常见加密算法概述

2023年 2月 15日22:32:59 发表评论

1.1 对称加密
对称加密就是加密和解密使用同一个密钥,通常称之为“Session Key ”。这种加密技术目前被广泛采用,如美国政府所采用的DES加密标准就是一种典型的“对称式”加密法,它的“Session Key”长度为56 Bits。
对称加密算法的优点在于加解密的高速度和使用长密钥时的难破解性。假设两个用户需要使用对称加密方法加密然后交换数据,则用户最少需要2个密钥并交换使用。如果企业内用户有n个,则整个企业共需要n×(n-1) 个密钥,密钥的生成和分发将成为企业信息部门的恶梦。对称加密算法的安全性取决于加密密钥的保存情况,但要求企业中每一个持有密钥的人都保守秘密是不可能的,他们通常会有意无意的把密钥泄漏出。如果一个用户使用的密钥被入侵者所获得,入侵者便可以读取该用户密钥加密的所有文档,这是非常可怕的。
常见的对称加密算法有:
① DES:数据加密标准(Data Encryption Standard),1976年被美国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。其优点是加密速度较快,适用于加密大量数据的场合。DES是使用56位密钥的对称算法,现在已经不被视为一种安全的加密算法,主要因为它使用的56位密钥过短。现在DES已经逐渐被淘汰。
② 3DES:(或称为Triple DES)是三重数据加密算法(TDEA,Triple Data Encryption Algorithm)。它相当于是对每个数据块用三个不同的密钥进行三次DES加密。3DES是DES向AES过渡的加密算法(1999年,NIST将3-DES指定为过渡的加密标准),是DES的一个更安全的变形。
③ DESX:DESX是DES的加强型的变体,由RAS信息安全公司的工具包支持。DESX与DES之间的区别主要是:在进行DES加密之前,输入的明文要按位与一个额外的key进行异或运算,并且DES加密输出之后也同样要按位与另一个key进行异或运算。DESX主要是提高了应对“exhaustive key search attacks”的能力。
④ Blowfish:Blowfish是1993年布鲁斯·施奈尔开发的对称密钥(区块)加密算法,区块长为64位,密钥为1至448位的可变长度。与DES等算法相比,其处理速度较快。Blowfish算法无须授权即可使用,被广泛用于SSH、文件加密软件等。
⑤ IDEA:国际数据加密算法(IDEA)由瑞士的著名学者提出。在1990年正式公布并在以后得到增强。这种算法是在DES算法的基础上发展出来的,类似于3DES。发展IDEA也是因为感到DES具有密钥太短等缺点,已经过时。IDEA的密钥为128位,这么长的密钥在今后若干年内应该是安全的。类似于DES,IDEA算法也是一种数据块加密算法,它设计了一系列加密轮次,每轮加密都使用从完整的加密密钥中生成的一个子密钥。与DES的不同处在于,它采用软件实现和采用硬件实现同样快速。
⑥ RC4:RC4加密算法是大名鼎鼎的RSA三人组中的头号人物Ron Rivest在1987年设计的密钥长度可变的流加密算法簇。之所以称其为簇,是由于其核心部分的S-box长度可为任意,但一般为256字节。该算法的速度可以达到DES加密的10倍左右,且具有很高级别的非线性。RC4起初是用于保护商业机密的。但是在1994年9月,它的算法被发布在互联网上,也就不再有什么商业机密了。RC4也被叫做ARC4(Alleged RC4——所谓的RC4),因为RSA从来就没有正式发布过这个算法。
⑦ RC5:RC5分组密码算法是1994由麻萨诸塞技术研究所的Ronald L. Rivest教授发明的,并由RSA实验室分析。它是参数可变的分组密码算法,三个可变的参数是:分组大小、密钥大小和加密轮数。在此算法中使用了三种运算:异或、加和循环。
⑧ RC6:RC6是作为AES(Advanced Encryption Standard)的候选算法提交给NIST(美国国家标准局)的一种新的分组密码。它是在RC5的基础上设计的,以更好地符合AES的要求,且提高了安全性,增强了性能。根据AES的要求,一个分组密码必须处理128位输入/输出数据。尽管RC5是一个非常快的分组密码,但它处理128位分组块时用了2个64位工作寄存器;而AES目前在讲究效率和简洁方面不支持64位操作,于是RC6修正这个问题,使用4个32位寄存器而不是2个64位寄存器,以更好地实现加解密。
⑨ AES:高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES),在密码学中又称Rijndael加密法,是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES,已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程,高级加密标准由美国国家标准与技术研究院(NIST)于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197,并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年,高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。该算法为比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen所设计,结合两位作者的名字,以Rijndael之命名之。
