安全性演算法

###### tags: `Security` `Algorithm` `演算法圖鑑` # 安全性演算法 ## 共用金鑰密碼系統這是一種加密、解密都使用相同金鑰的加密演算法，又稱為對稱式加密優點是對稱加密的速度比非對稱加密快很多但要求雙方取得相同的密鑰是對稱密鑰加密的主要缺點 :::info 共用金鑰密碼系統的密碼包含凱薩密碼、AES (進階加密標準)、DES (資料加密標準) 一次性密碼本 (one-time pad)等，現在廣泛使用 AES ::: ### 原理概述 A 想傳送資料給 B，但怕 C 會竊取資料因此 A 用金鑰加密資料，傳送給 B，因為 C 沒有金鑰，所以無法得到資料 ```sequence Note over A: 金鑰加密資料 participant C A --> B: 傳送密文 Note over C: 竊取密文\n但沒有金鑰打不開 Note over B: 金鑰解密密文\n獲得資料 ``` ### 問題點如果 A 與 B 沒有直接的往來，A 想透過網路傳送金鑰這時候金鑰有可能會被 C 竊取，因此 C 也可以得到資料如果對金鑰加密再次傳送，又會遇到一樣的問題這種需要安全傳送金鑰的問題，被稱為<font color=Tomato>金鑰傳送困難</font>問題解決辦法包含 : 使用金鑰交換協定、使用公開金鑰密碼系統 ## 公開金鑰密碼系統這是一種加密、解密都使用不同金鑰的加密演算法，又稱為非對稱式加密加密使用的是公開金鑰(簡稱公鑰)，解密使用的是私密金鑰(簡稱私鑰) 優點是能同時與多數人進行資料傳輸缺點是有公鑰可信度的問題、加密解密較費時 :::info 公開金鑰密碼系統使用的演算法包含 RSA 加密、橢圓曲線密碼學等，現在多使用 RSA 加密要找出此系統的具體演算法並不容易，要滿足以下三個條件能用某數加密數據、能用其他數解密還原數據、防止從一個金鑰推算出另一個金鑰的運算 RSA 能具體實現演算法，因此對於現代網路意義重大 ::: ### 原理概述資料接收者 B 先製作公鑰、私鑰，接著把公鑰傳送給 A A 使用 B 傳給他的公鑰加密資料，並傳送給 B B 使用私鑰解密，取得原始資料，因為解密的鑰匙在 B 身上，即使 C 拿到資料也無法解密也因此可以進行多人資料傳輸，因為公鑰被知道也無所謂 ```sequence Note over B: 製作公鑰、私鑰 participant C B --> A: 傳送公鑰 Note over A: 公鑰加密資料 A --> B: 傳送密文 Note over C: 竊取密文\n但沒有私鑰打不開 Note over B: 私鑰解密密文\n獲得資料 ``` ### 問題點公開金鑰密碼系統有公鑰可信度問題 B 製作公鑰、私鑰，而 C 也製作了假公鑰、假私鑰當 B 傳送公鑰給 A 時，C 把公鑰換成假公鑰由於 A 無法得知公鑰製作者的身分，所以不知道公鑰已被替換 A 使用假公鑰加密，並傳送給 B，C 從中竊取加密資料 C 用假私鑰解密資料，並用 B 的公鑰加密資料因為 B 可以用私鑰解密，所以無法得知資料已被掉包這種在傳輸過程中，公鑰被替換、數據被偷窺的攻擊方法，稱為中間人攻擊要解決這種無法確定公鑰製作者是誰的問題，可以使用數位憑證另外公開金鑰密碼系統加密、解密都很費時，因此這個方法不適合連續傳輸零碎的數據解決辦法是使用混成密碼系統 ### 小結 ||共用金鑰（對稱式）|公開金鑰（非對稱式）| |:--:|:--:|:--:| |安全性|相對低|相對高| |運算速度|![image](https://hackmd.io/_uploads/Sy0LfwdGA.png)|![image](https://hackmd.io/_uploads/S1tdGDuMA.png)| |必須克服的問題|金鑰傳送困難|中間人攻擊、運算速度慢| ## 混成密碼系統共用金鑰密碼系統有金鑰傳送困難的問題，公開金鑰密碼系統有加密解密速度很慢的問題而混成密碼系統是結合兩者方式，並彌補各自缺點的密碼系統，也稱為信封式加密（Envelope encryption） ### 原理概述 A 