『壹』 公開密鑰基本原理
公開密鑰加密技術基本原理
現代加密技術中的加密演算法都是公開的，而密鑰是私有的。我們首先要對數據用加密演算法進行加密，讓接受方使用密鑰進行解密，這樣實現數據的安全傳輸。
加密和解密都會用到密鑰，如果沒有密鑰就無法對加密的文件進行解密，也就是說任何人只要持有了密鑰就可以解密，所以如果密鑰被攻擊者獲得加密就失去了意義。
共享密鑰加密方式 ：加密和解密用同一個密鑰的方式稱為 共享密鑰加密 (Common Key crypto system), 也被叫做 對稱密鑰加密 。
採用對稱密鑰加密的方式，必須將密鑰也發給對方，不然對方無法解密。可究竟怎樣才能安全的將密鑰轉交給對方呢？在互聯網上傳播時，如果通訊被監聽，密鑰落入攻擊者之手，那加密就失去了意義。另外還得要有個辦法安全的保存收的密鑰。
發送密鑰就有被竊聽的風險，但是不發送密鑰，改派頃對羨兆方又無法解密。如果密鑰能夠可靠傳遞，那數據為什麼不能可靠傳遞呢？
公開密鑰加密方式 ：公開密鑰加密使用了兩把 非對稱 的密鑰，一把叫做 私有密鑰 (private key) ，另一把叫做 公開密鑰 (public key).
在公開密鑰加密方法中，發送方使用接受方發布核陸的公開密鑰進行加密處理，然後發送給接受方，接受方收到加密信息後，再使用自己的私有密鑰進行解密。這種方式不需要發送用來解密的密鑰，也就不用擔心密鑰被攻擊者盜走的情況。
另外，要根據秘文和公開密鑰把信息回復到原文是異常困難的。目前技術而言，不太現實。
『貳』 簡述公開密鑰密碼機制的原理和特點
公開密鑰密碼體制是使用具有兩個密鑰的編碼解碼演算法，加密和解密的能力是分開的；
這兩個密鑰一個保密，另一個公圓橘開。根據應用的需要，發送孫腔激方可以使則襪用接收方的公開密鑰加密消息，或使用發送方的私有密鑰簽名消息，或兩個都使用，以完成某種類型的密碼編碼解碼功能。
『叄』 公鑰密碼體制的原理
自從1976年公鑰密來碼的思想提出自以來,國際上已經提出了許多種公鑰密碼體制。用抽象的觀點來看,公鑰密碼就是一種陷門單向函數。
我們說一個函數f是單向函數,即若對它的定義域中的任意x都易於計算f(x),而對f的值域中的幾乎所有的y,即使當f為已知時要計算f-l(y)在計算上也是不可行的。若當給定某些輔助信息(陷門信息)時則易於計算f-l(y),就稱單向函數f是一個陷門單向函數。公鑰密碼體制就是基於這一原理而設計的,將輔助信息(陷門信息)作為秘密密鑰。這類密碼的安全強度取決於它所依據的問題的計算復雜度。
目前比較流行的公鑰密碼體制主要有兩類:一類是基於大整數因子分解問題的,其中最典型的代表是RSA體制。另一類是基於離散對數問題的,如ElGamal公鑰密碼體制和影響比較大的橢圓曲線公鑰密碼體制。
公鑰密碼
一般要求：
1、加密解密演算法相同，但使用不同的密鑰
2、發送方擁有加密或解密密鑰，而接收方擁有另一個密鑰
安全性要求：
1、兩個密鑰之一必須保密
2、無解密密鑰，解密不可行
3、知道演算法和其中一個密鑰以及若干密文不能確定另一個密鑰
『肆』 圓錐曲線公鑰密碼演算法原理
圓錐曲線公鑰密碼演算法（ECC）是一種基於橢圓曲線理論的加密演算法，它與RSA演算法和DSA演算法一起滑畝被廣泛使用於數字簽名、加密、身份認證等安全領域。ECC演算法的優點在於具有較高的安全性和較小的密鑰長度，相比於RSA演算法和DSA演算法，ECC演算法需要更短的密鑰長度才能實現相應的安全級別，這使得它在實際應用中更加實用。
ECC演算法的基本原理是利用橢圓曲線上的點（生成器）的特殊性質，從而實現加密和解密的過程。ECC演算法中的密鑰對包括私鑰和公鑰，私鑰只有擁有者才知道，公鑰可以公開。任何人都可以使用公鑰對數據進行加密，但只有私鑰擁有者才能解密數據。
ECC演算法的具體加密過程如下：
1. 選取橢圓曲線上一個點作為生成器（通常是事先確定好的一個點），將該點設為基點。
