【学习笔记】SSL证书密码套件之加密

本篇将介绍密码套件中加密常用的协议并将他们进行比较，包括：CHACHA20、AES-256-GCM、AES-128-GCM、AES-256-CBC、AES-128-CBC、3DES-CBC、RC4-128、DES-CBC

一、概念

• （选择以上合适协议）对称加密算法
  • 目的是保护批量数据传输
• 流密码（Stream Ciphers）
  • CHACHA20、RC4-128
  • Stream Cipher是对称加密协议，需要Client和Server双方有相同的密钥；工作方式是输入明文，输出密文
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  • 优势：更快地在软件中实施
    • 为移动端/嵌入式系统提供更好的性能
  • 劣势：容易受到流中比特顺序改变的影响
    • 必须与MAC配对以保证数据完整性（Integrity ）
• 块密码（Block Ciphers）
  • AES-256、AES-128、3DES、DES
  • Block Cipher（也是对称加密协议）将明文文本拆分成几个块，之后每个块将运行块密码加密，每个块将从明文加密成密文
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  • 许多PC都有硬件AES芯片
    • 为PC、笔记本电脑、服务器等提供更好的性能
  • 劣势：明文中的图案（pattern）没有被隐藏 - 无扩散（no diffusion）
    • 必须与具体的操作模式相配对
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    • 上图中，我们注意到第二段内容的第三个块重复了，相同的块用相同的密钥加密得到的密文是一样的，这是一个问题；再者，如果右上图，我们加密一个企鹅图片，如果使用的块加密模式中没有包含扩散，我们看到虽然企鹅不是白色了，但我们还是能知道原始图片是个企鹅，这会很不安全。因而，为了有效使用块加密，我们需要用特定的操作模式。
  • Block Cipher Modes（块加密模式）
    • ECB - Electronic Code Book，右上图用的就是ECB，我们可以看到它很不安全
    • CBC - Cipher Block Chaining
      • 工作方式：将每个明文块与前一个密文块结合起来，第一个块和初始化向量（Initialization vector，IV，对称密钥生成的随机值）相结合
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      • 劣势1：明文的最后一个块必须被填充（这让每个块的大小都相同，比如下图加了ZZZ，每个块大小都为13），这也使CBC加密遭受各种“padding oracle”攻击
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      • 劣势2：无法并行（要加密明文块9，我们必须知道密文块8）
    • CTR - Counter Mode
      • 工作方式：将每个明文块与唯一的Nonce（一个只被使用一次的任意或非重复的随机数值）结合起来
        • 通常，Nonce是IV（初始化向量）与递增计数器的组合
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      • 劣势：密文块不和之前或之后的块绑定，因而必须要与MAC配对
      • 主要优势：能够并行（明文块9和Nonce 9是相结合的）（适合多处理器、多核CPU）
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    • 由上图可知，CBC和CTR完全将图片虚化了，因为CBC和CTR都包含diffusion（扩散）
• 块密码模式（Block Cipher Modes）
  • -CBC、-GCM
  • CBC - Cipher Block Chaining
  • GCM - Galois Counter Mode，CTR Mode with built-in MAC，AEAD加密
  • AEAD - Authentication Encryption with Associated Data
    • AEAD加密同时同步进行对称加密和MAC编码
    • TLS 1.2推荐使用，TLS 1.3+需要

二、比较

1、不安全的

• DES - Data Encryption Standard，数据加密标准
  • 标准加密算法in the 1970s / 1980s
  • 56 bit key - 在数小时内能被暴力破解（brute forced）
• RC4 - 128 - Ron’s Cipher 4
  • Ron Rivest - “R” in RSA
  • 被证明在数学上是不正确的
• 3DES - Triple DES
  • DES算法，三次不同
    • 宣称的密钥强度：168 bits
  • 通常以 E.D.E 模式部署（Encrypt - Decrypt - Encryp）
    • 用明文密钥1加密明文，然后用明文密钥2运行解密算法，两个密钥不同，再然后用明文密钥1运行加密算法。注意，我们总共只用两个密钥。因而，有效密钥强度是112 bits（小于128 bits，所以不安全）
• 因此，DES、RC4 - 128、3DES不安全

2、安全的块密码

• AES - Advanced Encryption Standard，高级加密标准
  • 标准加密算法 since 2001
  • 由公开竞赛所创建
  • AES支持128位、192位或256位密钥（TLS/SSL用128和256的）
    • 256位的密钥大小据称比128位更安全（加密全对此是有争论的）
    • AES - 128当然不能被认为不安全
    • AES - 256需要更高的开销/CPU
  • 许多电脑有硬件AES芯片（让AES加解密处理更快）
    • 需要知道的是，这仅限于不受空间限制的computer（laptop、pc、server...etc），手机、智能电视等IOT设备没有AES芯片
  • GCM比CBC更安全
    • AEAD（Authentication Encryption with Associated Data，同时同步进行对称加密和MAC）加密是面向未来的
    • CBC容易受到填充预言攻击
  • 因此，AES-256-GCM和AES-128-GCM更安全（这两者谁更安全是有争议的）

3、安全的流密码

• ChaCha20
  • 如此命名是因为它是Salsa20算法的一个变种
    • Salsa20被这样命名是创建者决定的
  • ChaCha20是流加密，用128或者256位密钥
    • 在web或HTTPS中（TLS/SSL中），用的是256位密钥，是非常安全的密码
  • 在软件中，比AES更快
    • 适合手机和IOT设备
  • 如果AES遭泄露（compromised），ChaCha20可以是后备方案
  • 当ChaCha20与哈希算法Poly 1305结合，也被认为是AEAD密码（本篇的AEAD密码是ChaCha20、AES-128-GCM和AES-256-GCM）

参考文献

1、Practical Networking.net：Practical TLS