密数据的速率较低。尽管如此，随着现代电子技术和密码技术的发展，公钥密码算法将是一种很有前途的网络安全加密体制。这两种算法各有其短处和长处，在下面将作出详细的分析。 在私钥加密算法中，信息的接受者和发送者都使用相同的密钥，所以双方的密钥都处于保密的状态，因为私钥的保密性必须基于密钥的保密性，而非算法上。这在硬件上增加了私钥加密算法的安全性。但同时我们也看到这也增加了一个挑战：收发双方都必须为自己的密钥负责，这种情况在两者在地理上分离显得尤为重要。私钥算法还面临这一个更大的困难，那就是对私钥的管理和分发十分的困难和复杂，而且所需的费用十分的庞大。比如说，一个n个用户的网络就需要派发n(n-1)/2个私钥，特别是对于一些大型的并且广域的网络来说，其管理是一个十分困难的过程，正因为这些因素从而决定了私钥算法的使用范围。而且，私钥加密算法不支持数字签名，这对远距离的传输来说也是一个障碍。另一个影响私钥的保密性的因素是算法的复杂性。现今为止，国际上比较通行的是DES、3DES以及最近推广的AES。
数据加密标准（Data Encryption Standard）是IBM公司1977年为美国政府研制的一种算法。DES是以56 位密钥为基础的密码块加密技术。它的加密过程一般如下：
① 一次性把64位明文块打乱置换。
② 把64位明文块拆成两个32位块；
③ 用机密DES密钥把每个32位块打乱位置16次；
④ 使用初始置换的逆置换。
但在实际应用中，DES的保密性受到了很大的挑战，1999年1月，EFF和分散网络用不到一天的时间，破译了56位的DES加密信息。DES的统治地位受到了严重的影响，为此，美国推出DES的改进版本-- 三重加密（triple Data Encryption Standard）即在使用过程中，收发双方都用三把密钥进行加解密，无疑这种3*56式的加密方法大大提升了密码的安全性，按现在的计算机的运算速度，这种破解几乎是不可能的。但是我们在为数据提供强有力的安全保护的同时，也要化更多的时间来对信息进行三次加密和对每个密层进行解密。同时在这种前提下，使用这种密钥的双发都必须拥有3个密钥，如果丢失了其中任何一把，其余两把都成了无用的密钥。这样私钥的数量一下又提升了3倍，这显然不是我们想看到的。于是美国国家标准与技术研究所推出了一个新的保密措施来保护金融交易。高级加密标准（Advanced Encryption Standard）美国国家技术标准委员会(NIST)在2000年10月选定了比利时的研究成果Rijndael作为AES的基础。Rijndael是经过三年漫长的过程，最终从进入候选的五种方案中挑选出来的。
AES内部有更简洁精确的数学算法,而加密数据只需一次通过。AES被设计成高速，坚固的安全性能，而且能够支持各种小型设备。AES与3DES相比，不仅是安全性能有重大差别，使用性能和资源有效利用上也有很大差别。虽然到现在为止，我还不了解AES的具体算法但是从下表可以看出其与3DES的巨大优越性。
还有一些其他的一些算法，如美国国家安全局使用的飞鱼（Skipjack）算法，不过它的算法细节始终都是保密的，所以外人都无从得知其细节类容；一些私人组织开发的取代DES的方案：RC2、RC4、RC5等。 面对在执行过程中如何使用和分享密钥及保持其机密性等问题，1975年Whitefield Diffe和Marti Hellman提出了公开的密钥密码技术的概念，被称为Diffie-Hellman技术。从此公钥加密算法便产生了。
由于采取了公共密钥，密钥的管理和分发就变得简单多了，对于一个n个用户的网络来说，只需要2n个密钥便可达到密度。同时使得公钥加密法的保密性全部集中在及其复杂的数学问题上，它的安全性因而也得到了保证。但是在实际运用中，公共密钥加密算法并没有完全的取代私钥加密算法。其重要的原因是它的实现速度远远赶不上私钥加密算法。又因为它的安全性，所以常常用来加密一些重要的文件。自公钥加密问世以来，学者们提出了许多种公钥加密方法，它们的安全性都是基于复杂的数学难题。根据所基于的数学难题来分类，有以下三类系统目前被认为是安全和有效的：大整数因子分解系统(代表性的有RSA)、椭圆曲线离散对数系统(ECC)和离散对数系统 (代表性的有DSA)，下面就作出较为详细的叙述。
RSA算法是由罗纳多·瑞维斯特（Rivet）、艾迪·夏弥尔（Shamir）和里奥纳多·艾德拉曼（Adelman）联合推出的，RAS算法由此而得名。它的安全性是基于大整数素因子分解的困难性，而大整数因子分解问题是数学上的着名难题，至今没有有效的方法予以解决，因此可以确保RSA算法的安全性。RSA系统是公钥系统的最具有典型意义的方法，大多数使用公钥密码进行加密和数字签名的产品和标准使用的都是RSA算法。它得具体算法如下：
① 找两个非常大的质数，越大越安全。把这两个质数叫做P和Q。
② 找一个能满足下列条件得数字E：
A． 是一个奇数。
B． 小于P×Q。
C． 与（P－1）×（Q－1）互质，只是指E和该方程的计算结果没有相同的质数因子。
③ 计算出数值D，满足下面性质：（（D×E）－1）能被（P－1）×（Q－1）整除。
公开密钥对是（P×Q，E）。
私人密钥是D。
公开密钥是E。
解密函数是：
假设T是明文，C是密文。
加密函数用公开密钥E和模P×Q；
加密信息=（TE）模P×Q。
解密函数用私人密钥D和模P×Q；
解密信息=（CD）模P×Q。
椭圆曲线加密技术（ECC）是建立在单向函数（椭圆曲线离散对数）得基础上，由于它比RAS使用得离散对数要复杂得多。而且该单向函数比RSA得要难，所以与RSA相比，它有如下几个优点：
安全性能更高 加密算法的安全性能一般通过该算法的抗攻击强度来反映。ECC和其他几种公钥系统相比，其抗攻击性具有绝对的优势。如160位 ECC与1024位 RSA有相同的安全强度。而210位 ECC则与2048bit RSA具有相同的安全强度。
计算量小，处理速度快 虽然在RSA中可以通过选取较小的公钥（可以小到3）的方法提高公钥处理速度，即提高加密和签名验证的速度，使其在加密和签名验证速度上与ECC有可比性，但在私钥的处理速度上（解密和签名），ECC远比RSA、DSA快得多。因此ECC总的速度比RSA、DSA要快得多。
存储空间占用小 ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA、DSA相比要小得多，意味着它所占的存贮空间要小得多。这对于加密算法在IC卡上的应用具有特别重要的意义。
带宽要求低 当对长消息进行加解密时，三类密码系统有相同的带宽要求，但应用于短消息时ECC带宽要求却低得多。而公钥加密系统多用于短消息，例如用于数字签名和用于对对称系统的会话密钥传递。带宽要求低使ECC在无线网络领域具有广泛的应用前景。
ECC的这些特点使它必将取代RSA，成为通用的公钥加密算法。比如SET协议的制定者已把它作为下一代SET协议中缺省的公钥密码算法。