2. 假設私鑰為k，從基點開始計算k倍點，得到公鑰，即k倍點。公鑰可以公開，即使攻擊者擁有公鑰，也難以推測出私鑰。
3. 將公鑰與明文進行運算，得到襲型密文。
4. 發送密文給接收者。
5. 接收者可以利用私鑰將密文解密，得到明文。
通過利用橢圓曲線上的點特殊的運算規律，ECC演算法能夠實現高效、安全的加密和解密，其運算速度比RSA演算法和DSA演算法信禪森更快。ECC演算法被廣泛應用於移動通信、物聯網、智能卡、數字認證等領域。
『伍』 Hello，密碼學：第三部分，公鑰密碼（非對稱密碼）演算法
在 《Hello，密碼學：第二部分，對稱密碼演算法》 中講述了對稱密碼的概念，以及DES和AES兩種經典的對稱密碼演算法原理。既然有對稱密碼的說法，自然也就有非對稱密碼，也叫做公鑰密碼演算法。 對稱密碼和非對稱密碼兩種演算法的本質區別在於，加密密鑰和解密密鑰是否相同 ：
公鑰密碼產生的初衷就是為了解決 密鑰配送 的問題。
Alice 給遠方的 Bob 寫了一封情意慢慢的信，並使用強悍的 AES-256 進行了加密，但她很快就意識到，光加密內容不行，必須要想一個安全的方法將加密密鑰告訴 Bob，如果將密鑰也通過網路發送，很可能被技術高手+偷窺癖的 Eve 竊聽到。
既要發送密鑰，又不能發送密鑰，這就是對稱密碼演算法下的「密鑰配送問題」 。
解決密鑰配送問題可能有這樣幾種方法：
這種方法比較高效，但有局限性：
與方法一不同，密鑰不再由通信個體來保存，而由密鑰分配中心（KDC）負責統一的管理和分配。 雙方需要加密通信時，由 KDC 生成一個用於本次通信的通信密鑰交由雙方，通信雙方只要與 KDC 事先共享密鑰即可 。這樣就大大減少密鑰的存儲和管理問題。
因此，KDC 涉及兩類密鑰：
領略下 KDC 的過程：
KDC 通過中心化的手段，確實能夠有效的解決方法一的密鑰管理和分配問題，安全性也還不錯。但也存在兩個顯著的問題：
使用公鑰密碼，加密密鑰和解密密鑰不同，只要擁有加密密鑰，所有人都能進行加密，但只有擁有解密密鑰的人才能進行解密。於是就出現了這個過程：
密鑰配送的問題天然被解決了。當然，解密密鑰丟失而導致信息泄密，這不屬於密鑰配送的問題。
下面，再詳細看下這個過程。
公鑰密碼流程的核心，可以用如下四句話來概述：
既然加密密鑰是公開的，因此也叫做 「公鑰（Public Key）」 。
既然解密密鑰是私有的，因此也叫做 「私鑰（Private Key） 。
公鑰和私鑰是一一對應的，稱為 「密鑰對」 ，他們好比相互糾纏的量子對， 彼此之間通過嚴密的數學計算關系進行關聯 ，不能分別單獨生成。
在公鑰密碼體系下，再看看 Alice 如何同 Bob 進行通信。
在公鑰密碼體系下，通信過程是由 Bob 開始啟動的：
過程看起來非常簡單，但為什麼即使公鑰被竊取也沒有關系？這就涉及了上文提到的嚴密的數學計算關系了。如果上一篇文章對稱密鑰的 DES 和 AES 演算法進行概述，下面一節也會對公鑰體系的數學原理進行簡要說明。
自從 Diffie 和 Hellman 在1976年提出公鑰密碼的設計思想後，1978年，Ron Rivest、Adi Shamir 和 Reonard Adleman 共同發表了一種公鑰密碼演算法，就是大名鼎鼎的 RSA，這也是當今公鑰密碼演算法事實上的標准。其實，公鑰密碼演算法還包括ElGamal、Rabin、橢圓曲線等多種演算法，這一節主要講述 RSA 演算法的基本數學原理。
一堆符號，解釋下，E 代表 Encryption，D 代表 Decryption，N 代表 Number。
從公式種能夠看出來，RSA的加解密數學公式非常簡單（即非常美妙）。 RSA 最復雜的並非加解密運算，而是如何生成密鑰對 ，這和對稱密鑰演算法是不太一樣的。 而所謂的嚴密的數學計算關系，就是指 E 和 D 不是隨便選擇的 。
