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【THM】Introduction to Cryptography(密码学简介)-学习

本文相关的TryHackMe实验房间链接：https://tryhackme.com/r/room/cryptographyintro

本文相关内容：了解 AES、Diffie-Hellman 密钥交换、哈希、PKI 和 TLS 等加密算法。

（大部分为机翻，若有错误请指出）

介绍

这个房间的目的是向各位介绍基本的密码学概念，例如：

• 对称加密，例如 AES
• 非对称加密，例如 RSA
• Diffie-Hellman 密钥交换
• hashing
• PKI（公开秘钥基础设施）

假设您要发送一条消息，除了预期的收件人之外，没有人能理解。你会怎么做？

最简单的密码之一是凯撒密码，在 2000 多年前使用。Caesar Cipher 将字母向左或向右移动固定位数。考虑向右移动 3 进行加密的情况，如下图所示。

收件人需要知道文本已向右移动了 3 才能恢复原始邮件。

使用相同的密钥加密“TRY HACK ME”，我们得到“WUB KDFN PH”。

我们上面描述的凯撒密码可以使用 1 到 25 之间的密钥。当密钥为 1 时，每个字母移动一个位置，其中 A 变为 B，Z 变为 A。当密钥为25 时，每个字母移动 25 个位置，其中 A 变为 Z，B 变为 A。密钥为 0 表示没有变化;此外，密钥为 26 也不会导致任何变化，因为它会导致一完全轮回。因此，我们得出结论，凯撒密码的密钥空间为 25;用户可以选择 25 种不同的密钥。

假设您截获了使用凯撒密码加密的信息是：“YMNX NX FQUMF GWFAT HTSYFHYNSL YFSLT MTYJQ RNPJ”。我们被要求在不知道密钥的情况下解密它。我们可以通过使用蛮力来尝试这一点，即，我们可以尝试所有可能的密钥，看看哪一个最有意义。在下图中，我们注意到密钥为 5 时最有意义，“THIS IS ALPHA BRAVO CONTACTING TANGO HOTEL MIKE“。

凯撒密码被认为是一种替换密码，因为字母表中的每个字母都被另一个字母替换。

另一种类型的密码称为变位密码，它通过改变字母的顺序来加密消息。让我们考虑下图中的一个简单的换位密码。我们从明文开始，“THIS IS ALPHA BRAVO CONTACTING TANGO HOTEL MIKE”，还得加上密钥。在我们通过将明文的字母按列排序竖向填写进格子后，我们根据密钥重新排列，然后按行横向读取。

换句话说，我们按列写入，按行读取。另外请注意，在此示例中，我们忽略了明文中的所有空格。生成的密文“NPCOTGHOTH...”按行读取。换句话说，换位密码只是重新排列字母的顺序，这与替换密码不同，替换密码在不改变字母顺序的情况下替换字母。42351

此关卡介绍了简单的替换和变位密码，并将它们应用于由字母字符组成的明文。

若要使加密算法被认为是安全的，应该做到让恢复原始消息（即明文）是不可行的。（用数学术语来说，我们需要一个难题，即一个不能在多项式时间内解决的问题（时间复杂度要高）。

我们可以在多项式时间内解决问题，即使对于很长的密文输入也是可行的，尽管计算机可能需要相当长的时间才能完成。

如果加密消息可以在一周内被破解，则使用的加密将被视为不安全。但是，如果加密信息可以在 100 万年内被破解，那么加密将被认为实际上是安全的。

考虑单字母替换密码，其中每个字母都映射到一个新字母。例如，在英语中，您将“a”映射到 26 个英文字母之一，然后将“b”映射到剩余的 25 个英文字母之一，然后将“c”映射到剩余的 24 个英文字母之一，依此类推。

例如，我们可以选择字母表“abcdefghijklmnopqrstuvwxyz”中的字母分别映射到“xpatvrzyjhecsdikbfwunqgmol”。换句话说，“a”变成“x”，“b”变成“p”，依此类推。收件人需要知道密钥“xpatvrzyjhecsdikbfwunqgmol”才能成功解密加密邮件。

此算法可能看起来非常安全，特别是因为尝试其他所有可能的密钥是不可行的。但是，可以使用不同的技术来使用这种加密算法破解密文。

这种算法的一个弱点是字母频率。在英语文本中，最常见的字母是“e”、“t”和“a”，因为它们的出现频率分别为 13%、9.1% 和 8.2%。此外，在英语文本中，最常见的首字母是“t”、“a”和“o”，因为它们分别出现在 16%、11.7% 和 7.6% 处。除此之外，大多数消息单词都是字典单词，您将能够立即使用字母替换密码破解加密文本。

我们真的不需要使用加密密钥来解密接收到的这条密文：“Uyv sxd gyi siqvw x sinduxjd pvzjdw po axffojdz xgxo wsxcc wuidvw.“如下图所示，使用quipqiup这样的网站，需要一点时间才能发现原文是“The man who moves a mountain begins by carrying away small stones”。此示例清楚地表现出这种算法已被破解，不能够应用于机密通信。

答题

您已收到以下加密消息：

“Xjnvw lc sluxjmw jsqm wjpmcqbg jg wqcxqmnvw;xjzjmmjd lc wjpm sluxjmw jsqm bqccqm zqy.”Zlwvzjxj Zpcvcol

你可以猜到这是一句名言。是谁说的？

WP

我们进入网站quipqiup - cryptoquip and cryptogram solver即可根据词频解密简单的替换密码

对称加密

让我们回顾一些术语：

• 加密算法或密码：此算法定义加密和解密过程。
• 密钥：加密算法需要密钥才能将明文转换为密文，反之亦然。
• 明文是我们要加密的原始消息
• 密文是经过加密后的消息

对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密。因此，通信双方需要在能够交换任何消息之前就密钥达成一致。

