密碼技術(shù)
我們將簡單討論一下三種常見的密碼技術(shù)：單項散列函數(shù)（One way hash function）、對稱密碼技術(shù)(Symmetric encryption)、公鑰密碼技術(shù)（Public key encryption），以及它們是怎么可以被用來滿足這些需求的。
單向散列函數(shù)
單向散列函數(shù)是一種將任意長度的輸入數(shù)值轉(zhuǎn)換成另一個固定長度數(shù)值的數(shù)學(xué)函數(shù)，通常大家把轉(zhuǎn)換后的數(shù)值叫哈希值。
圖1：單向散列函數(shù)
單向散列函數(shù)有兩個重要的特點：第一、整個過程是單向的，即無法從轉(zhuǎn)換后的數(shù)值（哈希值）反向推斷出原始的輸入數(shù)值；第二、輸入數(shù)值的任意微小變化，都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)換出完全不同的哈希值。
看到這兩個特點，聰明的你是不是隱約覺得，單向散列函數(shù)可以用來檢測篡改呢？如果把輸入數(shù)值比作一個人，那么轉(zhuǎn)換后的哈希值就是這個人的指紋（finger print）。圖2展示了如何通過散列函數(shù)做完整性檢測。
圖2：完整性檢測
對稱密碼技術(shù)
對稱加密定義很簡單：用同樣的密鑰對信息進(jìn)行加密和解密。
如果你看過諜戰(zhàn)片就很容易理解對稱加密。兩個情報人員分別擁有一本相同書。情報發(fā)送人員會在書中找到原始情報中的每一個字，這樣就可以把情報中的每一個字轉(zhuǎn)換成頁碼、行數(shù)、行中第幾個字，例如1001015可以表示第100頁第10行的第15個字。這樣整份情報就被加密成只有數(shù)字的信息。
情報接收人員就會根據(jù)這些數(shù)字和那本書，將加密后的情報解密成原始情報。這就是典型的對稱加密，而兩個情報人員都擁有的那本相同的書就是密鑰。
對稱加密有兩個主要用途：信息加密和消息認(rèn)證碼。
對稱密碼技術(shù)-加密
當(dāng)用于加密時，發(fā)送方在發(fā)送之前用密鑰對明文信息進(jìn)行加密，然后發(fā)送給接收方。接收方接收到加密信息后，用相同的密鑰把加密信息解密成明文信息。
對稱密碼技術(shù)的加密用途能夠滿足保密性的需求。
圖3：對稱加密
對稱加密-消息認(rèn)證碼
消息認(rèn)證碼(MAC-Message Authentication Code)和單向散列函數(shù)相似，能將任意長度的輸入數(shù)值轉(zhuǎn)換成另一個固定長度數(shù)值，通常大家把轉(zhuǎn)換后的數(shù)值叫MAC值。同樣，對輸入的任意改動都會導(dǎo)致輸出完全不同的MAC值。
消息認(rèn)證碼與單向散列函數(shù)不同之處在于，消息認(rèn)證碼同時需要密鑰作為輸入。如圖2所示，原始信息和密鑰同時作為輸入，通過消息認(rèn)證碼轉(zhuǎn)換成固定長度的MAC值。
圖4：消息認(rèn)證碼
和單向散列函數(shù)一樣，消息認(rèn)證碼可以用來滿足完整性需求。同時由于消息認(rèn)證碼額外需要密鑰作為輸入，使得其同時具備身份驗證的能力。那消息認(rèn)證碼是怎么工作的呢？
如果圖5所示，消息發(fā)送方和接收方都持有相同的密鑰。消息發(fā)送方將需要發(fā)送的消息和密鑰作為輸入計算出MAC值，然后將消息和MAC值一起發(fā)送給消息接收方。
消息接收方將接收到的消息和持有的密鑰轉(zhuǎn)換成MAC值。如果這個MAC值和接受到MAC值相等，則說明消息來自于持有同樣密鑰的人（身份驗證），且在傳輸過程中沒有被篡改過（完整性）。
圖5：消息認(rèn)證碼的工作機(jī)制
