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CISSP 重点知识点总结-3-安全工程

安全工程

第 6 章 密码学和对称密钥算法

术语和基本概念

密码学 Cryptology : 涉及隐藏、伪装或加密信息的科学
密码系统 Cryptosystem: 是指密码操作整体，其中包括软件、算法、协议、密钥和密钥管理功能
**算法 Algorithm: ** 加密和解密流程的数学函数 (数学运算)
密钥 Key： 密码算法运算的输入(运算参数)
密钥空间 Key Space： 一个密码算法或其他安全措施(如口令)中密钥可能值的总数
工作因子 Work Factor： 击破一项保护措施所需要付出的时间和精力(破解难度)
明文 Plaintext/Cleartext： 消息的天然格式 (明文是人类可读的)
**密文 Ciphertext/Cryptogram：**明文加密后得到的信息。(人不可理解其内容)
编码 Encoding： 通过一种代码把一条消息转变成另一种格式的做法 (为了某种规范，通常用于确保消息的完整性而非保密性)
解码 Decoding： 编码的逆向流程
**加密 Encryption： ** 系把消息从明文转变成密文的过程
解密 Decryption： 系加密的逆向流程
替代 Substitution： 用一个字母或字节替换另一个字母或字节的过程 (非原文)
换位 Transposition： 重排明文顺序以隐藏消息的过程 (原文打乱顺序)
混淆（扰乱） Confusion： ： 通过混合（改变）各轮次加密过程中使用的密钥值形成 (使密文与密钥统计关系变得更加复杂, 随机性替代
扩散 Diffusion： 让明文中的每一位影响密文中的许多位，或者说让密文中的每一位受明文中的许多位的影响 (隐蔽明文的统计特性， 随机性换位
雪崩效应 Avalanche Effect： 密钥或明文哪怕发生一点微小变化, 也会使得出的密文发生重大变化. 这也是强散列算法的一个特点
初始向量 Initialization Vector： 一种非保密二进制向量，在给密文块按顺序加密时用作初始化输入算法，引入附加密码方差，可提高安全性(增加破解难度)
同步 Synchronous： 每个加密或解密请求都被立即处理
异步Asynchronous： 加密/解密请求排队等待处理. 可以利用硬件设备和多处理器系统来加快加密运算速度
哈希函数 Hash function： 任意长度的输入, 通过散列算法, 变换成固定长度的输出, 该输出就是散列值 (输出固定, 输入不同输出不同, 无法逆推)
**密钥汇聚 Key Clustering: ** 不同的加密密钥从同一条明文消息生成相同的密文
密码分析 Cryptanalysis： 试图破解密码技术(分析算法、破解秘钥)
碰撞 Collision： 不同的信息散列值相同
数字签名 Digital Signatures： 原文（明文或加密后的密文）经哈希算法得出散列值，该散列值用发送者私钥加密得出的散列值密文。（完整性、抗抵赖性)
数字证书 Digital Certificate: 电子文件，内含机构名称或个人姓名、公司地址、发放该证书的发证机构的数字签名、证书持有人的公钥、证书序号和到期日
**证书颁发机构（CA） Certificate Authority：**发放 、撤销和管理数字证书的权威机构
注册机构（RA） Registration Authority： 代表CA提供证书注册服务的机构，对用户身份进行验证
不可抵赖 Nonreputation： 一项安全服务，保留了证据，使数据的发送者和接收者都不能否认自己参加过所涉通信。（分为原发不可抵赖，接收不可抵赖)
对称的 Symmetric： 加密、解密使用同一密钥
非对称的 Asymmetric： 加密、解密使用不同密钥(公钥、私钥。公钥可交换，私钥永远自己持有)

• 密码学的目标

  机密性, 完整性, 身份验证（真实性）, 不可否认性（抗抵赖）

• 密码学概念

  • Cryptology(密码学) : Cryptography(密码术) Cryptanalysis(密码分析/密码破译)
  • 扩散 Diffusion : 明文和密文的关系尽可能复杂,单独一个明文位会影响到若干密文位
  • 混淆 Confusion : 密文和密钥之间的关系尽可能复杂。（很难通过只靠改动明文分析对应密文来确定密钥）