在下图中，发送方向加密过程提供了明文和获取密文的密钥。密文通常通过某种通信信道发送。

在另一端，接收方使用发送方使用的相同密钥提供解密过程，以便从接收到的密文中恢复原始明文。如果不知道密钥，接收方将无法恢复明文。

美国国家标准与技术研究院(NIST)于1977年发布了数据加密标准(DES)。DES是一种对称加密算法，使用56位大小的密钥。1997年，破解使用DES加密信息的挑战得到了解决。因此，证明使用暴力搜索找到密钥并破解使用DES加密的消息是可行的。1998年，DES密钥在56小时内被破解。这些情况表明DES不再被认为是安全的。

NIST于2001年发布了高级加密标准(AES)。与DES一样，它也是一种对称加密算法;然而，它使用128、192或256位大小的密钥，它仍然被认为是安全的，并且今天仍在使用。AES多次重复以下四种转换:

1. SubBytes(state) :此转换查找给定替换表(S-box)中的每个字节，并用相应的值替换它。是16字节，即128位，保存在一个4 × 4的数组中。 state
2. ShiftRows(state) :第二行移动一位，第三行移动两位，第四行移动三位。如下图所示。
3. MixColumns(state) :每列乘以一个固定的矩阵(4 × 4数组)。
4. AddRoundKey(state) :通过异或操作向状态中添加一个圆key。

转换轮次的总数取决于密钥的大小。

不要担心，如果你觉得这种加密算法非常神秘，那就对了！我们的目的不是学习AES如何工作的细节，也不是将其实现为一个编程库;目的是了解古代加密算法和现代加密算法在复杂性上的差异。如果您想深入了解细节，可以查看AES规范，包括其发布的标准FIPS PUB 197中的伪代码和示例。

（加密原理动画解释5分钟搞定AES算法）

除了AES之外，许多其他对称加密算法也被认为是安全的。下面是GPG (GnuPG) 2.37.7支持的对称加密算法列表，例如:

加密算法	笔记
AES, AES192, AES256	AES，密钥大小为128、192和256位
IDEA	国际数据加密算法(IDEA)
3DES	三倍的 DES(数据加密标准)，并且基于DES。我们应该注意到3DES将在2023年弃用，2024年不允许使用。
CAST5	也称为CAST-128。一些资料表明，CAST代表其作者的名字:卡莱尔·亚当斯和斯塔福德·塔瓦雷斯。
BLOWFISH	由Bruce Schneier设计
TWOFISH	由Bruce Schneier设计，源自BLOWFISH
CAMELLIA128, CAMELLIA192, CAMELLIA256	由三菱电机和日本NTT设计。它的名字来源于山茶花。

目前所提到的算法都是分组密码对称加密算法。分组密码算法将输入(明文)转换为块并对每个块进行加密。一个块通常是128位。在下面的图中，我们要加密明文“TANGO HOTEL MIKE”，共16个字符。第一步是用二进制表示它。如果我们使用ASCII，“T”十六进制格式是“0x54”，“A”十六进制格式是“0x41”，以此类推。每两个十六进制数字组成8位，代表一个字节。128位的块实际上是16个字节，用4 × 4数组表示。128位块作为一个单元馈入加密方法。

另一种对称加密算法是流密码，它一个字节一个字节地加密明文。考虑这样一个情况，我们想要加密消息“TANGO HOTEL MIKE”;每个字符都需要转换成二进制表示。如果我们使用ASCII，“T”十六进制格式是“0x54”，“A”十六进制格式是“0x41”，以此类推。加密方法每次只处理一个字节。如下图所示:

对称加密解决了本文讨论的许多安全问题。假设Alice和Bob见面，选择了一种加密算法，并就一个特定的密钥达成了一致。我们假设所选择的加密算法是安全的，并且密钥是安全的。让我们来看看我们可以实现什么:

• 机密性:如果Eve截获了加密信息，她将无法恢复明文。因此，Alice和Bob之间交换的所有消息都是机密的，只要它们是加密发送的。
• 完整性:当Bob接收到一条加密的消息并使用他与Alice商定的密钥成功解密时，Bob可以确保没有人可以通过通道篡改消息。当使用安全的现代加密算法时，对密文的任何微小修改都会阻止成功解密，或者导致解密出的明文出现乱码。
• 真实性:能够使用密钥解密密文也证明了消息的真实性，因为只有Alice和Bob知道密钥。

我们才刚刚开始，我们现在知道了如何维护机密性，检查完整性并确保交换消息的真实性。

更实际和有效的方法将在以后的任务中提出。现在的问题是，这种加密算法是否可以扩展。

对于Alice和Bob，我们需要一把钥匙。如果我们有Alice、Bob和Charlie，我们需要三把钥匙:一把给Alice和Bob，另一把给Alice和Charlie，第三把给Bob和Charlie。然而，钥匙的数量增长很快;100个用户之间的通信需要近5000个不同的密钥。(如果你对它背后的数学很好奇，那就是99+98+97…+1 = 4950)。

此外，如果一个系统遭到破坏，他们需要创建新的密钥，以便与其他99个用户一起使用。另一个问题是找到一个与所有其他用户交换密钥的安全通道。显然，这种情况很快就会失控。

在下一个任务中，我们将介绍非对称加密。使用非对称加密解决的一个问题是，100个用户只需要共享总共100个密钥就可以安全通信。(如前所述，对称加密将需要大约5000个密钥来保护100个用户的通信。)

有许多程序可用于对称加密。我们将重点关注两种，它们也广泛用于非对称加密:

