當談論通訊安全的時候，通常我們關心的是下面四個問題：
1）防止消息竊聽
當傳送的消息是機密內(nèi)容的時，人們希望給消息加密。這樣即使消息在傳送過程中被截獲，竊聽者也無法確切的知道消息內(nèi)容，從而達到保密的效果。
2）防止消息篡改
消息在傳送過程中，有可能被攻擊者篡改內(nèi)容，這樣接收者接到的就是錯誤的信息，通訊過程中應該提供某種方案防止篡改。
3）防止消息偽造
攻擊者假冒發(fā)送者的名義，給接收者發(fā)送消息，這種行為稱為消息偽造。
4）防止否認
發(fā)送者事后否認自己發(fā)送過消息，需要有一種機制來防止這種情況發(fā)生。
下面，我們將詳細分析下這四個問題。
1. 防竊聽
提到加密，很多人的第一反應是下面這樣：
"自己實現(xiàn)一個加密算法，然后將算法保密，這樣就能保證安全。"
在密碼學的領域，這是個典型的誤區(qū)。
首先，開發(fā)高強度的加密算法是非常困難的。普通的算法在外行看起來牢不可破，但是專業(yè)破譯者卻有非常多的工具和攻擊方式，使其破綻百出。
其次，加密算法的秘密總有一天會公諸于世。到那時，所有基于這個算法的秘密都將被泄露。
實踐中使用的加密算法都是公開的，消息傳遞依靠保密的密鑰來確保消息不被破解。正因此，它們經(jīng)過攻擊者長期嘗試仍未被破解，所以保密強度較高。
常用的加密體系分為三類，對稱加密、非對稱加密和混合加密。
1.1 對稱加密
對稱加密是指加密和解密用的是同一個密鑰。這個密鑰只有發(fā)送者和接收者知曉，其他沒有密鑰的人無法解密消息。
常見的對稱加密算法有 DES 、 3DES 和 AES 等。隨著計算機硬件的進步，使用暴力破解法已經(jīng)能在現(xiàn)實時間中完成對 DES 的破解； 3DES 處理速度不高，此外在安全性方面也逐漸顯現(xiàn)出了些問題；目前應該選用的算法是 AES 。
1.2 非對稱加密
與對稱加密不同，非對稱加密算法需要兩個密鑰——公鑰和私鑰。
公鑰和私鑰是一對。公鑰加密，對應的私鑰才能解密，反之亦然。前面的場景適用于防竊聽，后面的場景適用于數(shù)字簽名，也就是防止否認。
實現(xiàn)機密消息交換的基本過程是：甲方生成一對密鑰并將其中一個作為公鑰向其它方公開，得到該公鑰的乙方使用該公鑰對消息進行加密再發(fā)送給甲方，甲方再使用自己的私鑰對消息進行解密。
網(wǎng)絡中的其他竊聽者雖然也能拿到甲方的公鑰，但是加密后的消息只有私鑰才能解開，所以他們無法破譯消息。
最常使用的非對稱加密算法是 RSA 。
1.3 混合加密
比較一下對稱加密和非對稱加密各自的特點：
對稱加密處理速度快，但是由于通訊雙方使用的是同一個密鑰，存在密鑰配送困難的問題。要求通訊雙方線下交換密鑰是不現(xiàn)實的，而線上配送又存在被竊聽的風險。
非對稱加密的公鑰本身就是可以對外公開的，天然避免了密鑰配送的問題；但是非對稱加密的處理速度遠遠低于對稱加密。
混合加密體系是將上述兩種優(yōu)勢相結(jié)合的辦法。
先看一下加密過程。
通訊過程中傳送了兩部分內(nèi)容：一部分是使用對稱加密算法加密的消息，另一部分是對稱加密的密鑰。其中對稱加密的密鑰是由接收方的公鑰加密過的，這樣除了接收方之外，任何其他人都不能解開對稱加密的密鑰，從而也無法解開加密的消息。
加密過程
相比于要傳送的消息本身，對稱密鑰的長度要短得多。非對稱加密的處理速度慢，所以只用來加密對稱密鑰，而很長的消息則用處理速度快的對稱算法來加密。
下面是解密過程。
先把對稱加密的密鑰和加密后消息這兩部分分離開。對稱密鑰之前是用接收者的公鑰加密的，所以只能使用接收者的私鑰進行解密。對稱密鑰解出來之后，就可以對消息密文進行解密了，從而得到消息明文。
2. 防篡改
通訊過程中，接收方有時候會有這樣的疑問：
"我接收到的消息確實就是發(fā)送者發(fā)過來的那條嗎？在傳輸?shù)倪^程中會不會已經(jīng)被攻擊者給改寫了？"
這是對消息完整性的挑戰(zhàn)。
實踐中一般使用摘要算法來應對這種挑戰(zhàn)。