现代密码学

对称密钥算法 : 秘密密钥, 密钥共享
非对称密钥算法 : 公开密钥(公钥公开), 私钥不公开
散列算法（哈希算法）: 保障完整性

对称密码技术

对称密码技术：发件人和收件人使用其共同拥有的单个密钥 ,这种密钥既用于加密 ，也用于解密 ，叫做机密密钥(也称为对称密钥或会话密钥 ), 能够提供信息机密性 （没有密钥信息不能被解密）、 完整性 （被改变的信息不能被解密）的服务. 对称式密码学又称： 单钥密码学、秘密密钥密码学、会话密钥密码学、私钥密码学、共享秘钥密码学
对称式加密算法相关概念

• DES （数据加密标准）：分组式加密，算法源于 Lucifer ，作为 NIST 对称式加密标准； 64 位（有效位 56 位、校验 8 位），分组算法
• 3DES ： 128 位，分组算法
• IDEA （国际数据加密算法）： 128 位，比 DES 快，分组算法
• Blowfish ： 32-448 位，算法公开，分组算法
• **RC4 ：**流密码，密钥长度可变 (已经被破解不安全)
• RC5 ：分组密码，密钥长度可变，最大 2048 位
• Rijndael ： 128 位 /196 位 /256 位
• AES （高级加密标准）： DES 升级版，算法出自 Rinjindael
• Safer ：分组算法
• Skipjack ：分组算法

• 优点

  用户只需记忆一个 密钥，就可用于加密、解密, 与非对称加密方法相比，加密解密的计算量小，速度快，效率髙 ，简单易用，**适合于对海量数据进行加密处理 **

• 缺点

  如果密钥交换 不安全，密钥的安全性就会丧失, 特别是在电子商务环境下，当客户是未知的、不可信的实体时，如何使客户安全地获得密钥就成为一大难题(带外传输), 如果用户较多情况下的密钥管理问题(n x (n-1)/2)

• AES（高级加密标准）

  1997年NIST开始征集AES算法，要求是分组算法，支持128、192、256密钥长度
  最终对决的5个算法是

  • MARS：IBM设计
  • RC6：RSA设计 （分组），
  • Serpent：Ross Anderson等设计
  • Twofish： Bruce Schneier 灯设计
  • Rijindael：Joan Daemen和Vincent Rijmen设计
    最终 Rijindael中选 ，它支持密钥及分组可以为 128、192、256位
  • 128位分租，10轮运算
  • 192位分组，12轮运算
  • 256位分组，14轮运算

• RC4

  是RSA三人组中的头Ronald Rivest在1987年设计的密钥长度可变（ 8-2048位 ）的 流加密 算法簇。之所以称其为簇，是由于其核心部分的S-box长度可为任意，但一般为256字节。该算法的速度可以达到DES加密的10倍左右，且具有很高级别的非线性。典型 应用于SSL/TLS, 802.11 WEP 协议. 已经被破解现在不安全

• 其它

  DES/2DES/3DES/CCMP/IDEA/CAST/SAFER/Blowfish/Twofish/RC5

• 对称密钥管理

  • 密钥分发

    线下分发 固有缺陷(不安全)
    公钥加密 需要 PKI (公钥基础设施)
    Diffie-Hellman 最实用的机制

  • 存储和销毁
  • 密钥托管和恢复

    公平密码系统 秘密密钥被分解成两个或多个片段
    受托加密标准
    密钥托管 由 第三方 维护一个 私钥 或者用于加密信息的密钥的拷贝 双方必须彼此信任，密钥提供的条件必须被清晰地定义