對稱加密有加密、解密速度快的特點，因此比較適合滿足信息傳輸保密性需求。同時由于加密和解密采用相同密鑰的特點，導(dǎo)致密鑰分發(fā)變得困難，因為如果密鑰在分發(fā)過程中被復(fù)制，那么信息傳輸就不再安全。另外由于對稱加密會有兩人或多人擁有相同的密鑰，這導(dǎo)致其無法做到不可抵賴性，因為我們無法判斷信息或文檔來自于哪一個密鑰持有者。
優(yōu)點：
·加密、解密速度快
缺點：
·密鑰分發(fā)困難
·無法滿足不可抵賴性需求
公鑰密碼技術(shù)
公鑰加密技術(shù)其實是一種非對稱加密技術(shù)，公鑰加密采用公鑰和私鑰密碼對來進(jìn)行加密和解密。公鑰加密的特點是：用公鑰加密的數(shù)據(jù)只能用對應(yīng)的私鑰解密，用私鑰加密的數(shù)據(jù)只能用對應(yīng)的公鑰解密。
那私鑰到底是什么呢？私鑰其實是一個極其大且很隨機(jī)的一個數(shù)，它只能被所有者持有且需要妥善保管不能泄露，因此稱為私鑰。
公鑰也是一個很大的數(shù)，公鑰是從私鑰推算出來的。推算是單向的，因此無法從公鑰推算出私鑰。公鑰可以公開的分發(fā)給其它人，因此稱為公鑰。
公鑰加密技術(shù)有兩個主要的用途：加密和數(shù)字簽名。
公鑰密碼技術(shù)-加密
當(dāng)用于加密時，信息發(fā)送者用公鑰對明文信息進(jìn)行加密，信息接受者用私鑰解密。由于用公鑰加密的信息只能用對應(yīng)的私鑰來解密，所以公鑰可以隨意公開的分發(fā)。公鑰即便落入壞人的手中，他們也無法用獲取的公鑰解密用公鑰加密的信息。這克服了對稱加密密鑰分發(fā)困難的問題。
公鑰加密技術(shù)的加密用途能夠滿足保密性的需求。
圖6：公鑰加密技術(shù)-加密
公鑰密碼技術(shù)-數(shù)字簽名
數(shù)字簽名可以用于驗證數(shù)字信息或文檔的真實性。這里的真實性包含幾層意思：第一、數(shù)字信息或文檔的來源是否可靠，比如它是不是來自于宣稱的那個人或組織（身份驗證和不可抵賴）；第二、數(shù)字信息或文檔是否被篡改過（數(shù)據(jù)完整性）。
你會發(fā)現(xiàn)這和我們在數(shù)字證書-需求篇中討論的在合同上簽字是一樣的效果。數(shù)字簽名可以用來滿足完整性、身份驗證以及不可抵賴性的需求。
那數(shù)字簽名是怎么工作的呢？下圖7展示了數(shù)字簽名是如何工作的。從圖中可以看出數(shù)字簽名分簽名和驗證兩個階段。
簽名階段
首先通過單向散列函數(shù)將文檔內(nèi)容轉(zhuǎn)換成固定長度的哈希值；然后用私鑰對哈希值進(jìn)行加密，哈希值被加密后就變成了數(shù)字簽名；最后將數(shù)字簽名和文檔放在一起就是數(shù)字簽名過的文檔。先將文檔轉(zhuǎn)換成哈希值再加密，相當(dāng)于我們再簽合同的時候，在合同頁的側(cè)面也簽上名字。
驗證階段
首先用公鑰將文檔中的數(shù)字簽名解密成哈希值；然后將文檔內(nèi)容（除去數(shù)字簽名部分）通過單向散列函數(shù)轉(zhuǎn)換成哈希值；最后通過比較兩個哈希值是否相等，來判斷文檔是否被篡改過。
那么身份驗證和不可抵賴性在這里是怎么體現(xiàn)的呢？我們知道私鑰一定是和一個人或組織綁定的，而且用私鑰加密的信息，只能用對應(yīng)的公鑰來解密。在驗證階段我們需要用公鑰把數(shù)字簽名解密成哈希值，如果解密成功，那么說明信息或文檔一定來自于私鑰的持有者，這就做到了身份驗證和不可抵賴性。
圖7：公鑰加密技術(shù)-數(shù)字簽名
優(yōu)點
·滿足身份驗證需求
·滿足不可抵賴性需求
·滿足完整性需求
·公鑰可以公開的分發(fā)
缺點
·加密、解密速度慢
·存在公鑰認(rèn)證問題（中間人攻擊問題）
