密码学基础 二 对称加密(密码学加密解密)
密码学基础 二 对称加密(密码学加密解密)
加密和解密使用相同的秘钥称为对称加密。
DES：已经淘汰
3DES：相对于DES有所加强，但是仍然存在较大风险
AES：全新的对称加密算法。
特点决定使用场景，对称加密拥有如下特点：
速度快，可用于频率很高的加密场景。
使用同一个秘钥进行加密和解密。
可选按照128、192、256位为一组的加密方式，加密后的输出值为所选分组位数的倍数。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，加密强度也更强。
例如：
AES加密结果的长度由原字符串长度决定：一个字符为1byte=4bit，一个字符串为n+1byte，因为最后一位为'\0'，所以当字符串长度小于等于15时，AES128得到的16进制结果为32位，也就是32 4=128byte，当长度超过15时，就是64位为128 2byte。
因为对称加密速度快的特点，对称加密被广泛运用在各种加密场所中。但是因为其需要传递秘钥，一旦秘钥被截获或者泄露，其加密就会玩完全破解，所以AES一般和RSA一起使用。
因为RSA不用传递秘钥，加密速度慢，所以一般使用RSA加密AES中锁使用的秘钥后，再传递秘钥，保证秘钥的安全。秘钥安全传递成功后，一直使用AES对会话中的信息进行加密，以此来解决AES和RSA的缺点并完美发挥两者的优点，其中相对经典的例子就是HTTPS加密，后文会专门研究。
本文针对ECB模式下的AES算法进行大概讲解，针对每一步的详细算法不再该文讨论范围内。
128位的明文被分成16个字节的明文矩阵，然后将明文矩阵转化成状态矩阵，以“abcdefghijklmnop”的明文为例：
同样的，128位密钥被分成16组的状态矩阵。与明文不同的是，密文会以列为单位，生成最初的4x8x4=128的秘钥，也就是一个组中有4个元素，每个元素由每列中的4个秘钥叠加而成，其中矩阵中的每个秘钥为1个字节也就是8位。
生成初始的w[0]、w[1]、w[2]、w[3]原始密钥之后，通过密钥编排函数，该密钥矩阵被扩展成一个44个组成的序列W[0],W[1], … ,W[43]。该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始密钥加，后面40个字分为10组，每组4个32位的字段组成，总共为128位，分别用于10轮加密运算中的轮密钥加密，如下图所示：
之所以把这一步单独提出来，是因为ECB和CBC模式中主要的区别就在这一步。
ECB模式中，初始秘钥扩展后生成秘钥组后(w0-w43)，明文根据当前轮数取出w[i,i+3]进行加密操作。
CBC模式中，则使用前一轮的密文(明文加密之后的值)和当前的明文进行异或操作之后再进行加密操作。如图所示：
根据不同位数分组，官方推荐的加密轮数：
轮操作加密的第1轮到第9轮的轮函数一样，包括4个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加。最后一轮迭代不执行列混合。
当第一组加密完成时，后面的组循环进行加密操作知道所有的组都完成加密操作。
一般会将结果转化成base64位，此时在iOS中应该使用base64编码的方式进行解码操作，而不是UTF-8。
base64是一种编码方式，常用语传输8bit字节码。其编码原理如下所示：
将原数据按照3个字节取为一组，即为3x8=24位
将3x8=24的数据分为4x6=24的数据，也就是分为了4组
将4个组中的数据分别在高位补上2个0，也就成了8x4=32，所以原数据增大了三分之一。
根据base64编码表对数据进行转换，如果要编码的二进制数据不是3的倍数，最后会剩下1个或2个字节怎么办，Base64用\x00字节在末尾补足后，再在编码的末尾加上1个或2个=号，表示补了多少字节，解码的时候，会自动去掉。
举个栗子：Man最后的结果就是TWFu。
