密碼學(xué)

古典密碼學(xué) : 起源于古代戰(zhàn)爭，為了防止書信被截獲后重要信息泄漏铸鹰，人們開始對書信進(jìn)行加密

• 移位式加密 : 如密碼棒癌别，是用布條纏繞在木棒上的方式來對書信進(jìn)行加密

  加密算法 : 纏繞木棒后書寫

  密鑰 : 木棒的尺寸

• 替換式加密 : 按規(guī)則使用不同的文字替換原先的文字來進(jìn)行加密

  碼表 :

  原始字符 : ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ

  加密字符 : BCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZA

  原始書信 : I love you

  加密書信 : J mpwf zpv

  解讀后 : I love you

  加密算法 : 替換文字

  密鑰 : 替換的碼表

現(xiàn)代密碼學(xué) :

不只可以用于文字加密，還可以加密任何二進(jìn)制數(shù)據(jù)

非對稱加密的出現(xiàn)使得密碼學(xué)有了更廣泛的用途 : 數(shù)字簽名

• 對稱加密 : 通信雙方使用同一個(gè)密鑰掉奄，使用加密算法配合密鑰來進(jìn)行加密规个，解密時(shí)使用加密過程的完全逆過程配合密鑰來進(jìn)行解密凤薛。

  
  
  對稱加密模型.png

  簡化模式即上面古典密碼學(xué)中替換式加密的模型 : 對文字進(jìn)行規(guī)則化替換來加密姓建，對密文進(jìn)行逆向的規(guī)則化替換來解密。

  • 經(jīng)典算法

    DES(56位密鑰缤苫，密鑰太短而逐漸被棄用)速兔、AES(128位、192位活玲、256位密鑰涣狗，現(xiàn)在最流行)

  • 對稱加密作用

    加密通信，防止信息在不安全網(wǎng)絡(luò)上被截獲后舒憾，信息被人讀取或篡改

  • 對稱加密(如AES)的破解

    破解思路

    • 拿到一組或多組原文-密文對
    • 設(shè)法找到一個(gè)密鑰镀钓，這個(gè)密鑰可以將這些原文-密文對中的原文加密為密文，以及將密文解密為原文的組合镀迂，即為成功破解

    反破解

    一種優(yōu)秀的對稱加密算法的標(biāo)準(zhǔn)是丁溅，讓破解者找不到比窮舉法(暴力破解法)更有效的破解手段，并且窮舉法的時(shí)間足夠長（例如幾千年）

  • 對稱加密的缺點(diǎn)

    密鑰泄漏 : 不能在不安全網(wǎng)絡(luò)上傳輸密鑰探遵，一旦密鑰泄漏則加密通信失敗

• 非對稱加密 : 使用公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密得到密文窟赏；使用私鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密得到原數(shù)據(jù)

  
  
  非對稱加密模型.png

  非對稱加密的使用的是復(fù)雜的數(shù)學(xué)技巧，在古典密碼學(xué)中沒有對應(yīng)的模型箱季。

  使用非對稱加密通信涯穷，可以在不可信網(wǎng)絡(luò)上將雙方的公鑰傳給對方，然后在發(fā)消息前分別對消息使用使用對方的公鑰進(jìn)行加密和使用自己的私鑰來簽名藏雏，做到不可靠網(wǎng)絡(luò)上的可靠密鑰傳播及加密通信拷况。

  
  
  非對稱加密通信.png

  由于私鑰和公鑰互相可解，因此非對稱加密還可以應(yīng)用于數(shù)字簽名技術(shù)掘殴。

  
  
  簽名與驗(yàn)證.png

  通常會(huì)對原數(shù)據(jù)hash以后對hash簽名蝠嘉，然后附加在原數(shù)據(jù)的后面作為簽名，這是為了讓數(shù)據(jù)更小杯巨。

  
  
  完整簽名與驗(yàn)證.png

• 經(jīng)典算法

  RSA(可用于加密和簽名)蚤告、DSA(僅用于簽名，但速度更快)

