密码技术简明教程(二):散列、消息认证码和数字签名
上一篇 我们讲到了对称加密和非对称加密,利用这两个技术我们
确保了信息传输的安全性。但是如果有这么一种情况,Alice
下班之后忘记把电脑锁屏,第二天来的时候 Alice
如何确定自己的文件
是否被篡改过呢?
这种时候我们就要使用到一种叫做散列的技术,有时候也把通过散列函数生成出来的字符串叫做那个文件的指纹。
散列
散列函数的作用就是输入一样的消息,那么就会输出一个同样的散列值,也就是我们所说的指纹。但是只要消息有一丁点儿变化,就会输出 一个不一样的散列值。
当然,散列函数并不是完美的,也有极小的概率,输入两个不一样的消息,却输出了一个同样的散列值,这种情况我们叫做”碰撞”。 这种情况的发生主要取决于散列函数的质量。
散列值的长度与输入的长度无关,无论输入是多长,输出的值的长度都是固定的。
我们常见的散列函数有:
- MD4: https://en.wikipedia.org/wiki/MD4
- MD5: https://en.wikipedia.org/wiki/MD5
- SHA-1: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-1
- SHA-256, SHA-384, SHA-512: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-2
- SHA-3: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-3
但是要注意,到2019年,MD4和MD5已经是不安全的了,它们的碰撞性已经被攻破了。同时,SHA-1也已经不安全。因此,目前常用的散列 是SHA-256,SHA-384和SHA-512。
高质量的散列函数能够识别出哪怕一丁点儿的篡改,但是它也有一个缺点,虽然它能识别篡改,但是无法识别伪装。即,如果 Cracker
伪装成 Alice
给 Bob
发送文件,即使 Bob
确认了文件没有被篡改也无济于事,因为这个文件根本不是真正的 Alice
发出的,
而是出自 Cracker
之手。因此,我们需要消息认证码和数字签名技术。
消息认证码
消息认证码(MAC, Mesasge Authentication Code)的作用就是确保消息发送于真正的来源。而消息认证码需要有这么一种特性,即使消息
认证码被 Cracker
获取了,它也无法篡改消息认证码从而让自己伪装成 Alice
。
消息认证码有几种实现方式:
- 通过散列函数实现,这种一般叫做
HMAC
,H
就是Hash。 - 使用分组密码例如AES来实现
这上面的密钥就是 Alice
和 Bob
事先商量好的一个密钥,只要这个密钥没有泄漏,那么就可以说明,发消息的要么是 Alice
,
要么就是 Bob
;而根据消息的流向很容易就能确定是 Alice
发给 Bob
的还是 Bob
发给 Alice
的。那么怎么确保密钥不会
被 Cracker
知道呢?这就要用到上一节我们介绍的 非对称加密 了。
但是即便如此,消息认证码也是有安全风险的,那就是一种叫做 “重放攻击” 的策略,也就是说,虽然我没法知道你到底传输的内容是什么,
但是我可以拦截你的消息认证码,我再给你请求一遍。这个时候很可能就会发生这样一种情况,例如 Alice
给 Bob
转账1000元,
重放攻击之后,Alice
就一共给 Bob
转账了2000元。一般我们解决这种问题的方案有这么三种:
- 把时间戳加进去,但是这只能在一定范围内解决重放攻击,却不能根治,只要
Cracker
足够快,你就追不上重放攻击的步伐。 - 使用一个单调递增的序号,这种方式可以虽然可以根治,但是每次双方都要记录好这个序列号。
- nonce,这种方式就是每次请求都带一个随机数,这个随机数就是nonce,因为每次都是随机的,所以可以确定唯一性,当然,缺点就是,消息变的更大了一些。
消息认证码这么好用,也有一个解决不了的问题,那就是,如果 Alice
和 Bob
转账之后,需要向他们老板证明,然后老板给他们报销。
这是做不到的,为什们?因为消息认证码需要一个只有 Alice
和 Bob
才知道的密钥,如果想要向老板证明,那就要把密钥也给老板,
但是既然密钥给了老板,那么如何证明消息不是老板发的而是 Alice
发的呢?所以我们需要数字签名技术。
数字签名
Alice
和 Bob
之所以无法向老板证明,是因为知道密钥的人,就能造出消息。如果想要证明是 Alice
发的消息,那么只能使用
一个只有 Alice
才有,别人都没有的东西来进行签名才行。这让我们想起了使用 ssh
的时候,我们总是把本机的公钥发给目的机器,
然后我们登录的时候就可以确保我们一定是从这台电脑上登录的。
不过由于数字签名,所生成的签名是要给别人看的,所以数字签名是使用私钥来生成签名,而公钥用来验证签名的。
总结一下:
- 非对称加密中,公钥加密,私钥解密
- 数字签名中,私钥签名,公钥验证签名
正是因为 Alice
的私钥只有 Alice
才有,Bob
的私钥只有 Bob
才有,因此他们才可以证明消息是自己发的。
小结:
这一篇文章中我们学习了散列、消息认证码和数字签名,接下来一篇文章中我们将会看一下证书和TLS。
- 重放攻击:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8D%E6%94%BE%E6%94%BB%E5%87%BB
- MD4: https://en.wikipedia.org/wiki/MD4
- MD5: https://en.wikipedia.org/wiki/MD5
- SHA-1: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-1
- SHA-256, SHA-384, SHA-512: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-2
- SHA-3: https://en.wikipedia.org/wiki/SHA-3
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