• GNU隐私保护
• OpenSSL项目

GNU隐私保护

GNU Privacy Guard，也称为GnuPG或GPG，实现了OpenPGP标准。

我们可以使用GnuPG (GPG)加密文件，使用以下命令:

gpg --symmetric --cipher-algo CIPHER message.txt

其中CIPHER为加密算法名称。可以使用该命令查看支持的密码：

gpg --version

加密后的文件将保存为message.txt.gpg

默认输出是二进制OpenPGP格式;但是，如果您希望创建一个可以在任何文本编辑器中打开的ASCII加密输出，则应该添加该选项:--armor

例如: gpg --armor --symmetric --cipher-algo CIPHER message.txt

可以使用以下命令解密:

gpg --output original_message.txt --decrypt message.gpg

OpenSSL项目

OpenSSL项目负责维护OpenSSL软件。

我们可以使用以下命令使用OpenSSL加密文件:

openssl aes-256-cbc -e -in message.txt -out encrypted_message

我们可以使用以下命令解密输出文件:

openssl aes-256-cbc -d -in encrypted_message -out original_message.txt

为了提高加密的安全性和抗暴力攻击的弹性，我们可以添加使用基于密码的密钥派生函数2 (PBKDF2)-pbkdf2;此外，我们可以指定密码的迭代次数-iter NUMBER，以使用它派生加密密钥。要迭代10,000次，前面的命令将变成:

openssl aes-256-cbc -pbkdf2 -iter 10000 -e -in message.txt -out encrypted_message

因此，解密命令变成:

openssl aes-256-cbc -pbkdf2 -iter 10000 -d -in encrypted_message -out original_message.txt

在接下来的问题中，我们将使用攻击机进行 gpg和 openssl对称加密。

此任务所需的文件位于/root/Rooms/cryptographyintro/task02

此任务附带的zip文件是任务2、3、4、5和6中的问题文件。

答题

1.使用 gpg 用密钥 s!kR3T55 解密文件 quote01 加密(使用AES256)。文件中的第三个单词是什么?

2.使用 openssl 对用密钥 s!kR3T55 加密(使用AES256-CBC)的文件 quote02 进行解密。文件中的第三个单词是什么?

3.使用 gpg 解密用密钥 s!kR3T55 加密(使用CAMELLIA256)的文件 quote03 。文件中的第三个单词是什么?

WP

1.使用命令：

gpg --output original_message.txt --decrypt quote01.txt.gpg

并且输入秘钥：”s!kR3T55“成功获取明文

2.使用命令：

openssl aes-256-cbc -d -in quote02 -out original_message.txt

并且输入秘钥：”s!kR3T55“成功获取明文

3.使用命令：

gpg --output original_message.txt --decrypt quote03.txt.gpg

并且输入秘钥：”s!kR3T55“成功获取明文

非对称加密

对称加密要求用户找到一个安全的通道来交换密钥。通过安全通道，我们主要关注保密性和完整性。换句话说，我们需要一个没有第三方可以窃听和读取流量的通道;此外，没有人可以更改发送的消息和数据。

非对称加密使得在没有安全通道的情况下交换加密消息成为可能;我们只需要一个可靠的渠道。通过可靠的渠道，我们主要关心的是渠道的完整性，而不是保密性。

当使用非对称加密算法时，我们将生成一个密钥对:一个公钥和一个私钥。公钥与全世界共享，或者更具体地说，与想要与我们安全通信的人共享。私钥必须安全地保存，我们绝不能让任何人访问它。此外，即使知道公钥，也无法获得私钥。

这个密钥对是如何工作的?

如果消息是用一个密钥加密的，则可以用另一个密钥解密。换句话说:

• 如果Alice使用Bob的公钥加密消息，则只能使用Bob的私钥解密消息。
• 相反，如果Bob使用他的私钥加密消息，则只能使用Bob的公钥解密消息。

保密

我们可以使用非对称加密，通过使用接收方的公钥加密消息来实现机密性。从下面两张图中我们可以看到:

Alice想要确保她与Bob的通信是保密的。她使用Bob的公钥加密消息，Bob使用他的私钥解密消息。例如，Bob的公钥预计将发布在公共数据库或他的网站上。

当Bob想要回复Alice时，他使用Alice的公钥加密他的消息，而Alice可以使用她的私钥解密。

换句话说，在确保消息的机密性的同时，与Alice和Bob通信变得很容易。唯一的要求是，各方都有自己的公钥可供发送方使用。

注意:在实践中，对称加密算法允许比非对称加密更快的操作;因此，我们将在后面介绍如何使用这两种方法的优点。

完整性、真实性和不可否认性

除了机密性之外，非对称加密还可以解决完整性、真实性和不可否认性问题。假设Bob想要发表一个声明，并且希望每个人都能够确认这个声明确实来自他。Bob需要使用他的私钥加密消息;接收方可以使用Bob的公钥解密它。如果使用Bob的公钥成功解密消息，则意味着使用Bob的私钥对消息进行了加密。(实际上，他会对原始消息的哈希值进行加密。稍后我们将对此进行详细说明。)

使用Bob的公钥成功解密可以得出一些有趣的结论。

• 首先，信息没有被改变(通信渠道);这证明了消息的完整性。
• 其次，知道没有人可以访问Bob的私钥，我们可以确定这条消息确实来自Bob;这证明了消息的真实性。
• 最后，因为除了Bob以外没有人可以访问Bob的私钥，Bob不能否认发送了这条消息;这建立了不可否认性。

我们已经看到了非对称加密如何帮助建立机密性、完整性、真实性和不可否认性。在实际场景中，非对称加密在加密大型文件和大量数据时可能相对较慢。在另一项任务中，我们将看到如何将非对称加密与对称加密结合使用，以相对更快地实现这些安全目标。

RSA

RSA得名于它的发明者Rivest、Shamir和Adleman。它的工作原理如下:

1.选择两个质数p 和q ，算出他们的乘积n = p × q ，算出对应的欧拉函数φ ( n )（利用性质φ ( n ) = φ ( p ) × φ ( q ) = ( p − 1 ) ( q − 1 )）。
2.选择一个e ，使得e < φ ( n )并且e 与φ ( n ) 互质。
3.算出e 的一个相对于φ ( n )的模反元素d 。
4.( e , n ) 为公钥，( d , n ) 为私钥，信息（明文）m 长度小于n 。
5.加密：c=m^e(mod n)
6.解密：m=c^d~(mod n)

