24丨固若金汤的根本(上):对称加密与非对称加密

在上一讲中,我们初步学习了 HTTPS,知道 HTTPS 的安全性是由 TLS 来保证的。

你一定很好奇,它是怎么为 HTTP 增加了机密性、完整性,身份认证和不可否认等特性的呢?

       先说说机密性。它是信息安全的基础,缺乏机密性 TLS 就会成为“无水之源”“无根之木”。

       实现机密性最常用的手段是“加密”(encrypt),就是把消息用某种方式转换成谁也看不懂的乱码,只有掌握特殊“钥匙”的人才能再转换出原始文本。

       这里的“钥匙”就叫做“密钥”(key),加密前的消息叫“明文”(plain text/clear text),加密后的乱码叫“密文”(cipher text),使用密钥还原明文的过程叫“解密”(decrypt),是加密的反操作,加密解密的操作过程就是“加密算法”。

       所有的加密算法都是公开的,任何人都可以去分析研究,而算法使用的“密钥”则必须保密。那么,这个关键的“密钥”又是什么呢?

       由于 HTTPS、TLS 都运行在计算机上,所以“密钥”就是一长串的数字,但约定俗成的度量单位是“位”(bit),而不是“字节”(byte)。比如,说密钥长度是 128,就是 16 字节的二进制串,密钥长度 1024,就是 128 字节的二进制串。

       按照密钥的使用方式,加密可以分为两大类:对称加密和非对称加密

对称加密

       “对称加密”很好理解,就是指加密和解密时使用的密钥都是同一个,是“对称”的。只要保证了密钥的安全,那整个通信过程就可以说具有了机密性。

       举个例子,你想要登录某网站,只要事先和它约定好使用一个对称密码,通信过程中传输的全是用密钥加密后的密文,只有你和网站才能解密。黑客即使能够窃听,看到的也只是乱码,因为没有密钥无法解出明文,所以就实现了机密性。

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       TLS 里有非常多的对称加密算法可供选择,比如 RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20 等,但前三种算法都被认为是不安全的,通常都禁止使用,目前常用的只有 AES 和 ChaCha20。

       AES 的意思是“高级加密标准”(Advanced Encryption Standard),密钥长度可以是 128、192 或 256。它是 DES 算法的替代者,安全强度很高,性能也很好,而且有的硬件还会做特殊优化,所以非常流行,是应用最广泛的对称加密算法。

       ChaCha20 是 Google 设计的另一种加密算法,密钥长度固定为 256 位,纯软件运行性能要超过 AES,曾经在移动客户端上比较流行,但 ARMv8 之后也加入了 AES 硬件优化,所以现在不再具有明显的优势,但仍然算得上是一个不错算法。

加密分组模式

       对称算法还有一个“分组模式”的概念,它可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文,把小秘密(即密钥)转化为大秘密(即密文)。

       最早有 ECB、CBC、CFB、OFB 等几种分组模式,但都陆续被发现有安全漏洞,所以现在基本都不怎么用了。最新的分组模式被称为 AEAD(Authenticated Encryption with Associated Data),在加密的同时增加了认证的功能,常用的是 GCM、CCM 和 Poly1305。

       把上面这些组合起来,就可以得到 TLS 密码套件中定义的对称加密算法。

比如,AES128-GCM,意思是密钥长度为 128 位的 AES 算法,使用的分组模式是 GCM;ChaCha20-Poly1305 的意思是 ChaCha20 算法,使用的分组模式是 Poly1305。

你可以用实验环境的 URI“/24-1”来测试 OpenSSL 里的 AES128-CBC,在 URI 后用参数“key”“plain”输入密钥和明文,服务器会在响应报文里输出加密解密的结果。

 

https://www.chrono.com/24-1?key=123456

 
 

algo  = aes_128_cbc

 

plain = hello openssl

 

enc   = 93a024a94083bc39fb2c2b9f5ce27c09

 

dec   = hello openssl

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非对称加密

       对称加密看上去好像完美地实现了机密性,但其中有一个很大的问题:如何把密钥安全地传递给对方,术语叫“密钥交换”。

       因为在对称加密算法中只要持有密钥就可以解密。如果你和网站约定的密钥在传递途中被黑客窃取,那他就可以在之后随意解密收发的数据,通信过程也就没有机密性可言了。

       这个问题该怎么解决呢?