密鑰對的生成，是 RSA 最核心的問題，RSA 的美妙與奧秘也藏在這裡面。
1. 求N
求 N 公式：N = p × q
其中， p 和 q 是兩個質數 ，而且應該是很大又不是極大的質數。如果太小的話，密碼就容易被破解；如果極大的話，計算時間就會很長。比如 512 比特的長度（155 位的十進制數字）就比較合適。
這樣的質數是如何找出來的呢？ 需要通過 「偽隨機數生成器（PRNG）」 進行生成，然後再判斷其是否為質數 。如果不是，就需要重新生成，重新判斷。
2. 求L
求 L 公式：L = lcm(p-1, q-1)
lcm 代表 「最小公倍數（least common multiple）」 。注意，L 在加解密時都不需要， 僅出現在生成密鑰對的過程中 。
3. 求E
E 要滿足兩個條件：
1）1 < E < L
2）gcd(E,L) = 1
gcd 代表 「最大公約數（greatest common divisor）」 。gcd(E,L) = 1 就代表 「E 和 L 的最大公約數為1，也就是說， E 和 L 互質 」。
L 在第二步已經計算出來，而為了找到滿足條件的 E， 第二次用到 「偽隨機數生成器（PRNG）」 ，在 1 和 L 之間生成 E 的候選，判斷其是否滿足 「gcd(E,L) = 1」 的條件。
經過前三步，已經能夠得到密鑰對種的 「公鑰：{E, N}」 了。
4. 求D
D 要滿足兩個條件：
1）1 < D < L
2）E × D mod L = 1
只要 D 滿足上面的兩個條件，使用 {E, N} 進行加密的報文，就能夠使用 {D, N} 進行解密。
至此，N、L、E、D 都已經計算出來，再整理一下
模擬實踐的過程包括兩部分，第一部分是生成密鑰對，第二部分是對數據進行加解密。為了方便計算，都使用了較小的數字。
第一部分：生成密鑰對
1. 求N
准備兩個質數，p = 5，q = 7，N = 5 × 7 = 35
2. 求L
L = lcm(p-1, q-1) = lcm (4, 6) = 12
3. 求E
gcd(E, L) = 1，即 E 和 L 互質，而且 1 < E < L，滿足條件的 E 有多個備選：5、7、11，選擇最小的 5 即可。於是，公鑰 = {E, N} = {5, 35}
4. 求D
E × D mod L = 1，即 5 × D mod 12 = 1，滿足條件的 D 也有多個備選：5、17、41，選擇 17 作為 D（如果選擇 5 恰好公私鑰一致了，這樣不太直觀），於是，私鑰 = {D, N} = {17, 35}
至此，我們得到了公私鑰對：
第二部分：模擬加解密
明文我們也使用一個比較小的數字 -- 4，利用 RSA 的加密公式：
密文 = 明文 ^ E mod N = 4 ^ 5 mod 35 = 9
明文 = 密文 ^ D mod N = 9 ^ 17 mod 35 = 4
從這個模擬的小例子能夠看出，即使我們用了很小的數字，計算的中間結果也是超級大。如果再加上偽隨機數生成器生成一個數字，判斷其是否為質數等，這個過程想想腦仁兒就疼。還好，現代晶元技術，讓計算機有了足夠的運算速度。然而，相對於普通的邏輯運算，這類數學運算仍然是相當緩慢的。這也是一些非對稱密碼卡/套件中，很關鍵的性能規格就是密鑰對的生成速度
公鑰密碼體系中，用公鑰加密，用私鑰解密，公鑰公開，私鑰隱藏。因此：
加密公式為：密文 = 明文 ^ E mod N
破譯的過程就是對該公式進行逆運算。由於除了對明文進行冪次運算外， 還加上了「模運算」 ，因此在數學上， 該逆運算就不再是簡單的對數問題，而是求離散對數問題，目前已經在數學領域達成共識，尚未發現求離散對數的高效演算法 。