如果上面的数学方程看起来太复杂，不要担心;你不需要数学就能使用RSA，因为它很容易通过程序和编程库获得。

RSA安全性依赖于质数分解，这是一个难题。p乘以q很容易;然而，在给定n的情况下找到p和q是非常耗时的。此外，为了保证安全性，p和q应该是相当大的数字，例如，每个都是1024位(这是一个超过300位的数字)。值得注意的是，RSA依赖于安全的随机数生成，与其他非对称加密算法一样。如果对手可以猜出p和q，那么整个系统将被认为是不安全的。

让我们考虑下面的实际示例。

1. Bob选择了两个素数:p = 157和q = 199。他计算出N = 31243。

2. 然后ϕN (N) =30888,鲍勃选择e = 163于是d = 379

   是因为e×d = 163×379 = 61777并且61777 mod 30888 = 1。公钥为(31243,163)，私钥为(31243,379)。

3. 假设要加密的值是x = 13，那么Alice会计算并发送y = x^e mod N = 13^163 mod 31243 = 16342。

4. Bob将通过计算x = y ^d mod N = 16341^379 mod 31243 = 13来解密接收到的值。

前面的例子是为了更好地理解它背后的数学原理。要查看p和q的实值，让我们使用 openssl 之类的工具创建一个实对。

user@TryHackMe$ openssl genrsa -out private-key.pem 2048

user@TryHackMe$ openssl rsa -in private-key.pem -pubout -out public-key.pem
writing RSA key

user@TryHackMe$ cat public-key.pem
-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAymcAeYg1ohPQLHu7u9l1
UutN8bCP7r6czRX2zrQrpElYrm5mHERi1xweWEhTJ/0Q13FJcHLGtLbdQc0rGpOd
DnYJBuzrqXU2hC7E7dlqLsj63NPADqlOGYCGCWnm/HGM2WuVtDXqRitN4zeNKEWI
QmEctfucopZx5AVJ1vTn+qMv/0D6QU7Mm65MTSYg1SCRA0D0N9NLMj4rYlLOIr5q
5g3iunAE4tCROMcHf7fxWMuWdJTdtxTv7+4P5XGkWrWriO22JFHp9N22Fm96V9jH
7aASRkIZvQFmx+1dl7btZDhsm2ezU07LBabv9efj0gIwz6P3mTJVm+wxaDH6jiXB
dwIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----

user@TryHackMe$ openssl rsa -in private-key.pem -text -noout
Private-Key: (2048 bit, 2 primes)
modulus:
    00:ca:67:00:79:88:35:a2:13:d0:2c:7b:bb:bb:d9:
    75:52:eb:4d:f1:b0:8f:ee:be:9c:cd:15:f6:ce:b4:
    2b:a4:49:58:ae:6e:66:1c:44:62:d7:1c:1e:58:48:
    53:27:fd:10:d7:71:49:70:72:c6:b4:b6:dd:41:cd:
    2b:1a:93:9d:0e:76:09:06:ec:eb:a9:75:36:84:2e:
    c4:ed:d9:6a:2e:c8:fa:dc:d3:c0:0e:a9:4e:19:80:
    86:09:69:e6:fc:71:8c:d9:6b:95:b4:35:ea:46:2b:
    4d:e3:37:8d:28:45:88:42:61:1c:b5:fb:9c:a2:96:
    71:e4:05:49:d6:f4:e7:fa:a3:2f:ff:40:fa:41:4e:
    cc:9b:ae:4c:4d:26:20:d5:20:91:03:40:f4:37:d3:
    4b:32:3e:2b:62:52:ce:22:be:6a:e6:0d:e2:ba:70:
    04:e2:d0:91:38:c7:07:7f:b7:f1:58:cb:96:74:94:
    dd:b7:14:ef:ef:ee:0f:e5:71:a4:5a:b5:ab:88:ed:
    b6:24:51:e9:f4:dd:b6:16:6f:7a:57:d8:c7:ed:a0:
    12:46:42:19:bd:01:66:c7:ed:5d:97:b6:ed:64:38:
    6c:9b:67:b3:53:4e:cb:05:a6:ef:f5:e7:e3:d2:02:
    30:cf:a3:f7:99:32:55:9b:ec:31:68:31:fa:8e:25:
    c1:77
publicExponent: 65537 (0x10001)
privateExponent:
    10:fe:00:be:33:3f:3d:72:28:61:f3:a9:59:25:f2:
    81:99:9b:9b:94:d5:20:98:04:15:fb:a8:12:c6:71:
    7b:83:64:dc:90:0c:26:87:5f:3c:eb:f1:68:3b:fa:
    2f:3b:41:b4:b4:a0:13:be:af:0b:f0:e6:36:66:01:
    1e:64:12:25:6a:a7:6b:5b:6c:95:77:6f:b2:3d:32:
    ef:3c:f7:7b:22:08:5d:8d:b1:6c:09:ae:b2:d9:65:
    67:58:ea:b9:7a:d6:f6:51:df:e9:97:35:29:da:ec:
    d9:0c:8a:df:3c:a7:29:db:79:4b:95:ea:1a:84:42:
    df:7f:ca:29:2f:ba:62:02:37:05:c0:b0:c2:ff:42:
    6b:fb:e1:36:40:10:ae:11:0f:d8:87:2f:fe:10:2e:
    a4:60:de:ff:fe:c8:ab:0b:29:fa:6c:20:ec:87:33:
    46:c0:cd:96:36:cb:9b:ca:81:17:e5:c3:eb:34:b2:
    83:0f:52:cc:e9:68:bd:cb:d2:85:2f:fe:c4:47:76:
    df:94:69:ce:7b:8a:50:71:36:96:e6:35:fb:fb:b4:
    4a:ac:63:9b:9d:1b:bb:32:71:31:45:a2:25:33:cc:
    f7:a5:fb:9f:66:b1:4e:30:ce:9d:71:e8:fa:7d:5f:
    33:a0:c1:94:0a:b7:b7:f3:16:7e:4f:ad:89:3d:ba:
    51
prime1:
    00:e0:3d:87:b3:d3:1f:d2:c6:66:23:83:a5:95:d5:
    20:35:f8:d8:c0:94:cf:cc:d2:04:d4:e4:ef:cf:c2:
    94:00:10:cd:d1:4a:df:09:4e:7e:95:f8:70:08:b1:
    20:98:8a:e3:88:f7:cc:a8:32:62:32:68:f6:1f:c0:
    fb:c1:71:41:8c:21:a3:ff:20:e6:96:d0:6e:4b:66:
    61:08:d0:b7:26:48:27:62:a7:d3:ff:36:55:c8:e1:
    ab:91:48:90:fb:b5:b1:92:be:90:06:a8:40:1b:2a:
    2d:53:1e:87:fc:a7:8a:57:72:0b:e5:35:71:7b:dd:
    8c:e5:b5:ab:64:7c:37:c5:0d
prime2:
    00:e7:11:ac:50:f5:dc:16:cf:20:46:77:5d:ca:16:
    29:36:35:89:95:c0:f8:4b:42:ef:03:a0:f1:ce:2e:
    1b:da:55:a9:ff:5a:28:4d:78:c5:8a:e2:55:9b:94:
    b4:56:ec:ab:1b:dd:b8:07:be:dd:d5:0f:49:90:b3:
    ed:a2:d7:78:38:24:d5:9e:7d:a2:e8:8c:e0:2a:33:
    32:21:1f:0e:6b:aa:0b:b4:11:6a:bd:8f:d9:86:3f:
    ad:42:c8:bc:42:23:21:39:8d:0c:60:f2:ca:2a:00:
    0a:8e:de:fb:1a:3c:51:9d:f2:dc:0a:59:80:d6:a4:
    47:5c:02:a3:d0:30:1d:47:93
[...]