       你或许会说:“把密钥再加密一下发过去就好了”,但传输“加密密钥的密钥”又成了新问题。这就像是“鸡生蛋、蛋生鸡”,可以无限递归下去。只用对称加密算法,是绝对无法解决密钥交换的问题的。

       所以,就出现了非对称加密(也叫公钥加密算法)。

       它有两个密钥,一个叫“公钥”(public key),一个叫“私钥”(private key)。两个密钥是不同的,“不对称”,公钥可以公开给任何人使用,而私钥必须严格保密。

       公钥和私钥有个特别的“单向”性,虽然都可以用来加密解密,但公钥加密后只能用私钥解密,反过来,私钥加密后也只能用公钥解密。

       非对称加密可以解决“密钥交换”的问题。网站秘密保管私钥,在网上任意分发公钥,你想要登录网站只要用公钥加密就行了,密文只能由私钥持有者才能解密。而黑客因为没有私钥,所以就无法破解密文。

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       非对称加密算法的设计要比对称算法难得多,在 TLS 里只有很少的几种,比如 DH、DSA、RSA、ECC 等。

       RSA 可能是其中最著名的一个,几乎可以说是非对称加密的代名词,它的安全性基于“整数分解”的数学难题,使用两个超大素数的乘积作为生成密钥的材料,想要从公钥推算出私钥是非常困难的。

       10 年前 RSA 密钥的推荐长度是 1024,但随着计算机运算能力的提高,现在 1024 已经不安全,普遍认为至少要 2048 位。

       ECC(Elliptic Curve Cryptography)是非对称加密里的“后起之秀”,它基于“椭圆曲线离散对数”的数学难题,使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥,子算法 ECDHE 用于密钥交换,ECDSA 用于数字签名。

       目前比较常用的两个曲线是 P-256(secp256r1,在 OpenSSL 称为 prime256v1)和 x25519。P-256 是 NIST(美国国家标准技术研究所)和 NSA(美国国家安全局)推荐使用的曲线,而 x25519 被认为是最安全、最快速的曲线。

       ECC 名字里的“椭圆”经常会引起误解,其实它的曲线并不是椭圆形,只是因为方程很类似计算椭圆周长的公式,实际的形状更像抛物线,比如下面的图就展示了两个简单的椭圆曲线。

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两个简单的椭圆曲线:y^2=x^3+7,y^2=x^3-x

       比起 RSA,ECC 在安全强度和性能上都有明显的优势。160 位的 ECC 相当于 1024 位的 RSA,而 224 位的 ECC 则相当于 2048 位的 RSA。因为密钥短,所以相应的计算量、消耗的内存和带宽也就少,加密解密的性能就上去了,对于现在的移动互联网非常有吸引力。

       实验环境的 URI“/24-2”演示了 RSA1024,你在课后可以动手试一下。

混合加密

       看到这里,你是不是认为可以抛弃对称加密,只用非对称加密来实现机密性呢?

很遗憾,虽然非对称加密没有“密钥交换”的问题,但因为它们都是基于复杂的数学难题,运算速度很慢,即使是 ECC 也要比 AES 差上好几个数量级。如果仅用非对称加密,虽然保证了安全,但通信速度有如乌龟、蜗牛,实用性就变成了零。

实验环境的 URI“/24-3”对比了 AES 和 RSA 这两种算法的性能,下面列出了一次测试的结果:

 

aes_128_cbc enc/dec 1000 times : 0.97ms, 13.11MB/s

 
 

rsa_1024 enc/dec 1000 times : 138.59ms, 93.80KB/s

 

rsa_1024/aes ratio = 143.17

 
 

rsa_2048 enc/dec 1000 times : 840.35ms, 15.47KB/s

 

rsa_2048/aes ratio = 868.13

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       可以看到,RSA 的运算速度是非常慢的,2048 位的加解密大约是 15KB/S(微秒或毫秒级),而 AES128 则是 13MB/S(纳秒级),差了几百倍。

       那么,是不是能够把对称加密和非对称加密结合起来呢,两者互相取长补短,即能高效地加密解密,又能安全地密钥交换。

       这就是现在 TLS 里使用的混合加密方式,其实说穿了也很简单:

       在通信刚开始的时候使用非对称算法,比如 RSA、ECDHE,首先解决密钥交换的问题。

       然后用随机数产生对称算法使用的“会话密钥”(session key),再用公钥加密。因为会话密钥很短,通常只有 16 字节或 32 字节,所以慢一点也无所谓。

       对方拿到密文后用私钥解密,取出会话密钥。这样,双方就实现了对称密钥的安全交换,后续就不再使用非对称加密,全都使用对称加密。

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       这样混合加密就解决了对称加密算法的密钥交换问题,而且安全和性能兼顾,完美地实现了机密性。

       不过这只是“万里长征的第一步”,后面还有完整性、身份认证、不可否认等特性没有实现,所以现在的通信还不是绝对安全,我们下次再说。

小结

加密算法的核心思想是“把一个小秘密(密钥)转化为一个大秘密(密文消息)”,守住了小秘密,也就守住了大秘密;

对称加密只使用一个密钥,运算速度快,密钥必须保密,无法做到安全的密钥交换,常用的有 AES 和 ChaCha20;

非对称加密使用两个密钥:公钥和私钥,公钥可以任意分发而私钥保密,解决了密钥交换问题但速度慢,常用的有 RSA 和 ECC;

把对称加密和非对称加密结合起来就得到了“又好又快”的混合加密,也就是 TLS 里使用的加密方式。

课下作业

加密算法中“密钥”的名字很形象,你能试着用现实中的锁和钥匙来比喻一下吗?

在混合加密中用到了公钥加密,因为只能由私钥解密。那么反过来,私钥加密后任何人都可以用公钥解密,这有什么用呢?