学习笔记网络安全基础知识总结

Posted 2022-03-07 HERODING23

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了学习笔记网络安全基础知识总结相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

网络安全基础知识总结

前言
一、网络安全概述
二、数论知识
三、网络安全进阶
四、学习总结
参考资料

前言

最近看了许多有关联邦学习、网络安全、数据加密相关的论文，其中涉及了大量数论、密码学知识，虽然两年前学习过，但是时间久远又模糊不清了，这让我在阅读过程中困惑不已，临时查阅知识又过于离散难以整合，故下定决心重新系统化学习一遍，并在博客中总结，以备日后复习方便查阅，也用于感兴趣的朋友了解相关知识，那么就让我们开始吧~

一、网络安全概述

1.1 引言

安全攻击分为主动攻击和被动攻击。

被动攻击包括非授权阅读消息、文件以及流量分析；
主动攻击包括对消息和文件的修改以及拒绝服务。

常见的被动攻击：

消息内容的泄露
流量分析

常见的主动攻击：

伪装
重放
拒绝服务

网络安全的实现离不开安全机制，安全机制是指用来用来检测、阻止攻击或者从攻击状态里恢复的过程，最重要的安全机制之一就是密码编码机制。
安全服务包括认证、访问控制、数据保密性、数据完整性、不可否认性以及可用性。

1.2 密码学的发展

发展：古代加密方法->古典密码->近代密码。

古典密码基于算法的保密（万变不离其宗），近代密码基于密钥的保密（密钥无穷无尽）。
编码的原则： 加密算法应建立在算法的公开不影响明文和密钥的安全性。
简单加密系统模型：

理论安全： 攻击者无论截获多少密文信息，都无法得到足够信息唯一决定明文。加密秘钥长度必须大于等于明文长度，并且一次一密，但是不实用。
实际安全： 在有限的资源范围内，攻击者都不能通过系统的分析破解系统。
密码体制作为加密系统的基本工作方式，基本要素是加密算法和密钥，并不是密文明文。
加密系统可以用数学符号描述：
$S = P, C, K, E, D$

P：明文空间， $P=D_k(C)=D_k(E_k(P))$
C：密文空间， $C=E_k(P)$
K：密钥空间
E：加密变换， $E_k=D_k^-1$
D：解密变换， $D_k=E_k^-1$

对称密码体制和非对称密码体制： 前者加密密钥和解密密钥相同，开放性差，后者加密密钥和解密密钥不同，开放性好。

序列密码（流密码）： 加密密文不仅与给定密码算法和密钥有关，同时也与明文位置有关。加密以明文比特为单位。
分组密码： 加密密文只与给定密码算法和密钥有关。
其他加密体制有确定型密码体制和概率密码体制。

确定型：明文密钥确定，密文唯一确定。
明文密钥确定，密文通过客观随机因素从一个密文集合中产生，密文形式不确定。

以及单向函数型密码体制和双向变换型密码体制。

单向函数型密码体制：适用于不需要解密的场合，如哈希函数（可以用作判断是否被篡改）。
双向变换型密码体制：可以进行可逆加密、解密变换。

Kerckhoff原则： 设计加密系统时，总是假定密码算法是可以公开的，需要保密的是密钥。

1.3 密码学基础

包括密码编码学和密码分析学，一个是寻找加密的方法，另一个是用作破解加密的方法。
密码编码系统分类三点依据：

明文转换为密文的操作类型：代换和置换。
使用密钥数量和方式：对称密码体制（单钥系统、秘密密钥系统）和非对称密码体制（双钥系统、公开密钥系统）。
明文处理方式：分组加密、流加密。

密码分析学：

密码分析：试图破译密文得到明文或者获取密钥的过程。
穷举攻击：对密文尝试所有可能的密钥，直到转换为可读的有意义的明文。至少尝试1/2可能的密钥。

对加密信息的攻击类型：

唯密文攻击：只知道密文进行攻击，该方法最为困难。
已知明文攻击：既知道明文又知道密文，该方法用于破解密钥。
选择明文攻击：选择明文获取密文，比已知明文攻击更强，用于攻击系统。
选择密文攻击：选择密文，获取对应的明文。
选择文本攻击：即可以选择明文也可以选择密文，获取对应的密文和明文。