用處理速度很快的共用金鑰密碼系統加密，而 A 必須想辦法把金鑰(以下簡稱Key)給 B B 用公開金鑰密碼系統，製作公鑰、私鑰，把公鑰傳遞給 A A 用 B 的公鑰加密 Key，並傳送給 B，B 使用私鑰解密，取得 Key 接下來 A 就可以放心的將加密過的資料傳遞給 B，B 使用 Key 快速解密，取得資料 ```sequence Note over A: 製作金鑰\n金鑰加密資料 participant C Note over B: 製作公鑰、私鑰 B --> A: 傳送公鑰 Note over A: 公鑰加密金鑰 A --> B: 傳送加密後的金鑰 Note over C: 竊取加密後的金鑰\n但沒有私鑰打不開 Note over B: 私鑰解密金鑰\n獲得金鑰 Note left of A: 進行密文傳遞\n(以下省略...) ``` 主要是在加密解密數據時，使用共用金鑰密碼系統節省時間並確保對象能安全的取得解密數據的金鑰，所以使用公開金鑰密碼系統對金鑰加密如此一來，對象可以安全的拿到金鑰，並對數據進行解密傳遞的過程都使用公鑰與密文，所以沒有安全的疑慮 :::info 混成密碼系統兼具安全性、處理速度，這種密碼系統用於確保網路資安的安全協定 SSL SSL 是安全通訊端層的縮寫，正式名稱為 TLS 傳輸層安全協議 ::: ## 迪菲-赫爾曼金鑰交換這是一種讓雙方安全交換金鑰的方法，實際上並非交換金鑰而是產生新的相同金鑰，這個方法又稱迪菲-赫爾曼金鑰演算法 ### 原理概述主要是用一種特殊方式可將兩把金鑰合而為一，產生新的金鑰而這個金鑰有三個特徵 : 1. 即使有一把金鑰、一把合成過的金鑰，也無法取得另一把被合成的金鑰 2. 不管用幾把金鑰合成過的金鑰，也可以成為被合成的金鑰 3. 金鑰合成結果與先後順序無關，即 A-B-C 順序合成，與 B-A-C 順序的結果相同 A 準備一把 Z公鑰，並傳遞給 B A 和 B 各自準備一把私鑰，分別為 X私鑰、Y私鑰，並各自妥善保管 A 和 B 各自用私鑰與 Z公鑰合成新的金鑰，分別為 ZX金鑰、ZY金鑰雙方各自把合成的金鑰傳遞給對方，此時雙方再將傳遞來的合成金鑰與私鑰合成分別得到 ZYX、ZXY，由於順序無關，所以兩把是相同的金鑰，這樣就安全的完成傳遞 ```sequence Note over A: 準備 Z 公鑰 participant C A --> B: 傳送 Z 公鑰 Note over A: 準備 X 私鑰並與 Z 合成\n獲得新的金鑰 ZX Note over B: 準備 Y 私鑰並與 Z 合成\n獲得新的金鑰 ZY A --> B: 傳送 ZX 金鑰 B --> A: 傳送 ZY 金鑰 Note over C: 即使竊取 Z、ZX、ZY\n也無法取得 X、Y Note over A: 合成 ZY、X\n獲得新的金鑰 ZYX Note over B: 合成 ZX、Y\n獲得新的金鑰 ZXY Note over A,B: ZYX、ZXY 為相同金鑰\n因此即完成金鑰傳遞 ``` ## 訊息識別碼能夠實現身分識別、檢查訊息完整性的機制，即使是密文，也可能在傳輸時被竄改在解密時不同的訊息內容，會造成誤會，訊息識別碼就是防範此狀況 ### 原理概述 A 用共用金鑰密碼系統加密資料(以下簡稱密文)，並製作產生訊息識別碼的金鑰 A 用安全的方式，把解密的金鑰、產生訊息識別碼的金鑰，傳遞給 B A 用密文和訊息識別碼的金鑰，產生訊息識別碼(縮寫是 MAC)，假設為 7f08 A 把製作完成的訊息識別碼 7f08 和密文，傳送給 B B 也用密文和訊息識別碼的金鑰，產生識別碼，比對一下 A 給予的識別碼，即可得知是否被竄改 ```sequence Note over A: 準備金鑰並加密資料\n製作訊息識別碼金鑰 A --> B: 用安全的方式傳送\n解密金鑰、識別碼金鑰 Note over A: 用密文與識別碼金鑰\n產生 7f08 識別碼 A --> B: 傳送 7f08 識別碼、密文 Note over B: 用密文與識別碼金鑰產生識別碼\n比對是否為 7f08 ``` :::info MAC 