1.2 非对称加密
公开金钥加密(英语:public-key cryptography,也称为非对称(密钥)加密)。非对称密钥,是指一对加密密钥与解密密钥,用某用户加密密钥加密后所得的信息,只能用该用户的解密密钥才能解密。如果知道了其中一个,并不能计算出另外一个。因此如果公开了一对密钥中的一个,并不会危害到另外一个密钥的保密性。称公开的密钥为公钥;不公开的密钥为私钥。
如果加密密钥是公开的,这用于客户给私钥所有者上传加密的数据,这被称作为公开密钥加密(狭义)。例如,网络银行的客户发给银行网站的账户操作的加密数据。
如果解密密钥是公开的,用私钥加密的信息,可以用公钥对其解密,这用于客户验证持有私钥一方发布的数据或文件是完整准确的,接收者由此可知这条信息确实来自于拥有私钥的某人,这被称作数字签名,公钥的形式就是数字证书。例如,从网上下载的安装程序,一般都带有程序制作者的数字签名,可以证明该程序的确是该作者(公司)发布的而不是第三方伪造的且未被篡改过(身份认证/验证)。
常见的非对称加密算法有:
① RSA:RSA加密算法是一种非对称加密算法。在公钥加密标准和电子商业中RSA被广泛使用。RSA是1977年由罗纳德·李维斯特(Ron Rivest)、阿迪·萨莫尔(Adi Shamir)和伦纳德·阿德曼(Leonard Adleman)一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

RSA是目前最有影响力的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击,已被ISO推荐为公钥数据加密标准。RSA算法基于一个十分简单的数论事实:将两个大素数相乘十分容易,但那时想要对其乘积进行因式分解却极其困难,因此可以将乘积公开作为加密密钥。
② ElGamal:ElGamal算法,是一种较为常见的加密算法,它是基于1984年提出的公钥密码体制和椭圆曲线加密体系。既能用于数据加密也能用于数字签名,其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题。在加密过程中,生成的密文长度是明文的两倍,且每次加密后都会在密文中生成一个随机数K。
③ ECC:椭圆曲线密码学(Elliptic curve cryptography,缩写为ECC)是基于椭圆曲线数学的一种公钥密码的方法。ECC和RSA相比,在许多方面都有绝对的优势,主要体现在以下方面:
1. 抗攻击性强。相同的密钥长度,其抗攻击性要强很多倍。
2. 计算量小,处理速度快。ECC总的速度比RSA、DSA要快得多。
3. 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。
4. 带宽要求低。这使得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。
④ DSA:DSA(Digital Signature Algorithm)是基于整数有限域离散对数难题的,其安全性与RSA相比差不多。DSA的一个重要特点是两个素数公开,这样,当使用别人的p和q时,即使不知道私钥,也能确认它们是随机产生的,还是作了手脚。RSA算法却作不到。DSA是Schnorr和ElGamal签名算法的变种,被美国NIST作为DSS(Digital Signature Standard)。
1.3 Hash(散列)算法
Hash算法特别的地方在于它是一种单向算法,用户可以通过Hash算法对目标信息生成一段特定长度的唯一的Hash值,却不能通过这个Hash值重新获得目标信息。任何输入信息的变化,哪怕仅一位,都将导致散列结果的明显变化,这称之为雪崩效应。因此Hash算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。
常见的Hash算法有:
① MD5:MD5即Message-Digest Algorithm 5(信息-摘要算法 5),用于确保信息传输完整一致。例如,服务器预先提供一个MD5校验和,用户下载完文件以后,用MD5算法计算下载文件的MD5校验和,然后通过检查这两个校验和是否一致,就能判断下载的文件是否出错。MD5是计算机广泛使用的散列算法之一(又译摘要算法、哈希算法),主流编程语言普遍已有MD5实现。
将数据(如汉字)运算为另一固定长度值,是散列算法的基础原理。MD5由MD4、MD3、MD2改进而来,主要增强算法复杂度和不可逆性。MD5一度被广泛应用于安全领域。但是由于MD5的弱点被不断发现以及计算机能力不断的提升,现在已经可以构造两个具有相同MD5的信息,使得本算法不再适合当前的安全环境。目前MD5计算广泛应用于错误检查。例如在一些BitTorrent下载中,软件通过计算MD5和检验下载到的碎片的完整性。