我们执行了三个命令:

• openssl genrsa -out private-key.pem 2048 :对于 openssl ，我们使用 genrsa 来生成RSA私钥。使用 -out ，我们指定生成的私钥保存为 private-key.pem 。我们添加了 2048 来指定2048位的密钥大小。
• openssl rsa -in private-key.pem -pubout -out public-key.pem :使用 openssl ，我们指定我们使用RSA算法与 rsa 选项。我们指定要使用 -pubout 获取公钥。最后，我们使用 -in private-key.pem 设置私钥作为输入，并使用 -out public-key.pem 保存输出。
• openssl rsa -in private-key.pem -text -noout :我们很想看到真正的RSA变量，所以我们使用 -text -noout 。p, q, N, e,和d的值分别是 prime1 , prime2 , modulus , publicExponent 和 privateExponent 。

如果我们已经有了接收方的公钥，我们可以使用命令 openssl pkeyutl -encrypt -in plaintext.txt -out ciphertext -inkey public-key.pem -pubin对其进行加密

接收方可以使用命令 openssl pkeyutl -decrypt -in ciphertext -inkey private-key.pem -out decrypted.txt解密它。

答题

1.Bob收到了Alice发给他的文件 ciphertext_message 。你可以在同一个文件夹里找到你需要的密钥。原始明文的第一个字是什么?

2.看一下Bob的RSA私钥。p的最后一个字节是什么?

WP

1.Alice发给Bob的文件应该是用Bob的公钥加密的，Bob要解密应该使用Bob的私钥，使用以下命令：

openssl pkeyutl -decrypt -in ciphertext_message -inkey private-key-bob.pem -out decrypted.txt

2、3.使用以下命令查看p、q、n、e、d的变量：

openssl rsa -in private-key-bob.pem -text -noout

Diffie-Hellman 密钥交换技术

Alice和Bob可以通过不安全的信道进行通信。所谓不安全，我们指的是存在窃听者，他们可以读取在这个通道上交换的消息。在这种情况下，Alice和Bob怎么能就一个密钥达成一致呢?一种方法是使用Diffie-Hellman密钥交换。

Diffie-Hellman是一种非对称加密算法。它允许在公共通道上交换秘密。

1. Alice和Bob都统一q和g的值。为了使这个式子成立，q应该是一个质数，g是一个满足一定条件的小于q的数。(在模算法中，g是一个生成器。)在这个例子中，我们取q = 29, g = 3。
2. Alice随机选择一个小于q的数a，计算出A = (g^a ) mod q，其中a必须保密;但是A被发送给Bob。假设Alice选择数字a = 13并计算出A = 3^13 %29 = 19并将其发送给Bob。
3. Bob随机选择一个小于q的数字b，计算出B = (g^b ) mod q, Bob必须对b保密;但是他把B送给了Alice。让我们考虑Bob选择数字b = 15并计算B= 3^15 %29 = 26的情况。他继续把它寄给Alice。
4. Alice接收到B，计算key = B^a mod q。数值示例key = 26^13 mod 29 = 10。
5. Bob接收到A，计算出key = A^b mod q。数值示例key = 19^15 mod 29 = 10。

我们可以看到Alice和Bob得到了同一个秘密密钥。

尽管窃听者已经知道了q、g、A和B的值，但他们无法计算出Alice和Bob交换的密钥。以上步骤总结如下图所示。

虽然我们选择的数字可以很容易地找到a和b，即使不使用计算机，现实世界的例子也会选择长度为256位的q。用十进制表示，就是115右边加75个零(我也不知道怎么读，但有人告诉我它的读法是115 qutuorvigintillion)。如此大的q将使得即使知道q、g、a和b，也无法找到a或b。

让我们看一下实际的Diffie-Hellman参数。我们可以使用 openssl 来生成它们;我们需要指定选项 dhparam 来表示我们想要生成Diffie-Hellman参数以及指定的比特大小，例如 2048 或 4096 。