可以想像成由金鑰和密文排列組合的字串雜湊碼，MAC 的製作方式有很多種 HMAC (雜湊訊息識別碼)、OMAC (單金鑰訊息識別碼)、CMAC (加密訊息識別碼) 現在大多使用 HMAC ::: ### 問題點然而這個做法也有缺點，由於 A、B 雙方皆可對訊息加密因此無法證明原始數據的製作者是 A 或 B 如果 A 不懷好意，可以在傳出訊息後，主張那是 B 捏造的訊息，抵賴曾經傳出的訊息或是 B 不懷好意，自己製作訊息，主張這是 A 傳來的訊息因為雙方都有金鑰，所以無從驗證製作者，這個詭計可以用數位簽章來防範 ## 數位簽章數位簽章是在訊息識別碼裏，加入不可抵賴性的機制這機制是利用只有傳送者才能製作的數位簽章數據，來確定訊息的製作者 ### 原理概述數位簽章的流程與公開金鑰系統恰好相反由發送者 A 製作公鑰、私鑰(不是由接收者製作)，A 把公鑰傳送給 B A 用私鑰加密資料，這個被加密的資料就是數位簽章，A 把準備好的訊息、簽章傳送給 B B 用公鑰解開簽章，確認簽章的訊息與收到的訊息是否一致此外 B 無法用公鑰製作 A 的簽章，所以也具備不可抵賴性雖然簽章的密文沒有任何安全性，因為只要有公鑰，任何人都可以解開但相反的，這個簽章只有擁有私鑰的人能製作，所以就能確定密文的製作者是私鑰擁有者 :::info 因為公開金鑰密碼系統加密、解密很費時，為了縮短時間，實際上不是直接加密訊息而是求出訊息的雜湊碼，再對雜湊碼加密，作為簽章 ::: ### 問題點數位簽章的傳送者有可能是他人偽裝的原因是使用公開金鑰密碼系統時，無法得知公鑰的擁有者是誰因為公鑰中並沒有任何製作者的資訊，所以有可能被他人偽裝成是擁有者所製作的公鑰這個問題可以使用數位憑證機制解決 ## 數位憑證公開金鑰系統和數位簽章的機制，無法確保公鑰的擁有者，因此可能被第三者調包而使用數位憑證就能確保公鑰的真實性 ### 原理概述 A 製作公鑰、私鑰，接下來向憑證機構(簡稱 CA)申請發行憑證，用來證明公鑰擁有者是 A 憑證機構本身具備公鑰與私鑰，A 把公鑰和含有自己電子郵件地址的個資，傳送給憑證機構憑證機構確認傳來的資訊是否為 A 本人所有，確認後，用私鑰將 A 的數據做成數位簽章憑證機構將完成的數位簽章和數據整合成一個電子檔，並傳送給 A，這個就是 A 的數位憑證取代公鑰，A 把數位憑證傳送給 B，B 確認收到的憑證中所標記的電子郵件地址為 A 接著 B 向憑證機構取得公鑰，B 驗證憑證是否為該機構發行(公鑰能解開，即憑證為該機構發行) 確認憑證為該機構發行且隸屬於 A 後，從憑證中取出 A 的公鑰，這樣就完成 A 傳送公鑰給 B 的步驟即使壞人 C 將公鑰傳送給 B，B 不需要理會來路不明的公鑰若 C 在憑證機構登入自己的公鑰呢？不用擔心，因為 C 沒有 A 的電子郵件地址，所以無法發行憑證在上述有一個問題點，B 向憑證機構取得公鑰，那公鑰確定是憑證機構製作的嗎？事實上，憑證機構的公鑰也會以數位憑證的方式提供，而這個憑證的發行者，就是更上層的憑證機構位於最上層的憑證機構稱為根憑證機構(root CA)，自己的真實性由本身來證明而根憑證機構用來證明自己的憑證，稱為根憑證，根憑證機構的組織本身若不值得信賴就不會有人使用，所以根憑證機構多為大企業、政府機關等已經獲得社會信賴的組織 :::info 憑證機構是管理數位憑證的組織，基本上任何人都能成為憑證機構，所以這類機構數量龐大因此選擇政府機關、接受審計監察的大企業等值得信賴的組織，較為安全 ::: :::info 上述都是以個人為單位收發公開金鑰的情況，但與網站進行通訊時，也會用到數位憑證從網站取得附有公開金鑰的憑證，就能確認這個網站並非由第三人偽裝這種憑證稱為伺服器憑證，同樣是由憑證機構發行個人憑證是與電子郵件綁在一起，伺服器憑證則是和網域連在一起透過憑證可以確認管理這個網站網域的組織，以及管理存放網站內容的伺服器的組織，兩者是相同的這樣的社會機制，可以讓數位憑證透過憑證機構，來確保公鑰製作者的身份這一連串的機制稱為公開金鑰基礎架構(PKI) 或稱公開金鑰基礎建設 ::: ## 未完成事項 - 數位簽章、數位憑證的順序圖 - 文章排版