密码的生命周期

• 三个阶段（密码/密钥的抗破解性随时间下降）

  • 强壮的
  • 虚弱的
  • 缺乏抵抗力的

• 算法/协议治理

  如何迁移存在的信息系统和密码学元素到新的平台，安全专家必须采取相应的治理过程确保这个过渡过程，相关的策略、标准、程序至少要关注：

  • 被批准的密码算法和密钥大小
  • 针对老的密码算法和密钥的过渡计划
  • 在组织内对于加密系统的使用程序和标准，要表明哪些信息有加密的需求
  • 密钥的生成、托管、销毁
  • 加密系统弱点或密钥丢失的事件报告
  • 算法可靠性、密钥强度、密钥管理方式

• 其他一些安全问题

  • 知识产权 保护与个人隐私
  • 国际出口控制
  • 法律强制
  • 安全专家需要理解密码如何被错误的使用给组织造成影响，进而采取适当的安全控制措施。一个典型的例子是 “ 密码时间炸弹 ” (密码时效性防护)

密码系统

• 加密的基本原理、手段

  替代 : 其他字符替代原文字符。单字母表替代密码、多字母表替代密码、Playfair密码
  换位 (排列 Permutation) :

  • 在换位密码中，所有字符都是混乱的，或者采取不同的顺序, 密钥决定了字符移动到的位置
  • 栅栏密码 (The Rail Fence) (行列错位)
    其他:
  • 滚动密码隐藏式密码 : 采用模块化数学以及用每个字母在字母表中的位置来表达每个字母，和密钥一起循环滚动计算。（公开书籍中的文字对应）
  • 一次性密码本 : 1917年Gilbert Vernam提出的，被认为不可破译, 使用随 机的替换值 加密，在计算机中，使用随机的二进制位串 和明文位串进行异或/同或 操作（exclusive-OR, XOR ; exclusive-NOR, XNOR ）
    • 密文接收者必须有相同的一次性密码本
    • 密码本 只使用一次
    • 密码本 与明文消息长度一样
    • 密码本必须要安全的分发并在发送端和接收端都 高度保护
    • 密码本必须由 真随机值组成
  • 隐写术

    • 是一种将数据隐藏在另一种介质中以藏匿数据的方法。数据并未被加密而是被隐藏

    • 要素： 载体 （如照片）、 隐写介质 （如JPEG）、 有效载荷 （信息）

      例子：The saying “The time is right”is not cow language , so is now a dead subject. 每第三个单词组成 The right cow is dead .

    • 隐藏：1. 藏头诗, 2. 数字水印

• 按照明文的处理方法（对称式加密算法）

  • 分组加密

    消息被划分为若干分组，这些分组通过数学函数进行处理，每次一个分组
    一个强密码具有两个属性：

    • 扰乱（通过替代实现），使密钥和密文之间的关系尽可能复杂。
    • 扩散（通过换位实现），单独一个明文位会影响到若干密文位

  • 流加密

    将消息作为位流对待，并且使用数学函数 分别作用在明文每一个位上。 流密码使用密码流生成器，它生成的位流与明文位进行异或，从而产生密文。 类似一次性加密 ， 密钥流尽可能随机 。 （拉拉链）
    典型流加密：RC4 (WEP)

• 其他密码学转换技术

  • 初始向量（initialization vector,IV）

    与密钥一同使用，传输时不用加密。算法使用IV和密钥来提高加密过程的随机性

  • 雪崩效应

    与扩散类似，算法输入值轻微的变化会引起输出值的显著变化

  • 明文加密之前对其进行压缩

    可以降低原始明文的长度

  • 明文加密之前对其进行填充

    目的是把明文的最后一个块增加到每一块需要的长度

  • 混合使用子密钥（subkey）和主密钥（masterkey）以限制密钥暴露时间, 密钥方案中是由主密钥生成子密钥的（ 密钥导出函数 ）

• 按照加密方法分类（密钥特点）

  混合加密

密钥管理过程

• Kerckhoff原则

  1883年，Auguste Kerckhoff 发表论文认为 “密码系统中 唯一需要保密的是密钥 ” “算法应该公开” “太多的秘密成分会引入更多的弱点”