• 對稱加密作用

  加密通信服爷，防止信息在不安全網(wǎng)絡(luò)上被截獲后杜恰，信息被人讀取或篡改

• 非對稱加密(如RSA获诈、ECDSA)的破解

  破解思路

  • 和對稱加密的不同之處在于，非對稱加密的公鑰很容易獲得心褐，因此制造原文-密文對是沒有困難的事
  • 所以非對稱加密的關(guān)鍵只在于舔涎，如何找到一個(gè)正確的私鑰，可以解密所有經(jīng)過公鑰加密過的密文逗爹，找到這樣的私鑰即為成功破解
  • 由于非對稱加密的自身特性亡嫌，怎樣通過公鑰來推斷出私鑰通常是一種思路（如RSA），但往往最佳手段依然是窮舉法掘而，只是和對稱加密破解的區(qū)別在于挟冠，對稱加密破解是不斷嘗試自己的新密鑰是否可以將自己拿到的原文-密文對進(jìn)行加密和解密，而非對稱加密是不斷嘗試自己的新私鑰是否和公鑰互相可解袍睡。

  反破解

  和對稱加密一樣知染，非對稱加密算法優(yōu)秀的的標(biāo)準(zhǔn)同樣在于，讓破解者找不到比窮舉法更有效的破解手段斑胜，并且窮舉法的破解時(shí)間足夠長

• 對稱加密的優(yōu)缺點(diǎn)

  • 優(yōu)點(diǎn) : 可以在不安全網(wǎng)絡(luò)上傳輸密鑰
  • 缺點(diǎn) : 計(jì)算復(fù)雜控淡，因此性能相比對稱加密差很多

密碼學(xué)密鑰與登錄密碼

• 密鑰 (key)
  • 場景 : 用于加密和解密
  • 目的 : 保證數(shù)據(jù)被盜時(shí)不會(huì)被人讀懂內(nèi)容
  • 焦點(diǎn) : 數(shù)據(jù)
• 登錄密碼(password)
  • 用戶進(jìn)入網(wǎng)站或游戲前的身份驗(yàn)證
  • 目的 : 數(shù)據(jù)服務(wù)方或應(yīng)用服務(wù)方對賬戶擁有者數(shù)據(jù)的保護(hù)，保證【你是你】的時(shí)候才提供權(quán)限
  • 焦點(diǎn) : 身份

Base64

將二進(jìn)數(shù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成由64個(gè)字符組成的字符串的編碼算法

• 什么是二進(jìn)制數(shù)據(jù)

  • 廣義 : 所有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)都是二進(jìn)制數(shù)據(jù)
  • 狹義 : 非文本數(shù)據(jù)即二進(jìn)制數(shù)據(jù)

• 算法

  將原數(shù)據(jù)每6位對應(yīng)成base64索引表中的一個(gè)字符編排成一個(gè)字符串(每個(gè)字符8位)

• Base64索引表

  
  
  base64索引表.png

  編碼實(shí)例 : 把 [Man] 進(jìn)行base64編碼

  
  
  Man-base64編碼.png

  編碼實(shí)例 : base64的末尾補(bǔ)足

  
  
  base64的末尾補(bǔ)足.png

• Base64的用途

  • 將二進(jìn)制數(shù)據(jù)擴(kuò)充了儲(chǔ)存和傳輸途徑（例如可以把數(shù)據(jù)保存到文本文件止潘、可以通過聊天對話框或短信形式發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)掺炭、可以在URL中加入簡單的二進(jìn)制數(shù)據(jù)）
  • 普通的字符串在經(jīng)過base64的編碼后的結(jié)果會(huì)變得肉眼不可讀，因此可以適用于一定條件下的防偷窺（較少用）

• Base64的缺點(diǎn)

  因?yàn)樽陨淼脑恚?位變8位）凭戴，因此每次base64編碼之后涧狮，數(shù)據(jù)都會(huì)增大約1/3，所以會(huì)影響存儲(chǔ)和傳輸性能簇宽。

