密码学与Base64编码

2024-03-22

CryptographyCryptographyBase64

概述

机密性问题

对称加密：
- 经典算法 DES，3DES，AES
- 分组模式
- 问题：中间人攻击：明文与密钥同时传送。中间人可取得密钥完成解密
密钥配送：解决中间人攻击问题。如：事先共享密钥等
非对称加密：RSA。存在问题如下
- 中间人冒充通讯对象，替换公钥
- 运算慢
对称+非对称混合：解决运算慢问题。对称加密明文，非对称加密密钥。实例：PGP、SSL/TLS。关键点如下
- 伪随机数生成器算法
- 对称密码分组模式
- 非对称密钥长度

认证问题

单项散列函数：用于防中间人篡改。别名：哈希、杂凑、摘要。输出消息，输出散列值
- 经典算法：MD5、SHA1、SHA-256、SHA3等
- 攻击：算法破解、暴力破解（撞库）、生日攻击（穷举，任意散列值一致概率）
- 问题：中间人伪装 - 无法判断消息是否来自正确的发送者
消息认证码（MAC）：解决中间人伪装问题，防篡改，防伪装
- 实现：带密钥的hash函数。分组密码，单向散列，流密码等都可实现
- 原理：密钥和原明文组合，计算hash值（mac值）。中间人不知道密钥值，伪装消息时无法计算正确的mac值，无法伪装。做到了双方认证
- 应用：SWIFT、IPsec、SSL/TLS
- 攻击
  - 重放攻击：中间人将截获的内容与mac保存，重复发送。解决：序号、时间戳、随机值nonce
  - 密钥推测：对于非随机密钥。通过mac值逆向密钥值
- 问题
  - 共享密钥不可泄漏（非对称加密或Diffie-Hllman）
  - 第三方证明：需要防止否认。明确消息发送方，消息即可能为A发送，也可能为B发送。
数字签名：防篡改，防伪装、防否认。单向散列函数+非对称加密的反向使用
- 原理：没有私钥无法生成该私钥所生成的密文。持有密钥才能生成消息
- 过程
  - A持有私钥，B持有公钥
  - B向A发送消息，直接使用公钥加密后发送。私钥方通过私钥解密得到明文
  - A发送消息时，A用私钥对明文hash值进行加密得到密文（即签名），将明文与签名都发送给B公钥方
  - B用公钥对签名进行解密的到hash值，与明文的hash进行对比。确保数据源正常
- 应用：SSL/TLS
- 经典算法：RSA、DSA、Rabin
- 攻击：
  - 单向散列函数是否抗碰撞
  - 数字签名攻击公钥密码（不对意思不清楚的消息进行签名）
- 问题
  - 中间人攻击：无法确认公钥来自正确的通信对象。C想伪装成A。将B手中的公钥替换为C生成的公钥，C便可伪装成A进行通信（或者C持有A的私钥，也可伪装）
  - 签名被盗用
公钥证书：第三方认证机构给公钥加数字签名，降低遭遇中间人攻击的风险（认证公钥来防止公钥被替换）。
- 原理：通过CA的公钥，得到A的公钥。再使用公钥对签名解密得到hash值，与正文hash值对比
公钥基础设施PKI：证书颁发管理
- 认证机构CA：证书管理人，对注册人的公钥加上数字签名
- 证书层级：可通过证书验证另一个证书公钥，实现递归
- 攻击
  - 公钥注册证书前替换公钥
  - 相似注册人名攻击
  - 认证机构的私钥泄漏发布CRL
  - 伪装成认证机构
  - CRL发布时差漏洞

编码流程中的单位问题

位（Bit）：1个二进制
字节（Byte）：8位二进制
字（word）：在32位系统中，一个字4字节，共32位二进制；64位系统中，一个字8字节，共64位二进制

电子邮件传输算法 - Base64编码

为了解决早期电子邮件传输非ascii码字符时，经过有历史问题的网关（将非ascii码8位二进制最高位的数值置为0）时出现的问题。

经过Base64编码后的数据比原始数据略长，为原来的4/3倍。base64编码字符串的字符数是4的整数倍，结尾的等号用于补位

base64编码表

包含字符"A-Za-z0-9+/"