• 密钥管理方面的进展

  XML Key Management Specification 2.0 （XKMS），包含两个部分

  • XML Key Information Service Specification （X-KISS）
  • XML Key Registration Service Specification （X-KRSS）
    XKMS提供
  • 操控复杂的语法和语义
  • 从目录收回信息
  • 撤销列表验证
  • 信任链创建和处理
    金融机构的标准 ANSI X9.17描述了确保密钥安全的方法

  • 职责分离 : 不能实现职责分离的要考虑补偿控制
  • 双人控制 : 关注两个或以上人参与完成一个工作
  • 分割知识 : 关注参与的每个人都是唯一的且是必须的

• 密钥创建

  要考虑可扩展性和密钥完整性, 采用自动化系统来创建密钥，不仅对用户透明也便于密钥策略实施, 工作因子与构成密钥的位的随机性水平有关

  • 伪随机数
  • 随机数生成器
    非对称密钥长度
  • 1024位RSA密钥加密强度相当于80位的对称密钥
  • 2048位RSA密钥加密强度相当于112位的对称密钥
  • 3072位RSA密钥加密强度相当于128位的对称密钥
  • 224位ECC密钥加密强度相当于112位的对称密钥
    密钥包装和密钥加密密钥（KEK）
  • KEK是保护会话密钥的一个解决方案，用于密钥分发和密钥交换。使用KEK来保护会话密钥的过程被叫做密钥包装。
  • 如果使用对称密码来封装会话密钥，那么发送方和接收方需要使用同一个密码；如果使用非对称密码来封装会话密钥，发送方和接收方需要彼此的公钥。
  • SSL、S/MIME、PGP都是用KEK来保护会话密钥

• 密钥分发

  密钥交换可以采用“带外管理”（out of band），但其可扩展性较差
  一个可扩展的密钥交换方法是采用一个密钥分发服务器(KDC) 存放所有人的公钥
  KDC 用户与KDC共享的密钥，用于KDC和用户之间传输加密信息用户和应用资源通信的会话密钥，需要使创建，用完则删除

• 密钥存储与销毁

  所有密钥都需要被保护防止被修改，所有会话密钥和私钥需要被保护防止被非授权暴露。密钥保护方法包括：
  可信的、防篡改的硬件安全模块，带密码保护的智能卡，分割密钥存储在不同地点，使用强口令保护密钥，密钥期限，等
  相关标准

  • NIST SP800-21-1 联邦政府实施密码学指南

  • NIST SP800-57 密钥管理建议

    简单的删除操作不能完全清除密钥，可能需要用不相关信息（如随机数、全为0或1）多次复写

• 证书替换成本和撤销

  人员、设备规模大造成证书替换成本较高, 人员离职，人员岗位变更、丢失密钥等要注意撤销证书, 证书的生命周期

• 密钥恢复

  从可信的目录或密钥注册的安全机构, 一种方法为多方密钥恢复 (密钥信封), 密钥恢复涉及到个人隐私和法律问题

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第 7 章 PKI和密码应用

非对称密码技术

优点 : 可以安全地交换公钥，保障了密钥的安全性, 公钥交换，私钥自己保存，便于密钥的管理, 可扩展性好，密钥数量 2n 个

**缺点 : ** 计算量大，速度慢，不适合与海量数据加密

• Diffie-Hellman

  用于交换会话密钥

  第一个非对称密钥, 协商算法，重点解决密钥分发问题, 基于“有限域上的离散对数计算困难”的难题, 通信双方在不可信的网络上交换他们彼此的公钥，再在各自的系统上生成相同的对称密钥。不提供加密、数字签名功能。

• RSA

  是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）, 阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。RSA算法的安全性基于数论中 分解大因数为原始质数的困难性，在已提出的公开密钥算法中，RSA是最容易理解和实现的，这个算法也是最流行的。

• ECC

  最初由Koblitz和Miller两人于1985年提出，其数学基础是利用椭圆曲线上的有理点构成Abel加法群上 椭圆离散对数的计算困难性。效率高

  • 160bit密钥相当于RSA 1024bit
  • 210bit密钥相当于RSA 2048bit