• Base64加密圖片傳輸是否更安全和高效

  并不是勋篓。首先，Base64并不是加密魏割；另外Base64會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)增大約1/3譬嚣，降低網(wǎng)絡(luò)性能，增大用戶流量開銷钞它，是畫蛇添足的手段

  Base64對圖片進(jìn)行編碼的用途在于拜银，有時(shí)需要使用文本形式來傳輸圖片。除此之外遭垛，完全沒必要使用Base64來對圖片進(jìn)行額外處理

• 變種Base58

  比特幣使用的編碼方式尼桶，去掉了Base64中的數(shù)字“0”，字母大寫“O”,字母大寫“I”和字母小寫“l(fā)”,以及“+”和“/”符合锯仪，用于比特幣地址的表示

  Base58對于Base64的改動(dòng)泵督，主要目的在于用戶的便攜性。由于去掉了難以區(qū)分的字符庶喜，使得Base58對于人工抄寫 更加方便小腊。另外救鲤，去掉了“+”和“/”號后也讓大多數(shù)的軟件可以方便雙擊選取

URL使用的百分號編碼

在URL的字符串中，對一些不用于特殊用途的保留字符秩冈，使用百分號“%”為前綴進(jìn)行單獨(dú)編碼本缠，以避免出現(xiàn)解析錯(cuò)誤。

例如入问，要在 http://hencoder.com/users 后面添加查詢字符串丹锹，查詢 name 為隱匿&偉大 的用戶，如果直接寫成 http://hencoder.com/user/?name=隱匿&偉大芬失，“&”符號就會(huì)被解析為分隔符號楣黍，因此需要對它進(jìn)行轉(zhuǎn)碼，轉(zhuǎn)碼后的 URL 為 http://hencoder.com/user/?name=隱匿%26偉大

這種編碼僅用于URL麸折，目的是避免解析錯(cuò)誤的出現(xiàn)

壓縮與解壓縮

• 含義

  • 壓縮 : 將數(shù)據(jù)使用更具有存儲(chǔ)優(yōu)勢的編碼算法進(jìn)行編碼
  • 壓縮 : 將壓縮數(shù)據(jù)解碼還原成原來的形式锡凝，以方便使用

• 目的 : 減小數(shù)據(jù)占用的存儲(chǔ)空間

• 粗暴算法舉例

  將下面文本內(nèi)容壓縮

  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
  aaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
  bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb
  

  使用某種算法壓縮后的數(shù)據(jù)為:

  compress:a:1062;b:105
  

  具體的壓縮場景有很多粘昨，因此壓縮算法也會(huì)復(fù)雜得多垢啼，上面只是一個(gè)原型算法

• 壓縮是編碼嗎

  是。所謂編碼即把數(shù)據(jù)從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式张肾。壓縮過程屬于編碼過程芭析，解壓縮過程屬于解碼過程

• 常見壓縮算法

  DEFLATE、JPEG吞瞪、MP3等

圖片與音頻馁启、視頻編解碼

• 含義

  將圖片、音頻芍秆、視頻數(shù)據(jù)通過編碼形式來轉(zhuǎn)換成存檔形式(編碼)惯疙，以及從存檔形式轉(zhuǎn)換回來(解碼)

• 目的 : 存儲(chǔ)和壓縮媒體數(shù)據(jù)(大多數(shù)媒體編碼算法會(huì)壓縮數(shù)據(jù)，但不是全部)

• 圖片壓縮粗暴算法舉例

  一張純白（白色的16進(jìn)制數(shù)值為0xffffff）64 * 64 的不透明像素圖片,原始數(shù)據(jù)格式大致為 :

  width:64;height:64;ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff
  fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff.......f
  fffff
  

  使用某種算法壓縮后的數(shù)據(jù)為:

  width:64;height:64;ffffff:[0,0]-[63,63]
  

