课程介绍

本模块学习的是网络信息安全培训的第三模块——密码学基础。密码学是网络安全的数学基础，也是保护信息安全的核心技术。

其实，我们需要保护的是信息本身。而密码学就是保护信息的数学工具。无论是我们的银行密码、聊天记录，还是企业的商业机密、国家的机密文件，都离不开密码学的保护。

密码学概述

首先，我们来了解什么是密码学。密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。简单来说，就是研究如何保护信息不被别人看到，以及如何验证信息的真实性。

我们可以把密码学比作古代的密码本。古代军队用密码本来传递机密信息，即使信件被敌人截获，敌人也看不懂内容。现代密码学就是这种思想的数学化和现代化。

密码学发展历程

• 古典密码学 - 基于字符替换和置换的简单加密方法
• 现代密码学 - 基于数学理论的复杂加密算法
• 量子密码学 - 利用量子力学原理的未来密码技术

对称加密算法

对称加密使用相同的密钥进行加密和解密，就像用同一把钥匙锁门和开门一样。这种加密方式具有速度快、效率高的特点，适合大量数据的加密。

分组密码

• AES - 高级加密标准，密钥长度128/192/256位，目前最广泛使用的对称加密算法
• DES - 数据加密标准，密钥长度56位，已被破解不再安全
• 3DES - 三重DES，安全性提高但性能较差

流密码

• RC4 - 曾广泛用于SSL/TLS协议，现已不安全
• ChaCha20 - 安全性高、性能优秀的现代流密码
• Salsa20 - ChaCha20的前身，具有良好的安全性

加密模式

• ECB - 电子密码本模式，简单但不安全
• CBC - 密码分组链接模式，需要初始化向量
• CFB - 密码反馈模式，可处理任意长度数据
• OFB - 输出反馈模式，错误不会传播
• CTR - 计数器模式，可并行处理
• GCM - 伽罗瓦计数器模式，提供认证加密

非对称加密算法

非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。公钥可以公开，私钥必须保密。这就像邮箱一样，任何人都可以往里放信，但只有主人有钥匙取信。

RSA算法

由Rivest、Shamir和Adleman三位科学家提出，安全性基于大整数分解的困难性，密钥长度通常为1024、2048或4096位。

椭圆曲线密码学（ECC）

安全性基于椭圆曲线离散对数问题的困难性，在相同安全级别下密钥长度更短，计算效率更高。

其他非对称算法

• DSA - 数字签名算法
• Diffie-Hellman - 密钥交换协议
• ElGamal - 基于离散对数问题的加密和签名算法

哈希函数

哈希函数将任意长度的输入转换为固定长度的输出，就像给文件做指纹一样。具有单向性、确定性和雪崩效应等特性。

密码学哈希函数特性

• 单向性 - 从哈希值推导原始数据不可行
• 确定性 - 相同输入总是产生相同输出
• 雪崩效应 - 输入的微小变化导致输出的巨大变化
• 抗碰撞性 - 找到两个产生相同哈希值的不同输入极其困难

常用哈希算法

• SHA-256 - 输出256位，广泛应用于区块链、数字证书
• SHA-384 - 输出384位，中等安全级别
• SHA-512 - 输出512位，高安全级别
• MD5 - 输出128位，已被破解不再安全
• SHA-1 - 输出160位，已被破解不再推荐
• SHA-3 - 最新的哈希标准

哈希函数应用

• 数据完整性验证
• 密码存储
• 数字签名
• 区块链技术
• HMAC（基于哈希的消息认证码）

数字签名

数字签名提供数据完整性、身份认证和不可否认性保证，是电子商务和数字通信的重要技术。

数字签名原理

发送方使用私钥对消息摘要进行签名，接收方使用发送方的公钥验证签名的有效性。

数字证书

由可信的证书颁发机构（CA）签发，用于证明公钥的所有者身份，包含证书持有者信息、公钥、CA信息、有效期和CA的数字签名。

公钥基础设施（PKI）

管理数字证书和公钥加密的框架，包括证书颁发、分发、验证和撤销等功能。

密钥管理

密钥管理是密码系统安全的关键，包括密钥的生成、分发、存储、使用和销毁等环节。

密钥生成

• 使用密码学安全的随机数生成器
• 确保密钥的随机性和不可预测性
• 选择合适的熵源（鼠标移动、键盘输入、硬件噪声等）

密钥分发

• 带外分发 - 通过安全的物理渠道传递密钥
• 密钥交换协议 - 如Diffie-Hellman协议
• 密钥封装 - 使用公钥加密对称密钥

密钥存储

• 硬件安全模块（HSM） - 专用硬件设备提供高强度保护
• 智能卡 - 便携式安全存储设备
• 软件密钥库 - 密钥加密存储在文件系统中
• 密钥托管服务 - 由第三方安全存储密钥

现代密码学应用

现代密码学已经广泛应用于各个领域，成为数字社会的重要基础设施。

安全通信协议

• TLS/SSL - 保护Web通信安全
• IPSec - IP层安全协议
• SSH - 安全远程登录协议
• Signal Protocol - 端到端加密消息协议

区块链技术

大量使用哈希函数、数字签名、Merkle树等密码学技术，确保交易的安全性和不可篡改性。

零知识证明

允许一方向另一方证明某个陈述是真实的，而无需透露除了陈述真实性之外的任何信息。

同态加密

允许在不解密数据的情况下对加密数据进行计算，在云计算、数据共享等场景中具有重要意义。

课程总结

本模块的主要内容：

• 密码学是保护信息安全的数学基础，包括对称加密、非对称加密、哈希函数等技术
• 对称加密使用相同密钥，具有速度快的优势，但需要解决密钥分发问题
• 非对称加密使用公钥和私钥，很好地解决了密钥分发问题，但计算开销较大
• 哈希函数提供数据完整性验证，是数字签名和区块链的基础
• 数字签名提供身份认证和不可否认性，是电子商务等领域的重要技术
• 密钥管理是密码系统安全的关键，需要整个生命周期进行严格的安全控制
• 现代密码学广泛应用于安全通信、区块链、零知识证明等领域