安全与密码学笔记

一、信息安全的核心目标

机密性 (Confidentiality)
- 数据仅能被授权方访问，防止未经授权的信息泄露。
- 工具：加密算法（如 AES、RSA）。
完整性 (Integrity)
- 确保数据在传输或存储过程中未被篡改。
- 工具：哈希函数（如 SHA-256）、数字签名。
可用性 (Availability)
- 确保授权用户能按需访问数据或系统。
- 威胁：DDoS 攻击、系统故障。
身份认证 (Authentication)
- 验证用户或系统的真实身份。
- 方法：密码、生物识别、双因素认证（2FA）。
不可否认性 (Non-repudiation)
- 防止参与者事后否认其行为。
- 工具：数字签名（如 ECDSA）。

二、密码学基础

1. 对称加密（Symmetric Cryptography）

特点：加密与解密使用同一密钥。
典型算法：
- AES（Advanced Encryption Standard）：块加密，支持 128/192/256 位密钥。
- ChaCha20：流加密，常用于移动端和 TLS。
优点：速度快，适合大数据加密。
缺点：密钥分发困难（需安全信道传输密钥）。

2. 非对称加密（Asymmetric Cryptography）

特点：使用公钥加密、私钥解密。
典型算法：
- RSA：基于大数分解难题，广泛用于数字签名和密钥交换。
- ECC（椭圆曲线加密）：更短的密钥实现同等安全性。
应用场景：
- HTTPS 中的 TLS 握手（如 RSA 密钥交换）。
- 比特币地址生成（ECC 算法）。

3. 哈希函数（Hash Function）

特性：单向性、抗碰撞性、雪崩效应。
用途：
- 验证文件完整性（如下载文件的 SHA-256 校验）。
- 密码存储（结合盐值防止彩虹表攻击）。
常见算法：SHA-3、BLAKE3。

4. 数字签名（Digital Signature）

流程：
1. 发送方用私钥对数据哈希值加密生成签名。
2. 接收方用公钥解密签名，验证哈希是否匹配。
应用：软件发布验证（如 Git commit 签名）、区块链交易。

三、密码学的实际应用

1. HTTPS 与 TLS 协议

混合加密机制：
- 非对称加密协商会话密钥。
- 对称加密传输实际数据。
证书体系：CA（证书颁发机构）验证服务器公钥合法性。

2. 区块链与密码学

比特币中的密码学：
- ECC 生成钱包地址。
- SHA-256 保证区块一致性（工作量证明）。
智能合约安全：形式化验证防止代码漏洞。

3. 密码管理实践

密码强度建议：
- 长度 >12 字符，混合大小写、数字、符号。
- 避免重复使用密码。
工具推荐：
- 密码管理器（如 Bitwarden、1Password）。
- 双因素认证（Google Authenticator、YubiKey）。

四、现代密码学的挑战

1. 量子计算的威胁

Shor 算法：可破解 RSA、ECC 等依赖数论难题的算法。
应对方案：
- 后量子密码学（如基于格的加密算法 Kyber）。
- 量子密钥分发（QKD）。

2. 侧信道攻击（Side-Channel Attacks）

原理：通过功耗、电磁辐射等物理信息推断密钥。
防护：恒定时间编程、硬件隔离。

3. 社会工程学与钓鱼攻击

案例：伪造登录页面窃取用户凭证。
防御：用户教育、多因素认证（MFA）。

五、经典攻击与防御

1. 中间人攻击（MitM）

场景：公共 WiFi 下拦截 HTTPS 流量。
防御：证书绑定（Certificate Pinning）、HSTS 协议。

2. 暴力破解与字典攻击

防御：
- 密码加盐哈希（如 bcrypt、Argon2）。
- 账户锁定策略。

3. 重放攻击（Replay Attack）

案例：重复发送合法请求（如转账交易）。
防御：时间戳、一次性令牌（Nonce）。

六、学习资源推荐

书籍：
- 《应用密码学》（Bruce Schneier）
- 《图解密码技术》（结城浩）
在线课程：
- Coursera《Cryptography I》（斯坦福大学）
- Khan Academy 密码学入门。
实践工具：
- OpenSSL 命令行工具。
- Cryptool（可视化密码学实验平台）。

总结：密码学是信息安全的基石，需结合理论理解与实践防护。随着技术演进（如量子计算），持续学习与更新防护手段至关重要。