在下面的控制台输出中，我们可以使用命令 openssl dhparam -in dhparams.pem -text -noout 查看素数 P 和生成器 G 。(这与我们对RSA私钥所做的类似。)

user@TryHackMe$ openssl dhparam -out dhparams.pem 2048
Generating DH parameters, 2048 bit long safe prime
[...]
$ openssl dhparam -in dhparams.pem -text -noout
    DH Parameters: (2048 bit)
    P:   
        00:82:3b:9d:b5:29:31:f8:12:fe:21:e1:90:30:37:
        ac:d2:48:41:f7:d7:55:e5:d2:5d:dd:87:67:9e:bd:
        b3:97:df:05:a9:d2:d9:56:4f:66:b5:d9:d8:65:06:
        58:c3:8f:b3:0e:30:d2:9a:0b:c3:0a:56:8d:fc:0f:
        f2:e2:9e:4f:16:16:93:4e:b9:a4:c3:9c:09:2d:48:
        a2:ec:b6:97:92:63:a3:b4:75:36:3f:51:77:ca:ac:
        44:6d:99:eb:4d:4a:97:d5:4b:52:c8:07:f8:16:30:
        37:d3:b2:47:30:e6:4e:bc:6a:53:d1:9b:6a:4d:91:
        7a:4b:4f:af:3b:f0:ce:b9:ed:91:4d:8b:52:5a:3f:
        bb:6b:06:ae:32:95:7d:53:da:9b:ce:b0:ec:7d:81:
        25:05:d8:ce:ca:76:e7:d1:5a:31:13:d2:9f:62:b4:
        d5:ad:7d:cd:c9:ab:3d:28:e3:92:27:9f:f3:66:a0:
        be:61:49:cc:47:21:d8:e0:2c:e8:c6:35:4b:2f:ba:
        35:36:8f:bb:41:c6:89:b2:60:3c:62:bb:fe:bf:59:
        d3:7f:05:69:55:dc:61:1b:b4:bb:68:fa:65:1e:2e:
        46:2f:2d:21:62:d1:9f:a0:2b:aa:81:df:3a:f9:7d:
        0b:9d:0e:47:68:01:4f:6e:81:cc:4c:2a:91:fc:8c:
        f4:6f
    G:    2 (0x2)

Diffie-Hellman密钥交换算法允许双方在一个不安全的通道上就一个秘密达成一致。然而，所讨论的密钥交换很容易受到中间人(MitM)攻击;攻击者可能会回复假装成Bob的Alice，并回复假装成Alice的Bob。我们将在任务6中讨论这个问题的解决方案。

答题

1.在 dhparam.pem 文件中可以找到一组Diffie-Hellman参数。质数的位数是多少?

WP

1、2.使用以下命令即可查看dhparam.pem文件内容：

openssl dhparam -in dhparams.pem -text -noout

哈希

加密散列函数是一种算法，它将任意大小的数据作为输入，并返回固定大小的值(称为消息摘要或校验和)作为输出。

例如， sha256sum 计算SHA256(安全哈希算法256)消息摘要。SHA256，顾名思义，返回大小为256位(32字节)的校验和。该校验和通常使用十六进制数字书写。知道一个十六进制数字代表4位，256位校验和可以表示为64位十六进制数字。

在下面的终端输出中，我们计算了三个大小不同的文件的SHA256哈希值:4字节、275 MB和5.2 GB。使用 sha256sum 计算三个文件中每个文件的消息摘要，我们得到三个完全不同的值，它们看起来是随机的。值得强调的是，无论文件大小，结果消息摘要或校验和的长度都是相同的。特别是，4字节文件 abc.txt 和5.2 GB文件产生的消息摘要长度相等，与文件大小无关。

user@TryHackMe$ ls -lh
total 5.5G
-rw-r--r--. 1 strategos strategos    4  7月 21 12:46 abc.txt
-rw-r--r--. 1 strategos strategos 275M  2月 12 19:08 debian-hurd.img.tar.xz
-rw-r--r--. 1 strategos strategos 5.2G  4月 26 16:55 Win11_English_x64v1.iso
$ sha256sum *
c38bb113c89d8fec6475a9936411007c45563ecb7ce8acd5db7fb58c0872bda0  abc.txt
0317ff0150e0d64b70284b28c97bb788310585ea7ac46cc8139d5a3c850dea55  debian-hurd.img.tar.xz
4bc6c7e7c61af4b5d1b086c5d279947357cff45c2f82021bb58628c2503eb64e  Win11_English_x64v1.iso

但是我们为什么需要这样一个函数呢?有很多用途，特别是:

• 存储密码:不是以明文形式存储密码，而是存储密码的散列。因此，如果发生数据泄露，攻击者将获得密码哈希列表，而不是原始密码。(在实践中，密码也被“加盐”，稍后的任务将对此进行讨论。)
• 检测修改:对原始文件的任何微小修改都会导致哈希值的剧烈变化，即校验和。

在下面的终端输出中，我们有两个文件， text1.txt 和 text2.txt ，它们几乎是相同的，除了(字面上)一个比特不同;字母 T 和 t 在其ASCII表示中只差一位。尽管我们只翻转了一个位，但很明显，SHA256的校验和是完全不同的。因此，如果我们使用安全哈希函数算法，我们可以很容易地确认是否发生了任何修改。这可以帮助防止故意篡改和文件传输错误。

user@TryHackMe$ hexdump text1.txt -C
00000000  54 72 79 48 61 63 6b 4d  65 0a                    |TryHackMe.|
0000000a
$ hexdump text2.txt -C
00000000  74 72 79 48 61 63 6b 4d  65 0a                    |tryHackMe.|
0000000a
$ sha256sum text1.txt
f4616fd825a10ded9af58fbaee09f3e31751d15591f9323ea68b03a0e8ac3783  text1.txt
$ sha256sum text2.txt
9ffa3533ee33998aeb1df76026f8031c8af6ccabd8393eca002d5b7471a0b536  text2.txt

一些正在使用的散列算法仍然被认为是安全的:

• Sha224, sha256, sha384, sha512
• 成熟的MD160

一些较旧的散列函数，如MD5 (Message Digest 5)和SHA-1，在加密上是已被破解的。通过破解，我们的意思是有可能生成与给定文件具有相同校验和的不同文件。这意味着我们可以创建一个哈希冲突。换句话说，攻击者可以使用给定的校验和创建新消息，并且不可能检测到文件或消息篡改。

HMAC

基于三列的信息验证码(HMAC)是一种信息验证码(MAC)，它除了使用哈希函数外还使用加密密钥。

根据RFC2104, HMAC需要:

• 密钥
• Inner pad(ipad)一个常量字符串。(RFC2104使用字节 0x36 重复B次。B的值取决于所选择的哈希函数。)
• Outer pad(opad)是一个常量字符串。(RFC2104使用字节 0x5C 重复B次。)

计算HMAC的步骤如下图所示:

1.对key追加0，使其长度为B，即使其长度与ipad的长度相同。

2.使用以⊕表示的位异或(XOR)，用⊕表示，计算key⊕ipad。

3.将消息添加到步骤2的XOR输出。

4.将哈希函数应用于生成的字节流(在步骤3中)。

5.使用异或，计算key⊕opad。

6.将第4步的哈希函数输出附加到第5步的异或输出。

7.将哈希函数应用于生成的字节流(在步骤6中)以获得HMAC。

上图所示的步骤用以下公式表示:H(K⊕opad,H(K⊕ipad,text))

要在Linux系统上计算HMAC，您可以使用任何可用的工具，例如 hmac256 (或 sha224hmac 、 sha256hmac 、 sha384hmac 和 sha512hmac ，其中密钥添加在选项 --key 之后)。下面我们展示了一个使用 hmac256 和 sha256hmac 两个不同的key计算HMAC的例子。

user@TryHackMe$ hmac256 s!Kr37 message.txt
3ec65b7e80c5bf2e623e52e0528f1c6a74f605b10616621ba1c22a89fb244e65  message.txt

user@TryHackMe$ hmac256 1234 message.txt
4b6a2783631180fca6128592e3d17fb5bff6b0e563ad8f1c6afc1050869e440f  message.txt

user@TryHackMe$ sha256hmac message.txt --key s!Kr37
3ec65b7e80c5bf2e623e52e0528f1c6a74f605b10616621ba1c22a89fb244e65  message.txt

user@TryHackMe$ sha256hmac message.txt --key 1234
4b6a2783631180fca6128592e3d17fb5bff6b0e563ad8f1c6afc1050869e440f  message.txt

问题

1.order.json 文件的SHA256校验和是多少?

2.打开 order.json 文件，将 1000 改为 9000 。新的SHA256校验和是什么?

3.使用SHA256和密钥 3RfDFz82 ， order.txt 的HMAC是什么?

WP

1.使用以下命令查看order.json文件的SHA256校验和：

sha256sum order.json

2.使用vim更改后查看即可

3.使用以下命令计算密钥为3RfDFz82时order.txt文件的HMAC值：

sha256hmac order.txt --key 3RfDFz82

没找到相关命令，那就换一个：

hmac256 3RfDFz82 order.txt

PKI和SSL/TLS

使用密钥交换，如Diffie-Hellman密钥交换，可以在窃听者的眼皮底下协商出一个密钥。此密钥可与对称加密算法一起使用，以确保机密通信。然而，我们前面描述的密钥交换不能免疫中间人(man -the- middle, MITM)攻击。原因是，在交换密钥时，Alice无法确保自己在与Bob通信，而Bob也无法确保自己在与Alice通信。

考虑下面的图。这是Diffie-Hellman密钥交换任务中解释的一种针对密钥交换的攻击。具体步骤如下:

1. Alice和Bob对q和g达成了一致。任何监听通信信道的人都可以读取这两个值，包括攻击者Mallory。
2. 像往常一样，Alice选择一个随机变量a，计算出A (A = (g^a ) mod q)并将A发送给Bob。Mallory一直在等待这一步，她选择了一个随机变量m，并计算了相应的M。Mallory一收到A，就把M发送给Bob，假装她是Alice。
3. Bob收到M，认为是Alice发送的。Bob已经选择了一个随机变量b，并计算了相应的B;他把B发给Alice。类似地，Mallory截获消息，读取B并将M发送给Alice。
4. Alice接收M，计算key = M^a mod q。
5. Bob接收M，计算key = M^b mod q。

Alice和Bob认为自己在直接通信，并继续通信，而没有意识到他们正在与Mallory通信，后者可以在将消息发送给目标接收方之前阅读和修改消息。

这种敏感性需要某种机制，使我们能够确认对方的身份。这就引出了公钥基础设施(PKI)。

考虑一下通过HTTPS访问网站example.org的情况。您如何确信您确实在与 example.org 服务器通信?换句话说，你怎么能确定没有中间人在数据包到达你面前拦截并修改它们呢?答案在于网站证书。

下图显示了我们浏览example.org时得到的页面。大多数浏览器都用某种锁图标来表示加密连接。这个锁图标表示连接是通过HTTPS进行保护的，使用的是有效的证书。

写作证书时，example.org使用的证书由DigiCert Inc.签名，如下图所示。换句话说，DigiCert确认这个证书是有效的(直到某个日期)。

要让证书颁发机构对证书进行签名，我们需要:

1.生成证书签名请求(Generate Certificate Signing Request, CSR):你创建一个证书，并将你的公钥发送给第三方签名。

2.将你的CSR发送给证书颁发机构(CA):目的是让CA签名你的证书。另一个通常不安全的解决方案是自签名证书。

为此，接收方应该识别并信任签发证书的CA。正如我们所料，我们的浏览器信任DigiCert公司作为签名机构;否则，它将发出安全警告，而不是继续访问被请求的网站。

您可以使用 openssl 命令生成证书签名请求。我们使用了以下选项:

• req -new 创建新的证书签名请求
• -nodes 保存不带密码的私钥
• -newkey 生成新的私钥
• rsa:4096 生成长度为4096位的RSA密钥
• -keyout 指定保存密钥的位置
• -out 保存证书签名请求

然后你将被要求回答一系列问题，如下面的控制台输出所示。

user@TryHackMe$ openssl req -new -nodes -newkey rsa:4096 -keyout key.pem -out cert.csr
[...]
-----
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [XX]:UK
State or Province Name (full name) []:London
Locality Name (eg, city) [Default City]:London
[...]