暴力破解的本質就是逐個嘗試。當前主流的 RSA 演算法中，使用的 p 和 q 都是 1024 位以上，這樣 N 的長度就是 2048 位以上。而 E 和 D 的長度和 N 差不多，因此要找出 D，就需要進行 2048 位以上的暴力破解。即使上文那個簡單的例子，算出（ 蒙出 ） 「9 ^ D mod 35 = 4」 中的 D 也要好久吧。
因為 E 和 N 是已知的，而 D 和 E 在數學上又緊密相關（通過中間數 L），能否通過一種反向的演算法來求解 D 呢？
從這個地方能夠看出，p 和 q 是極為關鍵的，這兩個數字不泄密，幾乎無法通過公式反向計算出 D。也就是說， 對於 RSA 演算法，質數 p 和 q 絕不能被黑客獲取，否則等價於交出私鑰 。
既然不能靠搶，N = p × q，N是已知的，能不能通過 「質因數分解」 來推導 p 和 q 呢？或者說， 一旦找到一種高效的 「質因數分解」 演算法，就能夠破解 RSA 演算法了 。
幸運的是，這和上述的「離散對數求解」一樣，當下在數學上還沒有找到這種演算法，當然，也無法證明「質因數分解」是否真的是一個困難問題 。因此只能靠硬算，只是當前的算力無法在可現實的時間內完成。 這也是很多人都提到過的，「量子時代來臨，當前的加密體系就會崩潰」，從算力的角度看，或許如此吧 。
既不能搶，也不能算，能不能猜呢？也就是通過 「推測 p 和 q 進行破解」 。
p 和 q 是通過 PRNG（偽隨機數生成器）生成的，於是，又一個關鍵因素，就是採用的 偽隨機數生成器演算法要足夠隨機 。
隨機數對於密碼學極為重要，後面會專門寫一篇筆記 。
前三種攻擊方式，都是基於 「硬碰硬」 的思路，而 「中間人攻擊」 則換了一種迂迴的思路，不去嘗試破解密碼演算法，而是欺騙通信雙方，從而獲取明文。具體來說，就是： 主動攻擊者 Mallory 混入發送者和接收者之間，面對發送者偽裝成接收者，面對接收者偽裝成發送者。
這個過程可以重復多次。需要注意的是，中間人攻擊方式不僅能夠針對 RSA，還可以針對任何公鑰密碼。能夠看到，整個過程中，公鑰密碼並沒有被破譯，密碼體系也在正常運轉，但機密性卻出現了問題，即 Alice 和 Bob 之間失去了機密性，卻在 Alice 和 Mallory 以及 Mallory 和 Bob 之間保持了機密性。即使公鑰密碼強度再強大 N 倍也無濟於事。也就是說，僅僅依靠密碼演算法本身，無法防禦中間人攻擊 。
而能夠抵禦中間人攻擊的，就需要用到密碼工具箱的另一種武器 -- 認證 。在下面一篇筆記中，就將涉及這個話題。
好了，以上就是公鑰密碼的基本知識了。
公鑰密碼體系能夠完美的解決對稱密碼體系中 「密鑰配送」 這個關鍵問題，但是拋開 「中間人攻擊」 問題不談，公鑰密碼自己也有個嚴重的問題：
公鑰密碼處理速度遠遠低於對稱密碼。不僅體現在密鑰對的生成上，也體現在加解密運算處理上。
因此，在實際應用場景下，往往會將對稱密碼和公鑰密碼的優勢相結合，構建一個 「混合密碼體系」 。簡單來說： 首先用相對高效的對稱密碼對消息進行加密，保證消息的機密性；然後用公鑰密碼加密對稱密碼的密鑰，保證密鑰的機密性。
下面是混合密碼體系的加解密流程圖。整個體系分為左右兩個部分：左半部分加密會話密鑰的過程，右半部分是加密原始消息的過程。原始消息一般較長，使用對稱密碼演算法會比較高效；會話密鑰一般比較短（十幾個到幾十個位元組），即使公鑰密碼演算法運算效率較低，對會話密鑰的加解密處理也不會非常耗時。
著名的密碼軟體 PGP、SSL/TLS、視頻監控公共聯網安全建設規范（GB35114） 等應用，都運用了混合密碼系統。
好了，以上就是公鑰密碼演算法的全部內容了，拖更了很久，以後還要更加勤奮一些。
為了避免被傻啦吧唧的審核機器人處理，後面就不再附漂亮姑娘的照片（也是為了你們的健康），改成我的攝影作品，希望不要對收視率產生影響，雖然很多小伙兒就是沖著姑娘來的。
就從喀納斯之旅開始吧。