摘要算法有如下重要特性。
第一，輸入任意長度的字符串，輸出固定長度的字符串。比起要傳輸?shù)南㈤L度來說，輸出的固定長度通常很短，因此很容易進行處理。
第二，相同的輸入總是對應相同的輸出。發(fā)送方對消息進行摘要處理，同時把摘要附在消息里發(fā)送出來。接收方收到之后用同樣的摘要算法對消息進行處理，再把計算出來的摘要和收到的摘要進行對比，如果不一致，就能知道消息已被篡改。
第三，給定一個字符串 A ，經(jīng)過摘要算法處理后的串 B ，很難找到一個字符串 C ，使其摘要后的串和串 B 相同。這個重要的特性稱為抗碰撞性（弱抗碰撞性）。這條特性使得攻擊者在篡改消息后，很難再計算出同樣的摘要，從而規(guī)避摘要算法的檢查。
第四，這種轉(zhuǎn)換具有單向性，即不能通過輸出串倒推出輸入串。
常用的摘要算法包含 MD4 、 MD5 、 SHA-1 和 SHA-2 （包含 SHA-256 、SHA-384 和 SHA-512 ）。上述算法中目前唯有 SHA-2 算法的強抗碰撞性尚未被攻破。
3. 防偽造
防偽造指的是"消息來自正確的發(fā)送者"。
防篡改關注的是消息內(nèi)容，防偽造關注的是消息發(fā)送者本身。
防篡改關注的是消息的完整性（ integrity ），防偽造關注的是消息的認證（ authentication ）。
消息認證碼（ Message Authentication Code ）是一種既能檢查消息完整性，又能做身份驗證的技術，取三個單詞的首字母，簡稱為 MAC 。
實踐中經(jīng)常使用與密鑰相關的摘要算法來實現(xiàn)消息認證碼。
消息認證碼的使用步驟如下：
1. 發(fā)送者和接收者事先共享密鑰；
2. 發(fā)送者使用共享密鑰對消息計算 MAC 值；
3. 發(fā)送者將消息和 MAC 一起發(fā)給接收者；
4. 接收者使用共享密鑰對接收到的消息計算 MAC 值；
5. 接收者將計算的 MAC 值跟接收到的 MAC 值做比較；
由于攻擊者沒有共享密鑰，所以無法跟接收者算出一樣的 MAC 值。
跟對稱密鑰一樣，這里同樣面臨密鑰配送的問題，我們?nèi)匀豢梢圆捎梅菍ΨQ加密的方式進行密鑰配送。除此之外， Diffie-Hellman 算法也是常用的密鑰交換方式。
4. 防否認
想象一下這個場景， Bob 收到了一張 Alice 發(fā)來的五百萬元的借條。使用事先約定好的共享密鑰， Bob 計算出的 MAC 值跟借條里收到的 MAC 值一致，這表明消息沒有被篡改，同時消息也不會是第三方偽造的，那么就沒有任何后顧之憂了嗎？
并不是這樣。問題在于共享密鑰是兩個人持有的，因此能算出正確 MAC 值的并不只是 Alice ， Bob 也能。如果 Alice 聲稱自己沒有發(fā)過這樣的借條，那作為第三方仲裁者來說，無法證明借條是 Alice 生成的還是 Bob 生成的。
我們需要尋求一種解決方案， Alice 使用的簽名是由只有她自己才知道的密鑰生成，同時別人還能順利解開。這樣別人無法偽造 Alice 的簽名，同時還能驗證這個簽名。
看上去是不是有點熟悉？沒錯，就是之前介紹過的非對稱加密。
Alice 使用自己的私鑰對消息進行簽名（加密），同時對外發(fā)布對應的公鑰。無論是 Bob 還是第三方仲裁者，都可以使用公鑰對簽名進行驗證（解密）。
這種方案稱為數(shù)字簽名。
5. 后話
到目前為止，看上去我們解決了之前提出的四個問題，但是通訊安全領域的問題還遠不止這些。比如怎么驗證公鑰的可靠性？比如怎么才能生成一個可靠的隨機數(shù)？再延伸下去我們會涉及到證書，認證機構和隨機數(shù)的分級等領域，這里就不再一一展開了。
最后，請大家記住一句話：只有完美的密碼，沒有完美的人。不管多精密的系統(tǒng)，在確保整體安全方面，人是一個特別巨大的弱點。很多時候，最脆弱的環(huán)節(jié)并不是各種算法，而是人類自己。
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