如何综合运用对称加密技术、非对称加密技术（公钥密码体制）和Hash函数 保证信息的保密性、完整性、可用性和不可否认性？

一、几个问题

在提出问题之前，先创建一个使用场景，发送方（甲方）要给接收方（乙方）发送投标书。大家知道，投标书都包括发送方的标的，这个标的是不能被竞标者知晓，更不能被竞标者修改的。在传输的投标书时，提出了以下三个问题：

1、怎么保证发送方（甲方）发送的投标书不泄密给攻击者呢

2、在传输过程中，攻击者虽然解密不了密文，但是对密文进行编辑，比如截掉了一段信息，加上了一段乱码，怎么办？在这个场景中，举一个极端的例子，修改了标的，怎么办

3、接收者（乙方）接到了投标书，怎么确定是甲方发出的呢？就是说甲方抵赖，说没有发送过这样的一份标书怎么办？

带着这三个问题，来学习一下对称加密技术、非对称加密机制、Hash函数等密码学基础理论。

一、基本概念

保密性：防止信息泄露给未授权个人、实体，信息仅被合法用户使用的特性。

完整性：是指所有资源只能由授权方或以授权的方式修改，即信息未经授权不能进行改变的特性。

可用性：是指所有资源在适当的时候可以由授权方访问，即信息可被授权实体访问并按需求使用的特性

不可否认性：也就是不可抵赖性，确认发送方是发送方本人的特性。

信道的传输 模型如下图一。

二、第一个问题：怎么保证保密性呢？

很显然，加密！

对于较大文件，需要使用对称加密算法。

在对称加密算法中，数据发送方将明文（原始数据）和加密密钥一起经过特殊加密算法处理使其变成复杂的加密密文，然后在信道中传输。

接收方收到密文后，需要使用同一个密钥及加密算法的逆算法对密文进行解密，得到明文。

在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，收发双方使用同一个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先知道加密密钥。

如果攻击者截获了在信道中传输的信息了，由于攻击者没有密钥，没办法得到明文，也就是标书，这就保证了数据的保密性。

对称加密算法的优点：对称密钥保密，算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高。

对称加密算法的缺点：怎样安全无误地将对称密钥传输给接收方？这是对称加密算法的天生的缺点，胎里带来的。

图二：对称加密技术的原理图

2.2对称加密的算法

对称加密的算法包括两种，一种是分组加密，包括DES、AES、SM4算法等；

另一种是序列密码，包括RSA密码、ElGamal密码、SM2椭圆曲线公钥加密算法等。

2.3对称加密的问题

对称加密算法最大的问题，就是怎样安全无误地将密钥传输给接收方？

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三、第二个问题：怎样传输对称加密算法的密钥K呢？

实际上，图一中安全信道是不存在的，如果有安全信道，那么就不需要加密了，直接把明文丢进安全信道内，一切都解决了。这样的安全信道是不存在的。那么怎样传输对称加密技术中的密钥呢？在此我们引入了另一项加密技术，公钥密码体制。公钥是指公开的密钥。

在对称加密技术中，发送方和接收方公用一套密钥，而公钥密码技术中，发送方和接收方分别有公钥和私钥，公钥公开，私钥只有自己知道，并且公钥和私钥是成对的，可以并且只能相互加解密。原理见图三。

图三 非对称加密技术

　　公钥密码算法，由于加密、解密的密钥不同，也叫作非对称加密算法。

　　在公钥密码体制中，发送方和接收方都有两套密码，一套公钥，一套私钥。也就是说发送方有自己的公钥、私钥和接收方的公钥。接收方有自己的公钥、私钥和发送方的公钥。公钥和私钥互为加解密密钥。也就是说用公钥加密可以用同一方的私钥解密；用私钥加密，可以用同一方的公钥解密。

　　对称加密算法简单，加解密密钥相同且密钥较短，并且需要传输密钥，因此安全性较弱，加密耗时短，常用来加密大数据。

　　非对称加密算法，算法复杂，密钥相对于对称加密算法比较长，因此安全性强，加密耗时时间也长，适合加密少量数据。那么可以用对称加密技术加密真正的明文（通常是大数据），而后用非对称加密技术加密对称加密的密钥（通常数据量较少），这样综合利用两种加密技术，配合堪称完美。这就是数字信封技术。相当于将对称加密的密钥放在一个安全的信封内，在信道中传输。

图4 数字信封技术

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第三个问题：怎么保证不可否认性呢？怎么样保证是甲方发送的标书，如果有人冒充甲方用同样的加密算法加密了一份假的标书，发送给乙方，乙方误认为是甲方发送的，甲方怎么证明不是自己发送的呢？或者甲方发给了乙方一份标书，后续又否认自己发过这份标书，这样的情况怎样用技术避免呢？

在现实场景中，可以用手工签名保证不可否认，同样在网络场景中，可以用数字签名来确保不可否认性。

在公钥密码体制中，发送方和接收方都有公钥和私钥，公钥是公开的，私钥只有自己知道。如果用发送方的私钥加密，用公钥解密，就可以确保是发送方本人发送的，不是伪造的。这就是数字签名技术，也是公钥密码体制的另一个应用：认证。原理见图5。

图5 数字签名技术

提出一个问题：公钥密码体制加密算法复杂，加密时间较长，不适合加密大数据，那么用发送方的私钥加密标书明文需要很长时间，怎么样解决这样的问题呢？

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第四个问题：怎么样知道标书的密文在传输过程中没有被攻击者篡改呢？

攻击者截获了密文，由于不知道密钥，没办法解密，看不到标书的明文；但是可以修改密文，添加一段乱码或者截掉一段密文，尤其截掉的密文是标的时。那么怎样知道在传输的过程中，信息有没有被修改过呢？在这里再次引入一个函数，散列函数，也就是常说的Hash函数。Hash函数可以将任意长度的输入，映射成固定长度的输出h，输出h称作报文摘要，输出的位数要比输入的位数小很多。

Hash函数的定义：Hash函数将任意长度的输入M映射成固定长度的输出hash码h。

定义中有两个点：①任意长度的输入②固定长度的输出。

为什么Hash函数可以知道密文在传输过程中没有被篡改呢？这就牵扯到Hash函数的两个特性

①无论是多长的输入，改变输入的任意一位或者多位，都会导致输出的改变。也就是说是不存在x、y，x不等于y，但是x、y的hash值是一样的。在传输的过程中，如果改变了密文的任一位，那么解密出来的明文的Hash值和原来的Hash值是不一样的，接收方就可以知道密文在信道中被篡改了。

②Hash函数的单向性。也就是由Hash值不能得到相应的报文。如果Hash函数不具有单向性，攻击者截获了明文的Hash值之后，就可以得到明文了，Hash函数也就失去了保证报文完整性的基础。

使用Hash函数保证数据的完整性、可用性原理件图三。

步骤：

①对标书明文，用对称密钥K进行对称加密，形成密文

②对标书明文求Hash值，步骤①和步骤②可以互换

③将标书的Hash值拼接在密文后面，形成新的密文，在信道上传输

④接收方收到拼接成的密文后，先将密文和Hash值分开，用对称密钥K进行解密，得到标书的明文

⑤对步骤④中得到的明文求Hash值

⑥将步骤⑤中的Hash值和步骤④中的原始Hash值进行比较，

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综上所述，我们运用了对称加密算法、非对称加密算法（加密、认证两个功能）、数字信封技术、Hash函数等技术保证了标书在传输过程中的保密性、完整性、不可否认性。