软考-系统架构设计师 信息加解密技术详细讲解

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一、密码学基础与目标

密码学不仅关乎加密和解密，更旨在实现四大核心安全目标，常被称为CIA三元组及其扩展：

1. 机密性 (Confidentiality)：确保信息不被未授权的实体访问。加密技术是实现机密性的主要手段。
2. 完整性 (Integrity)：确保信息在传输或存储过程中未被篡改。散列函数和消息认证码是实现完整性的主要手段。
3. 认证性 (Authentication)：确保通信实体的身份是真实的。数字签名和数字证书是实现认证性的主要手段。
4. 不可否认性 (Non-repudiation)：确保一个实体无法否认其先前的行为或承诺。数字签名是实现不可否认性的主要手段。

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二、对称加密算法 (Symmetric Encryption)

又称共享密钥加密算法。

1. 核心思想

加密和解密使用同一个密钥。

• 通信模型：Alice 和 Bob 必须预先通过一个安全通道共享同一个密钥 K。
• 流程：明文 + 密钥 -> (加密) -> 密文 -> (传输) -> 密文 + 密钥 -> (解密) -> 明文

2. 主要算法

• DES (Data Encryption Standard)：
  • 密钥长度：56位（已破解）
  • 分组大小：64位
  • 现状：不安全，已不被推荐用于任何新系统。
• 3DES (Triple DES)：
  • 是DES的增强版，对每个数据块应用三次DES加密。
  • 密钥长度：112位或168位（有效安全性）
  • 现状：正在被淘汰，性能较低，逐步被AES取代。
• AES (Advanced Encryption Standard)：
  • 当前最主流、最推荐的对称加密算法。
  • 密钥长度：128位、192位、256位。
  • 分组大小：128位
  • 特点：安全性高、性能好、硬件实现高效。
• 国密算法 SM1/SM4：
  • SM4是我国商用密码标准，属于分组对称加密算法。
  • 密钥长度和分组大小均为128位。
  • 软考关注：需了解国产商用密码算法体系。

3. 工作模式 (Mode of Operation)

为了用分组密码加密长消息，需要工作模式：

• ECB (Electronic Codebook)：相同的明文块加密成相同的密文块。不安全，不能隐藏数据模式。
• CBC (Cipher Block Chaining)：每个明文块先与前一个密文块进行异或操作再加密。需要初始化向量(IV)。最常用的模式之一。
• 其他模式：CTR, GCM等。GCM模式还能同时提供机密性和完整性验证。

4. 优缺点

• 优点：算法效率高，加解密速度快，适合加密大量数据。
• 缺点：
  1. 密钥分发困难：通信双方需要安全地共享同一把密钥。N 个用户需要 C(N,2) 把密钥。
  2. 密钥管理复杂：大量密钥的存储、更换和销毁是个挑战。

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三、非对称加密算法 (Asymmetric Encryption)

又称公钥加密算法。

1. 核心思想

使用一对密钥：公钥 (Public Key) 和 私钥 (Private Key)。公钥公开，私钥自己保密。

• 加密：用对方的公钥加密，只能由对方的私钥解密。用于保证机密性。
• 签名：用自己的私钥加密（签名），任何人都可以用你的公钥解密来验证签名。用于保证认证性和不可否认性。

2. 主要算法

• RSA：
  • 最著名、最广泛使用的非对称算法。
  • 安全性基于大整数质因数分解的难度。
  • 密钥长度：1024位（已不安全）、2048位（当前推荐）、4096位（更高安全）。
• ECC (Elliptic Curve Cryptography，椭圆曲线密码学)：
  • 使用比RSA短得多的密钥就能达到相同的安全强度（例如256位ECC ≈ 3072位RSA）。
  • 优点：计算更快、存储空间更小、带宽要求更低。
  • 应用：移动设备、SSL/TLS证书、物联网(IoT)。
• 国密算法 SM2：
  • 基于椭圆曲线密码的国产非对称算法，用于替代RSA。
  • 软考重点：必须了解，是我国商用密码体系的核心。

3. 优缺点

• 优点：解决了密钥分发问题，安全性更高。
• 缺点：计算非常复杂，速度比对称加密慢3个数量级（1000倍）以上，不适合加密大量数据。

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四、散列函数 (Hash Function) / 消息摘要算法

1. 核心思想

将任意长度的输入（消息）通过散列算法，变换成固定长度的输出（散列值、摘要）。这个过程是单向的、不可逆的。

• 特性：
  • 单向性：无法从散列值推算出原始数据。
  • 抗碰撞性：极难找到两个不同的输入得到相同的散列值。
  • 雪崩效应：输入的微小改变会导致输出的巨大差异。