一旦CSR文件准备好了，你就可以把它发送给你选择的CA，对它进行签名，以便在你的服务器上使用。

一旦客户端(即浏览器)收到它信任的签名证书，SSL/TLS握手就开始了。目的是就密码和密钥达成一致。

我们刚刚描述了PKI（公钥基础设施）如何应用于web和SSL/TLS证书。可信第三方是系统可扩展的必要条件。

为了测试，我们创建了一个自签名证书。例如，下面的命令将生成自签名证书。

openssl req -x509 -newkey -nodes rsa:4096 -keyout key.pem -out cert.pem -sha256 -days 365

-x509 表示我们想生成的是自签名证书，而不是证书请求。 -sha256 指定SHA-256摘要的使用。因为我们增加了 -days 365 ，所以有效期为一年。

您需要检查 task06 目录下的证书文件 cert.pem 。你可以使用以下命令查看证书:

openssl x509 -in cert.pem -text

问题

1.公钥的位数是多少？

2.这张证书有效期到哪一年？

WP

1、2.使用以下命令查看证书：

openssl x509 -in cert.pem -text

使用密码进行身份验证

让我们看看密码学是如何帮助提高密码安全性的。通过PKI和SSL/TLS，我们可以与任何服务器通信，并提供我们的登录凭据，同时确保在网络上传输密码时没有人可以读取我们的密码。这是一个保护传输数据的例子。让我们来探索如何保护保存在数据库中的密码，即静止的数据。

最不安全的方法是将用户名和密码保存在数据库中。这样，任何数据泄露都会暴露用户的密码。除了读取包含密码的数据库外，不需要做任何工作。

用户名	密码
alice	qwerty
bob	dragon
charlie	princess

改进的方法是将用户名和密码的散列值保存在数据库中。通过这种方式，数据泄露将暴露密码的哈希版本。由于哈希函数是不可逆的，攻击者需要不断尝试不同的密码，才能找到能得到相同哈希值的密码。下表显示了密码的MD5值。(我们选择MD5只是为了让密码字段较小;否则，我们会使用SHA256或其他更安全的方法。)

用户名	散列(密码)
alice	d8578edf8458ce06fbc5bb76a58c5ca4
bob	8621ffdbc5698829397d97767ac13db3
charlie	8afa847f50a716e64932d995c8e7435a

前面的方法看起来是安全的;然而，彩虹表的可用性使得这种方法不安全。rainbow表包含密码及其散列值的列表。因此，攻击者只需要查找哈希值就可以恢复密码。例如，通过查找 d8578edf8458ce06fbc5bb76a58c5ca4 ，可以很容易地发现 alice 的原始密码。因此，我们需要找到更安全的方法来安全地保存密码;我们可以加盐。salt是一个随机值，我们可以在对密码进行哈希运算之前将其添加到密码后面。下面给出了一个例子。

用户名	密码散列(盐)	盐
alice	8a43db01d06107fcad32f0bcfa651f2f	12742
bob	aab2b680e6a1cb43c79180b3d1a38beb	22861
charlie	3a40d108a068cdc8e7951b82d312129b	16056

上表使用 hash(password + salt) ;另一种方法是使用 hash(hash(password) + salt) 。注意，我们在使用MD5散列函数时使用了相对较小的salt值。如果这是一个实际的设置，我们应该切换到一个(更)安全的散列函数和一个大的盐值，以获得更好的安全性。

在保存密码之前，我们可以做的另一个改进是使用密钥推导函数，如PBKDF2 (password - based key推导function 2)。PBKDF2获取密码和盐，并通过一定的迭代次数(通常为数十万次)提交它。

如果您想了解与密码存储相关的其他技术，我们建议您检查密码存储备忘单。

问题

您在审计一个系统时，发现admin密码的MD5散列值是 3fc0a7acf087f549ac2b266baf94b8b1 。原始密码是什么?

WP

随便找一个MD5解密网站解密即可：

密码学和数据-示例

在此任务中，我们想探索通过HTTPS登录网站时会发生什么。

1. 客户端请求服务器的 SSL/TLS 证书
2. 服务器向客户端发送 SSL/TLS 证书
3. 客户端确认证书有效

加密的作用从检查证书开始。要使证书被视为有效，则意味着它已签名。签名意味着证书的哈希值使用受信任的第三方的私钥进行加密;加密的哈希将追加到证书中。

如果第三方是可信的，客户端将使用第三方的公钥来解密加密的哈希，并将其与证书的哈希进行比较。但是，如果无法识别第三方，则连接将不会自动进行。

客户端确认证书有效后，将启动 SSL/TLS 握手。这种握手允许客户端和服务器就密钥和对称加密算法等达成一致。从现在开始，所有相关的会话通信都将使用对称加密进行加密。

最后一步是提供登录凭据。客户端使用加密的 SSL/TLS 会话将它们发送到服务器。服务器收到用户名和密码，需要确认它们是否匹配。

根据安全准则，我们希望服务器在向其附加随机盐后保存密码的哈希版本。这样，如果数据库被破坏，密码将难以恢复。

结论

密码学是一个庞大的话题。在这个房间里，我们试图把重点放在核心概念上，这些概念可以帮助你理解密码学中常用的术语。这些知识对于理解使用加密和散列的系统的配置选项至关重要。

标签：加密,Cryptography,Introduction,Alice,密码,密钥,使用,Bob,密码学
From： https://www.cnblogs.com/handsomexuejian/p/18310447