② SHA:安全散列算法(英语:Secure Hash Algorithm)是一种能计算出一个数字消息所对应到的,长度固定的字符串(又称消息摘要)的算法。SHA是FIPS所认证的五种安全散列算法。这些算法之所以称作“安全”是基于以下两点(根据官方标准的描述):“1)由消息摘要反推原输入消息,从计算理论上来说是很困难的。2)想要找到两组不同的消息对应到相同的消息摘要,从计算理论上来说也是很困难的。任何对输入消息的变动,都有很高的机率导致其产生的消息摘要迥异。”
SHA家族的五个算法,分别是SHA-1、SHA-224、SHA-256、SHA-384,和SHA-512,由美国国家安全局(NSA)所设计,并由美国国家标准与技术研究院(NIST)发布;是美国的政府标准。后四者有时并称为SHA-2。SHA-1在许多安全协定中广为使用,包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec,曾被视为是MD5的后继者。但SHA-1的安全性如今被密码学家严重质疑,现在已经有对SHA-1的种种攻击发表。另外,虽然至今尚未出现对SHA-2有效的攻击,它的算法跟SHA-1基本上仍然相似;因此有些人开始发展其他替代的散列算法。
1.3.1 SHA-1与MD5的比较
1. 对强行供给的安全性:最显著和最重要的区别是SHA-1摘要比MD5摘要长32 位。使用强行技术,产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对MD5是2128数量级的操作,而对SHA-1则是2160数量级的操作。这样,SHA-1对强行攻击有更大的强度。
2. 对密码分析的安全性:由于MD5的设计,易受密码分析的攻击,SHA-1显得不易受这样的攻击。
3. 速度:在相同的硬件上,SHA-1的运行速度比MD5慢。
1.4 对称与非对称算法比较
总体来说主要有下面几个方面的不同:
1. 在管理方面:公钥密码算法只需要较少的资源就可以实现目的,在密钥的分配上,两者之间相差一个指数级别(一个是n一个是n2)。所以私钥密码算法不适应广域网的使用,而且更重要的一点是它不支持数字签名。
2. 在安全方面:由于公钥密码算法基于未解决的数学难题,在破解上几乎不可能。对于私钥密码算法,到了AES虽说从理论来说是不可能破解的,但从计算机的发展角度来看。公钥更具有优越性。
3. 从速度上来看:AES的软件实现速度已经达到了每秒数兆或数十兆比特。是公钥的100倍,如果用硬件来实现的话这个比值将扩大到1000倍。
1.5 加密算法的选择
主要根据自己的使用特点来确定:
1. 由于非对称加密算法的运行速度比对称加密算法的速度慢很多,当我们需要加密大量的数据时,建议采用对称加密算法,提高加解密速度。
2. 对称加密算法不能实现签名,因此签名只能用非对称算法。
3. 由于对称加密算法的密钥管理是一个复杂的过程,密钥的管理直接决定着他的安全性,因此当数据量很小时,可以考虑采用非对称加密算法。
4. 在实际的操作过程中,我们通常采用的方式是:采用非对称加密算法管理对称算法的密钥,然后用对称加密算法加密数据,这样就集成了两类加密算法的优点,既实现了加密速度快的优点,又实现了安全方便管理密钥的优点。
如果在选定了加密算法后,那采用多少位的密钥呢?一般来说,密钥越长,运行的速度就越慢,应该根据实际需要的安全级别来选择,一般来说,RSA建议采用1024位的数字,ECC建议采用160位,AES采用128为即可。
1.6 密码学的应用
随着密码学商业应用的普及,公钥密码学受到前所未有的重视。除传统的密码应用系统外,PKI系统以公钥密码技术为主,提供加密、签名、认证、密钥管理、分配等功能。
1. 保密通信:保密通信是密码学产生的动因。使用公私钥密码体制进行保密通信时,信息接收者只有知道对应的密钥才可以解密该信息。
2. 数字签名:数字签名技术可以代替传统的手写签名,而且从安全的角度考虑,数字签名具有很好的防伪造功能。在政府机关、军事领域、商业领域有广泛的应用环境。
3. 秘密共享:秘密共享技术是指将一个秘密信息利用密码技术分拆成n个称为共享因子的信息,分发给n个成员,只有k(k≤n)个合法成员的共享因子才可以恢复该秘密信息,其中任何一个或m(m≤k)个成员合作都不知道该秘密信息。利用秘密共享技术可以控制任何需要多个人共同控制的秘密信息、命令等。
4. 认证功能:在公开的信道上进行敏感信息的传输,采用签名技术实现对消息的真实性、完整性进行验证,通过验证公钥证书实现对通信主体的身份验证。
5. 密钥管理:密钥是保密系统中更为脆弱而重要的环节,公钥密码体制是解决密钥管理工作的有力工具;利用公钥密码体制进行密钥协商和产生,保密通信双方不需要事先共享秘密信息;利用公钥密码体制进行密钥分发、保护、密钥托管、密钥恢复等。
基于公钥密码体制可以实现以上通用功能以外,还可以设计实现以下的系统:安全电子商务系统、电子现金系统、电子选举系统、电子招投标系统、电子彩票系统等。公钥密码体制的产生是密码学由传统的政府、军事等应用领域走向商用、民用的基础,同时互联网、电子商务的发展为密码学的发展开辟了更为广阔的前景。

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