计算机中所有的数据都是以0和1的二进制来存储，而所有的文字都是通过ascii表转化而来进而显示成对应的语言。但是ascii表中存在许多不可见字符，这些不可见字符在数据传输时，有可能经过不同硬件上各种类型的路由，在转义时容易发生错误，所以规定了64个可见字符（a-z、A-Z、0-9、+、/）,通过base64转码之后，所有的二进制数据都是可见的。
ECB和CBC是两种加密工作模式。其相同点都是在开始轮加密之前，将明文和密文按照128/192/256进行分组。以128位为例，明文和密文都分为16组，每组1个字节为8位。
ECB工作模式中，每一组的明文和密文相互独立，每一组的明文通过对应该组的密文加密后生成密文，不影响其他组。
CBC工作模式中，后一组的明文在加密之前先使用前一组的密文进行异或运算后再和对应该组的密文进行加密操作生成密文。
为简单的分组加密。将明文和密文分成若干组后，使用密文对明文进行加密生成密文
CBC
加密：
解密：
一、对称加密
概念：加密和解密用同一对密钥的加密技术，叫对称加密。
加密方式：DES、3DES、AES，安全性依次从低到高。
示意图：
二、非对称加密，也称公开密钥
概念：加密和解密用 不同的密钥 的加密技术，叫非对称加密。
典型的加密方式：RSA算法
加密步骤：
三、两种方式各自的缺点：
四、混合密码系统
概念：将对称密码和公钥密码的优势相结合的方法
优点：解决了公钥密码速度慢的问题；通过公钥密码解决了对称密码的密钥配送问题。
应用：网络上的密码通信所用的SSL/TSL都运用了混合密码系统。
会话密钥的生成：
加密步骤：
最终，发出去的消息包括两部分：
解密步骤：
示意图：
1. 为什么加密消息主体要用对称加密？
因为消息主体信息量大，发送频繁，而对称加密速度快，效率高。
2. 为什么加密会话密钥要用非对称加密？
因为会话密钥一般比较短，而且通常只需要发送一次即可，所以对速度要求不高，但对安全性要求很高，非对称加密满足这个要求。
加密和解密使用的是两个不同的秘钥，这种算法叫做非对称加密。非对称加密又称为公钥加密，RSA只是公钥加密的一种。
现实生活中有签名，互联网中也存在签名。签名的作用有两个，一个是身份验证，一个是数据完整性验证。数字签名通过摘要算法来确保接收到的数据没有被篡改，再通过签名者的私钥加密，只能使用对应的公钥解密，以此来保证身份的一致性。
数字证书是将个人信息和数字签名放到一起，经由CA机构的私钥加密之后生成。当然，不经过CA机构，由自己完成签名的证书称为自签名证书。CA机构作为互联网密码体系中的基础机构，拥有相当高级的安全防范能力，所有的证书体系中的基本假设或者前提就是CA机构的私钥不被窃取，一旦 CA J机构出事，整个信息链将不再安全。
CA证书的生成过程如下：
证书参与信息传递完成加密和解密的过程如下：
互质关系：互质是公约数只有1的两个整数，1和1互质，13和13就不互质了。
欧拉函数：表示任意给定正整数 n，在小于等于n的正整数之中，有多少个与 n 构成互质关系，其表达式为：
其中，若P为质数，则其表达式可以简写为：
情况一：φ(1)=1
1和任何数都互质，所以φ(1)=1；
情况二：n 是质数， φ(n)=n-1
因为 n 是质数，所以和小于自己的所有数都是互质关系，所以φ(n)=n-1；
情况三：如果 n 是质数的某一个次方，即 n = p^k ( p 为质数，k 为大于等于1的整数)，则φ(n)=(p-1)p^(k-1)
因为 p 为质数，所以除了 p 的倍数之外，小于 n 的所有数都是 n 的质数；
情况四：如果 n 可以分解成两个互质的整数之积，n = p1 × p2，则φ(n) = φ(p1p2) = φ(p1)φ(p2)
情况五：基于情况四，如果 p1 和 p2 都是质数，且 n=p1 × p2，则φ(n) = φ(p1p2) = φ(p1)φ(p2)=(p1-1)(p2-1)
而 RSA 算法的基本原理就是欧拉函数中的第五种情况，即： φ(n)=(p1-1)(p2-1);
