TLS 协议-对称加密原理

Posted 2021-04-25 爱因诗贤

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导读

这篇文章介绍一下 TLS 协议，TLS 有着 20 多年的历史，包括了很多种加密方式，下面通过学习对称加密原理和非对称加密原理对 TLS 协议加深理解。

1.TLS 设计的目的

• 身份验证

• 保密性

• 完整性

2.TLS/SSL 发展史及通用模型

3.TLS 协议

• Record 记录协议

• 对称加密

• Handshake 握手协议

• 验证通讯双方的身份

• 交换加解密的安全套件

• 协商加密参数

4.TLS 安全密码套件

• 密钥交换算法

• 身份验证算法

• 对称加密算法、强度、工作模式

• 签名 hash 算法

5.对称加密示意图

6.基于 XOR 的对称加密原理

6.1 XOR 真值表

6.2 基于 XOR 的加密示意图

6.3 基于 XOR 的解密示意图

6.4 填充明文

上述加密过程是按位  XOR  操作，这就要求密钥序列和明文序列的长度保持一致，下面介绍若明文序列和密钥序列长度不一致的填充方法：

• Block cipher 分组加密：将明文分成多个等长的 Block 模块，对每个模块分别加解密

• 目的：当最后一个明文 Block 模块长度不足时，需要填充

• 填充方法

• 位填充：比 bit 位为单位来填充
  

• 以字节为单位填充
  

7.对称加密工作模式

允许使用同一个分组密码密钥对多块数据加密，并且保证其安全性：

7.1 ECB（Electronic codebook）模式

• 直接将明文分解为多个块，对每个块独立加密

• 问题：无法隐藏数据特征（例如给一张图片加密之后图像特征可能还在）
  

7.2 CBC（Cipher-block chaining）模式

• 每个明文块先与前一个密文块异或后，再加密

• 问题：加密过程串行化

7.3 CTR（Counter）模式

• 通过递增一个加密计数器以产生连续的密钥流

• 问题：不能提供密文消息完整性校验（这个问题可以通过哈希函数校验码来解决）

7.4 GCM 模式

• GCM 是在 CTR 模式的基础上增加一个 MAC 哈希值来校验数据完整性的：

8.AES 加密算法

AES  加密算法是比利时密码学家  Joan Daemen  和  Vincent Rijmen  两位设计的，又称为  Rijndael  加密算法，常用的填充算法是  PKCS7 ，常用的分组工作模式是  GCM ：

8.1 AES 的三种密钥长度

AES 分组的长度是 128 位（16 字节）：

AES	密钥长度（32位比特）	分组长度（32位比特）	加密轮数
AES-128	4	4	10
AES-192	6	4	12
AES-256	8	4	14

8.2 AES 加密步骤

• 把明文按照 128 bit（16 字节） 拆分成若干个明文块，每个明文块是 4*4 矩阵

• 按照选择的填充方式来填充最后一个明文块

• 每一个明文块利用 AES 加密器和密钥，加密成密文块

• 拼接所有的密文块，成为最终的密文结果

8.3 AES 加密流程

C = E(K,P)，其中 E 为每一轮算法，每轮密钥皆不同：

• 初始轮

• AddRoundKey 轮密钥加

• 普通轮

• AddRoundKey 轮密钥加

• SubBytes 字节替代

• ShiftRows 行移位

• MixColumns 列混合

• 最终轮

• SubBytes 字节替代

• ShitRows 行移位

• AddRoundKey 轮密钥加




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