  音頻與視頻的編碼與上面的圖片編碼同理

序列化

把數(shù)據(jù)對象(一般是內(nèi)存中的妖啥，如JVM中的對象)轉(zhuǎn)換成字節(jié)序列的過程霉颠。對象在程序內(nèi)存中的存放形式是散亂的(存放在不同的內(nèi)存區(qū)域，并且由引用來進(jìn)行連接)荆虱，通過序列化可以把內(nèi)存中的對象轉(zhuǎn)換成一個(gè)字節(jié)序列蒿偎，從而使用byte[]等形式進(jìn)行本地存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)傳輸怀读，在需要的時(shí)候重新組裝(反序列化)來使用

• 目的 : 讓內(nèi)存中的對象可以被儲(chǔ)存和傳輸
• 序列化是編碼嗎 : 不是
• 和編碼的區(qū)別 : 編碼是把數(shù)據(jù)由一種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成另一種數(shù)據(jù)格式诉位，而序列化是把數(shù)據(jù)由內(nèi)存中的對象(而不是某種具體的格式)轉(zhuǎn)換成字節(jié)序列

Hash

• 定義 : 把任意數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指定大小范圍(通常很小，例如256字節(jié)以內(nèi))的數(shù)據(jù)

• 作用 : 相當(dāng)于從數(shù)據(jù)中提出摘要信息菜枷，因此最主要用途是數(shù)字指紋

• Hash的實(shí)際用途

  • 唯一性驗(yàn)證苍糠，例如java中的hashCode()方法

    如何重寫hashCode()方法 : 把equal()方法中每個(gè)用于判斷相等的變量都放進(jìn)hashCode()中，一期生成一個(gè)盡量不會(huì)碰裝的整數(shù)即可

    為什么每次重寫equal()方法都需要啤誊，因?yàn)橐研碌呐袛鄺l件放進(jìn)hashCode()

  • 數(shù)據(jù)完整性驗(yàn)證

    從網(wǎng)絡(luò)上下載文件后岳瞭，通過比對文件的hash值(MD5歹袁、SHA1)，可以確認(rèn)下載的文件是否有損壞寝优。如果下載的文件hash值和文件提供方給出的hash值一直条舔，則證明下載的文件是完好無損的

  • 快速查找 : HashMap

  • 隱私保護(hù)

    當(dāng)重要數(shù)據(jù)必須暴露的時(shí)候，有時(shí)可以選擇暴露它的hash值(例如MD5)乏矾，以保證原數(shù)據(jù)的安全孟抗。例如網(wǎng)站登錄時(shí)可以只保存用戶密碼的hash值，每次登錄驗(yàn)證時(shí)只需要將輸入的密碼的hash值和數(shù)據(jù)庫中保存的hash值作對比就好钻心，網(wǎng)站無需知道用戶的密碼凄硼。這樣，當(dāng)網(wǎng)站數(shù)據(jù)失竊時(shí)捷沸，用戶不會(huì)因?yàn)樽约旱拿艽a被盜導(dǎo)致其它網(wǎng)站的安全也收到威脅摊沉。

    注意 : 這不屬于加密

• Hash是編碼嗎

  不是，Hash是單向操作痒给，往往是不可逆的说墨，無法進(jìn)行逆向恢復(fù)操作，所以Hash不屬于編碼

• Hash是加密嗎

  不是苍柏，Hash是單向操作尼斧，無法進(jìn)行逆向恢復(fù)操作，所以Hash不屬于加密(記住试吁，MD5不是加密)

字符集 : 一個(gè)由整數(shù)向現(xiàn)實(shí)世界中的文字符號的Map

分支 :

• ASCII : 128個(gè)字符棺棵，1字節(jié)
• ISO-8859-1 : 對ASCII 進(jìn)行擴(kuò)充，1字節(jié)
• Unicode : 13萬個(gè)字符熄捍，多字節(jié)
  • UTF-8 : Unicode的編碼分支
  • UTF-16 : Unicode的編碼分支
• GBK/GB2312/GB18030 : 中國自研標(biāo)準(zhǔn)烛恤，多字節(jié)，字符集 + 編碼