码值	字符	码值	字符	码值	字符	码值	字符
0	A	16	Q	32	g	48	w
1	B	17	R	33	h	49	x
2	C	18	S	34	i	50	y
3	D	19	T	35	j	51	z
4	E	20	U	36	k	52	0
5	F	21	V	37	l	53	1
6	G	22	W	38	m	54	2
7	H	23	X	39	n	55	3
8	I	24	Y	40	o	56	4
9	J	25	Z	41	p	57	5
10	K	26	a	42	q	58	6
11	L	27	b	43	r	59	7
12	M	28	c	44	s	60	8
13	N	29	d	45	t	61	9
14	O	30	e	46	u	62	+
15	P	31	f	47	v	63	/

编码原理

流程
- 目标字符串以字符为单位转换成字符编码（ascii码）
- 将字符编码转换为二进制码
- 对二进制码进行分组转换，即每3个8位二进制码一组，转换为每4个8位二进制码为一组（不足6为低位补0）。注意方向从左往右
- 对每组中的6位二进制码高位补0，变为每组4个8位进制码
- 将变换后的二进制码换为10进制码
- 将10进制码对照码表得到结果字符串
例子：目标字符串 A
- A 的ascii码为65
- ascii码的二进制码01000001
- 从左往右每6位切分得到4-6二进制码010000 010000
- 补0得到4-8二进制码00010000 00010000
- 转换为10进制16 16
- 对照码表，并补成4的倍数 QQ==

代码

Java API

import com.sun.org.apache.bcel.internal.generic.NEW;

public class testbase64 {
    public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Base64.encode("1101".getBytes()));
    System.out.println(new String(Base64.decode("MTEwMQ==")))
    }
}

C实现，参考https://blog.csdn.net/qq_26093511/article/details/78836087open in new window

/*base64.c*/  
#include "base64.h"  
  
unsigned char *base64_encode(unsigned char *str)  
{  
    long len;  
    long str_len;  
    unsigned char *res;  
    int i,j;  
    //定义base64编码表  
    unsigned char *base64_table = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/";  
  
    //计算经过base64编码后的字符串长度  
    str_len = strlen(str);  
    if(str_len % 3 == 0)  
        len = str_len/3*4;  
    else  
        len = (str_len/3+1)*4;  
  
    res = malloc(sizeof(unsigned char)*len+1);  
    res[len] = '\0';  
  
    //以3个8位字符为一组进行编码  
    for(i = 0, j = 0; i < len-2; j+=3,i+=4) {
        res[i] = base64_table[str[j]>>2]; //取出第一个字符的前6位并找出对应的结果字符  
        res[i+1] = base64_table[(str[j]&0x3)<<4 | (str[j+1]>>4)]; //将第一个字符的后位与第二个字符的前4位进行组合并找到对应的结果字符  
        res[i+2] = base64_table[(str[j+1]&0xf)<<2 | (str[j+2]>>6)]; //将第二个字符的后4位与第三个字符的前2位组合并找出对应的结果字符  
        res[i+3] = base64_table[str[j+2]&0x3f]; //取出第三个字符的后6位并找出结果字符  
    }  
  
    switch(str_len % 3) {  
    case 1:  
        res[i-2] = '=';  
        res[i-1] = '=';  
        break;  
    case 2:  
        res[i-1] = '=';  
        break;  
    }  
  
    return res;  
}  
  
unsigned char *base64_decode(unsigned char *code)  
{  
    //根据base64表，以字符找到对应的十进制数据  
    int table[]={
        0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
        0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
        0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,
        0,0,0,0,0,0,0,62,0,0,0,
        63,52,53,54,55,56,57,58,
        59,60,61,0,0,0,0,0,0,0,0,
        1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,
        13,14,15,16,17,18,19,20,21,
        22,23,24,25,0,0,0,0,0,0,26,
        27,28,29,30,31,32,33,34,35,
        36,37,38,39,40,41,42,43,44,
        45,46,47,48,49,50,51
    };  
    long len;  
    long str_len;  
    unsigned char *res;  
    int i,j;  
  