Caesar密码（凯撒密码）： 一种单表代换密码，过程如下图所示

对凯撒密码的攻击用穷举法的原因：

已知加密和解密算法。
密钥只有25个。
明文所用语言是已知的，且意义易于识别。

单表代换密码： 每个明文字母可以随机映射任意一个密文字母，有26！或大于4×10²⁶种可能的密钥。但是！ 仍然会受到穷举攻击，因为语言的规律性（由单词字母的频率判断）。

1.4 对称密码

对称算法的安全性依赖于密钥。

对称算法可分为流密码和分组密码。

许多分组密码采用Feistel结构。
Feistel 结构： 由许多相同的轮函数组成。每一轮里，对输入数据的一半进行代换，接着用一个置换来交换数据的两个部分，扩展初始的密钥使得每一轮使用不同的子密钥。
为了对付基于统计分析的密码破译，必须对明文作confusion(混淆) 和diffusion(扩散) 处理，以减少密文的统计特性，为统计分析制造障碍。

diffusion：明文统计结构扩散消失到大批密文统计特性中，使明文和密文之间统计关系尽量复杂。
confusion：使密文和加密密钥之间关系尽量复杂。

Feistel密码结构如下图所示，将输入分组成左右两个部分，左半部分实施多回合替换，右半部分和子密钥应用轮函数F，输出与左半做异或，并将左右两部分互换。

每一轮的加密： $L_i=R_i -1;R_i=L_i-1 \\bigoplus F(K_i,R_i-1)$

Feistel加密器设计原则：

分组长度越长越安全，但同时加解密速度越低，64位是很好的折中。
密钥长度越长越好，但是加解密速度会降低，128位常用。
迭代次数越多越好，通常16次。
解密算法以密文为输入，以相反的次序使用密钥。

1.4.1 数据加密标准DES

DES的基本结构。

DES加密过程：

DES的一轮迭代过程：

对每个过程的详解如下：

IP置换：目的是将输入的64位数据按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位。
扩充置换：将32位的 $R_i-1$ 扩充成48位，扩充置换E盒如下：
密钥置换：不考虑每个字节的第8位，DES的密钥由64位减至56位，每个字节的第8位作为奇偶校验位。在DES每一轮中，从56位密钥产生不同的48位子密钥（密钥等分的两部分左移得到）。
32位的右半扩展后与48位子密钥异或，输送到S盒中，得到32位结果。S盒有8个将6位数据映射成4位的盒子。注意每个盒子内部排列是不同的。
P盒置换：该置换把输入的每位映射到输出位。
最后， $L_i-1$ 与 $R_i-1$ 变换后的结果进行异或，得到 $R_i$ 。

DES看似破译很困难，密钥多大2⁵⁶之多，但在计算能力飞速发展的今天，不到10小时就可以破译。

二、数论知识

2.1 数论基础

欧几里得算法，又称辗转相除法，记为gcd(a,b)，表示整数a，b的最大公因数，gcd(a,b)=gcd(b,a%b)，最大公因数必须是正数。
模运算： 给定任意整数a和q，以q除a，余数是r，则可以表示为 $a=sq+r,0\\leq r<q$ ，其中 $s = [a / q]$ ,表示小于 $a / q$ 的最大整数。定义r为a mod q的剩余，记为 $r\\equiv a \\, mod\\, q$ 。若整数a和b有 $\\, mod\\, q) =(b \\, mod\\, q)$ ，则称a与b在mod q下同余。

若 $a\\equiv b \\, (mod\\, n)$ 看做a与b的二元关系，则它是一个等价关系，即满足：

自反性： $a\\equiv a \\, (mod\\, n)$
对等性：如果a mod n = b mod n，则 $b\\equiv a \\, (mod\\, n)$
对称性：若 $a\\equiv b \\, (mod\\, n)$ ，则 $b\\equiv a \\, (mod\\, n)$
传递性：若 $a\\equiv b \\, (mod\\, n)$ ， $b\\equiv c \\, (mod\\, n)$ ，则 $a\\equiv c \\, (mod\\, n)$

定理（消去律）： 对于 $ab\\equiv ac \\, (mod\\, m)$ ，若gcd(a,m)=1，则 $b\\equiv c \\, (mod\\, n)$ 。
原因： 模m的乘法运算返回的结果是0到m-1之间的数，如果乘数a和模数m有除1以外的共同因子时将不会产生完整的余数集合。