如果两个正整数 a 和 n 互质，那么一定可以找到整数 b，使得 ab-1 被 n 整除，或者说ab被n除的余数是1。这时，b就叫做a的“模反元素”。欧拉定理可以用来证明模反元素必然存在。
可以看到，a的 φ(n)-1 次方，就是a对模数n的模反元素。
n=p x q = 3233，3233写成二进制是110010100001，一共有12位，所以这个密钥就是12位。
在实际使用中，一般场景下选择1024位长度的数字，更高安全要求的场景下，选择2048位的数字，这里作为演示，选取p=61和q=53；
因为n、p、q都为质数，所以φ(n) = (p-1)(q-1)=60×52= 3120
注意，这里是和φ(n) 互互质而不是n！假设选择的值是17，即 e=17；
模反元素就是指有一个整数 d，可以使得 ed 被 φ(n) 除的余数为1。表示为：(ed-1)=φ(n) y -- 17d=3120y+1，算出一组解为(2753,15)，即 d=2753，y=-15，也就是(17 2753-1)/3120=15。
注意，这里不能选择3119，否则公私钥相同？？
公钥：(n,e)=(3233,2753)
私钥：(n,d)=(3233,17)
公钥是公开的，也就是说m=p*q=3233是公开的，那么怎么求e被？e是通过模反函数求得，17d=3120y+1，e是公开的等于17，这时候想要求d就要知道3120，也就是φ(n)，也就是φ(3233)，说白了，3233是公开的，你能对3233进行因数分解，你就能知道d，也就能破解私钥。
正常情况下，3233我们可以因数分解为61*53，但是对于很大的数字，人类只能通过枚举的方法来因数分解，所以RSA安全性的本质就是：对极大整数做因数分解的难度决定了RSA算法的可靠性。换言之，对一极大整数做因数分解愈困难，RSA算法愈可靠。
人类已经分解的最大整数是：
这个人类已经分解的最大整数为232个十进制位，768个二进制位，比它更大的因数分解，还没有被报道过，因此目前被破解的最长RSA密钥就是768位。所以实际使用中的1024位秘钥基本安全，2048位秘钥绝对安全。
网上有个段子：
已经得出公私钥的组成：
公钥：(n,e)=(3233,2753)
私钥：(n,d)=(3233,17)
加密的过程就是
解密过程如下：
其中 m 是要被加密的数字，c 是加密之后输出的结果，且 m n ，其中解密过程一定成立可以证明的，这里省略证明过程。
总而言之，RSA的加密就是使用模反函数对数字进行加密和求解过程，在实际使用中因为 m n必须成立，所以就有两种加密方法：
对称加密存在虽然快速，但是存在致命的缺点就是秘钥需要传递。非对称加密虽然不需要传递秘钥就可以完成加密和解密，但是其致命缺点是速度不够快，不能用于高频率，高容量的加密场景。所以才有了两者的互补关系，在传递对称加密的秘钥时采用非对称加密，完成秘钥传送之后采用对称加密，如此就可以完美互补。
密码学包含两个互相对立的分支：
研究编制密码的技术称为密码编码学（Cryptography），主要研究对数据进行变换的原理、手段和方法，用于密码体制设计。
研究破译密码的技术称为密码分析学（Cryptanalysis），主要研究内容如何破译密码算法。密码编制学和密码分析学共同组成密码学。
一些术语
明文是原始的信息（Plaintext，记为P）。
密文是明文经过变换加密后信息（Ciphertext，记为C）。
加密是从明文变成密文的过程（Enciphering，记为E）。
解密是密文还原成明文的过程（Deciphering，记为D）。
加密算法（Encryption Algorithm）是实现加密所遵循的规则。用于对明文进行各种代换和变换，生成密文。
解密算法（Decryption Algorithm）是实现解密所遵循的规则，是加密算法的逆运行，由密文得到明文。
密钥（Key，记为K）。为了有效地控制加密和解密算法的实现，密码体制中要有通信双方的专门的保密“信息”参与加密和解密操作，这种专门信息称为密钥。