    //计算解码后的字符串长度  
    len = strlen(code);  
    //判断编码后的字符串后是否有=  
    if(strstr(code,"=="))  
        str_len = len/4*3-2;  
    else if(strstr(code,"="))  
        str_len = len/4*3-1;  
    else  
        str_len = len/4*3;  
  
    res = malloc(sizeof(unsigned char)*str_len+1);  
    res[str_len] = '\0';  
  
    //以4个字符为一位进行解码  
    for(i=0,j=0;i < len-2;j+=3,i+=4) {  
        res[j]=((unsigned char)table[code[i]])<<2 | (((unsigned char)table[code[i+1]])>>4); //取出第一个字符对应base64表的十进制数的前6位与第二个字符对应base64表的十进制数的后2位进行组合  
        res[j+1]=(((unsigned char)table[code[i+1]])<<4) | (((unsigned char)table[code[i+2]])>>2); //取出第二个字符对应base64表的十进制数的后4位与第三个字符对应bas464表的十进制数的后4位进行组合  
        res[j+2]=(((unsigned char)table[code[i+2]])<<6) | ((unsigned char)table[code[i+3]]); //取出第三个字符对应base64表的十进制数的后2位与第4个字符进行组合  
    }  
  
    return res;
}

码值	字符	码值	字符	码值	字符	码值	字符
0	A	16	Q	32	g	48	w
1	B	17	R	33	h	49	x
2	C	18	S	34	i	50	y
3	D	19	T	35	j	51	z
4	E	20	U	36	k	52	0
5	F	21	V	37	l	53	1
6	G	22	W	38	m	54	2
7	H	23	X	39	n	55	3
8	I	24	Y	40	o	56	4
9	J	25	Z	41	p	57	5
10	K	26	a	42	q	58	6
11	L	27	b	43	r	59	7
12	M	28	c	44	s	60	8
13	N	29	d	45	t	61	9
14	O	30	e	46	u	62	+
15	P	31	f	47	v	63	/

码值	字符	码值	字符	码值	字符	码值	字符
0	A	16	Q	32	g	48	w
1	B	17	R	33	h	49	x
2	C	18	S	34	i	50	y
3	D	19	T	35	j	51	z
4	E	20	U	36	k	52	0
5	F	21	V	37	l	53	1
6	G	22	W	38	m	54	2
7	H	23	X	39	n	55	3
8	I	24	Y	40	o	56	4
9	J	25	Z	41	p	57	5
10	K	26	a	42	q	58	6
11	L	27	b	43	r	59	7
12	M	28	c	44	s	60	8
13	N	29	d	45	t	61	9
14	O	30	e	46	u	62	+
15	P	31	f	47	v	63	/

密码学与Base64编码

# 概述

# 机密性问题

# 认证问题

# 编码流程中的单位问题

# 电子邮件传输算法 - Base64编码

# base64编码表

# 编码原理

# 代码

概述

机密性问题

认证问题

编码流程中的单位问题

电子邮件传输算法 - Base64编码

base64编码表

编码原理

代码

码值	字符	码值	字符	码值	字符	码值	字符
0	A	16	Q	32	g	48	w
1	B	17	R	33	h	49	x
2	C	18	S	34	i	50	y
3	D	19	T	35	j	51	z
4	E	20	U	36	k	52	0
5	F	21	V	37	l	53	1
6	G	22	W	38	m	54	2
7	H	23	X	39	n	55	3
8	I	24	Y	40	o	56	4
9	J	25	Z	41	p	57	5
10	K	26	a	42	q	58	6
11	L	27	b	43	r	59	7
12	M	28	c	44	s	60	8
13	N	29	d	45	t	61	9
14	O	30	e	46	u	62	+
15	P	31	f	47	v	63	/