【每日一记10】+第4天：构成信息安全技术体系的三类基本算法（上）

 信息加密技术经过多年的发展，由一些基本算法组合形成了许多成熟的应用，如数字签名，安全证书，HTTPS，以及最近大热的数字加密货币，区块链等。这些看似种类繁多的应用，其实都由三类基本的算法通过不同的组合来实现，这三类算法分别是: 数据摘要(在很多场合也被称作哈希运算)，对称加密，非对称加密。本文抛开这三类算法在不同实现方案中的差异，抽象出各类算法的共性，提纲挈领地描绘出三类算法在加密体系中的应用场景，让开发者能在短时间内对信息加密体系有个全局的认识，并能将这三类算法应用在实际的需求场景中，希望本文能成为设计信息加密应用的简要手册。
  阅读建议：每类算法都以伪代码给出函数声明，不代表特定算法, 比如函数digest代表了在实际使用中的MD5, SHA1, RIPEMD160等实现了数据摘要功能的算法，读者在阅读过程中不要急于去考虑这些函数的实现，而应该去领会算法的特点和完成的功能。这些算法几乎在所有主流的编程语言库中都有具体实现，实在有很少的场合需要自己再去实现。对于有研究技术细节需求的读者，可以在阅读完本文后,对信息加密体系这棵树有了全局的了解，再按图索骥地去研究树叶.
  下面将分别介绍这三类算法各自的特性和应用, 然后再对将这些算法组合起来的应用进行介绍.
  


1. 数据摘要
1.1. 函数声明：
byte[] digest(byte[] data)
1.2. 函数特性：
  1.2.1. 无论data的长度为多少，digest返回某一定长数据，通常为几十个字节
  1.2.2. 若digest(data1) != digest(data2)，则data1 != data2；若digest(data1) = digest(data2)则可以认为有很高的概率data1 = data2，在特定的情况下，对某些算法来讲，该判断出错的概率不到1/128^2。
  1.2.3. 运算不可逆，即知道digest的返回值，不能反推出data的值。顺便提一句，人们常提起的比特币挖矿其实就是指通过不断的尝试找出一个data，使得digest(data)的结果小于某一个表示难度的数，其基本代码如下：


while(digest(blockData + random()) > difficultyFactor); //random()在这里产生随机数
  可见即使为了得到满足某一条件的data值，也只能通过暴力尝试，而不能有其它快速的方法。
  1.2.4. digest函数相对于下面要谈的其它两类算法来说，运算速度非常快。注意是相对的快，因为即便如此挖矿也是个很费时的运算,呵呵。


1.3. 应用举例：
1.3.1. 大数据检索比较
  假设要做这么一个文件上传系统，要求上传文件前，先检测服务器上是否已经有同样的文件存在，如果已经存在，则不再上传。如果没有digest算法，只有把整个文件上传到服务器再进行比较，这无疑非常费时。如果我们每次上传文件，都对文件做一次摘要运算（特性1.2.4：摘要运算速度非常快，相对于文件上传的耗时来说忽略不计），并将摘要值保存起来；那么下次上传文件前我们对将要上传的文件进行一次摘要运算，只是把摘要值提交到服务器（特性1.2.1：摘要值一般只有几十个字节）, 服务器在之前保存的摘要值列表中查找客户端新提交上来的摘要值，如果找到了（特性1.2.2），则告诉客户端不用再上传了。这就是很多云盘使用的秒传技术，很多上G的文件，只要几秒钟就上传成功了，原因就在于其他人在你之前已经上传过同样的文件。


1.3.2. 防数据损坏
  还是上传文件的例子，客户端上传前先把本地文件的摘要值传给服务器，服务器在接收到完整的文件后，用同样的摘要算法，计算接收到的文件的摘要值，和客户端上传的摘要值进行比较，如果相同则可以认为文件接收完整；反之则认为文件在传输过程中损坏（特性1.2.2）。


1.3.3. 防数据纂改
  设计一个简单的充值磁条卡，所有磁卡机都能读磁卡中的数据，但只有授权的磁卡机才能合法地写入数据。其数据写入的过程如下图所示：

  
  写入磁卡的数据分为两部分，一部分是明文数据；一部分是摘要数据。这里的摘要数据有个术语叫签名。签名的生成过程很简单，就是把密码和明文数据拼接在一起作为digest函数的输入，digest的输出即为签名。授权的磁卡机读取磁条数据时先要验证签名，即把磁条的明文数据读入内存，然后和密码按照写入时同样的过程生成一个签名，把该签名和磁条上记录的签名做对比，如果签名一样则认为数据没有被篡改，反之则认为已经被篡改。磁条上任何一个字节的修改，都不能通过签名验证过程。因为非授权磁卡机在不知道密码的情况下，很难生成一个合法的签名，虽然能读取签名，但也不能根据签名推导出密码（特性1.2.3）.
  注意：在实际生产环境中，大部分情况下，签名是在服务器端进行。为了加强安全性，产生签名时还会加入一个随机数，随机数和明文一样写入磁条，同时参加签名验证过程。同时也还可以进行多遍摘要运算。这些措施都是为了进一步增加通过试探伪造签名的难度。

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