2. 主要算法

• MD5：输出128位。已破译，严重安全缺陷，绝对禁止用于安全目的（仅可用于校验文件完整性）。
• SHA-1：输出160位。已破译，不安全，应停止使用。
• SHA-2：当前主流，包括SHA-256、SHA-384、SHA-512等（数字代表输出长度）。
• SHA-3：最新标准，与SHA-2采用不同的设计结构，作为备选。
• 国密算法 SM3：国产散列算法，输出256位，安全性相当于SHA-256。软考重点。

3. 应用场景

1. 完整性校验：下载文件时附带其MD5/SHA值，用户下载后计算比对，验证文件是否被篡改。
2. 密码存储：系统数据库不存储明文密码，只存储密码的散列值。登录时对比散列值。
3. 数字签名：对消息的散列值进行签名，效率远高于对整个消息签名。
4. 区块链：区块链中大量使用散列算法来构建区块和保证链的完整性。

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五、综合应用技术与协议

实际系统中，以上技术是协同工作的，以发挥各自优点，弥补缺点。

1. 数字签名 (Digital Signature)

用于验证消息来源和完整性。

• 流程（核心）：
  1. 发送方：对消息 M 计算散列值 H(M)。
  2. 发送方：使用自己的私钥对 H(M) 进行加密，得到数字签名 S。
  3. 发送方：将消息 M 和签名 S 一起发送。
  4. 接收方：收到后，计算消息 M' 的散列值 H(M')。
  5. 接收方：使用发送方的公钥对签名 S 进行解密，得到 H(M)。
  6. 接收方：对比 H(M') 和 H(M)。如果相同，则证明消息未被篡改（完整性）且确实来自发送方（认证性）。

2. 数字证书 (Digital Certificate) 与 PKI

• 问题：如何保证你拿到的公钥真的是对方的，而不是攻击者的？
• 解决方案：数字证书。它由证书授权中心（CA） 颁发，相当于用户的“网络身份证”。
• 内容：绑定了用户的身份信息及其公钥，并由CA的私钥进行签名。
• PKI (公钥基础设施)：创建、管理、存储、分发和撤销数字证书所需的一系列硬件、软件、策略和程序的集合。核心组件包括CA、RA（注册机构）、证书库等。

3. SSL/TLS 协议 (HTTPS的基石)

这是综合运用各类加密技术的典范，完美体现了架构师的权衡思想。

• 目的：在不可信的网络（如互联网）上建立安全的通信通道。
• 握手流程（简化）：
  1. 客户端问候：客户端发送支持的密码套件列表等。
  2. 服务器问候：服务器选择并返回密码套件、其数字证书（包含公钥）。
  3. 验证证书：客户端用内置信任的CA公钥验证服务器证书的真实性。
  4. 生成会话密钥：客户端生成一个预主密钥，用服务器的公钥加密后发送给对方。
  5. 推导密钥：双方使用预主密钥推导出相同的会话密钥（对称密钥）。
  6. 安全通信：后续所有通信都使用高效的对称加密（如AES）进行加密，密钥就是刚才生成的会话密钥。

核心思想：用非对称加密的安全特性来安全地交换对称加密的密钥，然后用对称加密来高效地加密实际传输的数据。 这是一个经典的架构权衡。

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六、软考考点总结与应用

1. 选择题：

   • 直接考查各类算法的特性（如AES是对称加密，RSA是非对称加密，SHA-256是散列算法）。
   • 考查算法的密钥长度和安全性（如DES 56位不安全，AES 128位安全）。
   • 考查国密算法的名称和用途（SM1/SM4对称，SM2非对称，SM3散列）。
   • 考查数字签名和SSL/TLS的工作流程。

2. 案例分析题：

   • 给出一个系统场景（如“设计一个Web应用”、“实现安全通信”），要求：
     • 为特定场景选择加密算法：传输大量数据用AES，安全交换密钥用RSA/SM2，存储密码用SHA-256/SM3加盐。
     • 设计安全方案：如何实现用户登录认证？如何保证数据传输机密性？如何防止数据被篡改？
     • 分析现有方案漏洞：如发现系统用MD5存储密码，或使用HTTP明文传输，需指出风险并提出改进方案。

3. 论文题：

   • 可能围绕“论信息系统安全架构的设计”、“加密技术在某项目中的应用与实践”、“Web应用的安全防护”等主题。
   • 写作时，必须详细阐述你如何综合运用对称加密、非对称加密、散列算法、数字签名等技术来解决实际的安全需求，并说明其中的权衡考量（例如为什么在TLS中既用了RSA又用了AES）。