前言：因为手边有一本很不错的书，是韩文版的，所以本博文中很多突破可能是韩文版，我都会标注上中文，多有不便请各位海涵。

信息保护概念

什么是信息保护？

信息采集、加工、储存、检索、发送、接收中防止信息的损坏、伪造、泄露等的管理性、技术性手段所构成的行为。

在各种行业中，经常会面临的一个问题就是开销与性能的权衡，一分钱一分货，消费高的产品往往质量上佳。作为一个个体，选择产品时，不能只考虑一部分，只考虑性能的极限则带来的就是极高的购入与维护费用，并非每一个个体可以负担；而最低的消费往往又会带来产品的瑕疵。情报保护也同理。情报保护的可用性与安全性就是天平上的两端，高可用性意外着操作方便，做工效率高；高安全性不需解释。

举一个简单的例子。我们登录时，使用ID与密码登录，但是每一次的登录会觉得很麻烦，因此现在很多cookie技术能允许各种客户端记住密码，这样我们以后的登录就会省略掉，更加方便——带来的问题也很明显，任何使用这台计算机的人都可以以你的身份进行服务操作。那么如何加强安全性呢？那就是我们下机的时候删掉cookie等记录，但是这个删除操作以及你的下次登录操作都会增加一些格外的动作，比起直接下机就显得麻烦了。因此可用性与安全性是天平上的两端，两者的平衡权衡的越好，作为一个产品或技术就更加成熟。

安全的分类

数据安全：对数据操作权限的控制与限定。维护数据库，保护用户资料不会被非管理员进行数据操作。
应用安全：开发的应用程序或者web网站等程序本身有bug，攻击者就可以利用漏洞获得管理者权限，从而进行数据操作。因此，对于应用程序/服务器站点的程序设计本身也是安全的一环。
操作系统安全：操作系统本身有漏洞，攻击者利用漏洞攻击后，则数据与应用都不再安全，因为攻击者本身将等同于合法管理员。对操作系统的加固也就是对数据与应用的保护，例如只允许管理员登录的方式等。
物理安全：无论系统设计的多么完美无缺，把系统硬盘拆下来，所有的安全就都没意义了。物理安全是其他高位安全的基础，最基本的，安全级高的设备不应该放在谁都可以碰触到的地方。
用户安全：培养用户安全意识，进行用户安全教育。
网络安全：数据传输过程中，可能出现被窃听、截取、置换等风险，而预防风险就是网络安全需要准备的。

上述安全的保障离不开政策的有效调控，企业的运维思路是所有安全的统合。信息保护的对象就是数据、应用、OS、物理设备（硬盘）、网络、用户意识等。

CIA系统

CIA:信息系统的安全等级三个性质。CIA是信息保护的核心，CIA的前提条件基于正当的使用者，即合法用户。

简称	全称	说明
C	机密性	信息的传递遵循某种协议进行加密，只有授权的用户可以获得正确的信息。
I	完整性	信息在输入和传输/加密和解密的过程中，不被非法授权修改和破坏，保证数据的一致性
A	可用性	保证合法用户对信息和资源的使用不会被不正当地拒绝，合法用户可以对数据进行变更和删除等一系列操作

网络安全的威胁

CAIN：一种局域网黑客工具。可以对局域网进行arp欺骗。
攻击的实现：当PC想要访问其他网段地址时，需要将数据包发给路由器，而装有cain的设备进行arp欺骗，告知PC路由器的MAC地址是自己的M2而不是M_R。从而，PC将会把所有流量交给CAIN，自然CAIN就能捕获到所有来自PC的流量，也就可以实现窃听、篡改、中断这三个安全攻击。

篡改：DNS劫持：当域名解析结果返回后，CAIN可以将错误的域名解析结果发送给PC。PC将访问一个假的网站且不自知。

截获/窃听监视端口：如果网络管理员或者攻击者能够接触交换机，并对交换机进行监视端口的配置，则不需要使用arp欺骗也能获取网络中的所有流量，当流量经过交换机，交换机会把数据分成两份，一份交给路由器，一份交给监视端口。 （有些交换机不支持配置监视端口的功能）

伪造：假如一个服务器站点只允许192.168.80.120这一个地址访问，则120的计算机关机后，其他计算机只要更改IP地址就能访问服务器站点。这就是一种最简单最直接的伪造，虽然IP地址是120却不是真正的120主机。

中断：拒绝服务攻击（DOS）和分布式拒绝服务攻击（DDOS）。核心就是占据带宽流量，导致正常访问的计算机因为带宽已满而无法与服务器通信，或者极少数设备能够通信，整体影响了该服务器的服务效率。
目前DDOS攻击没有很好的防范手段，因为这种攻击方式是用于攻击带宽而非服务器，服务器不论是防火墙还是系统本身都武力干预。目前的对策只有使用超高带宽的网络，令规模不大的DDOS攻击无效的预防手段，如果攻击规模足够大，则需要将服务器迁移至其他位置。

计算机面临的威胁——恶意程序

病毒：会隐藏地感染计算机，一般对系统的破坏都是隐秘且不容易发觉的。可以改写本身系统的程序或者应用程序，删除关键文件等。是以破坏系统为主要用途的安全威胁。
蠕虫：与病毒不同的是，目的在于消耗系统资源。蠕虫病毒会慢慢蚕食内存和CPU，随机计算机工作时间增长，占用的资源越来越多，导致计算机速度变慢，慢到一定程度重启计算机，然后反复这个过程。
木马：功能性威胁。功能指向性强，比如盗号木马。木马与蠕虫的区别是需要与外界通信，盗号或者系统控制，需要将信息发给攻击者。所以木马必须与外界联系，不与外界联系的木马就是纸老虎，没有存在意义。木马程序的查找：启动计算机后，立刻使用msconfig查询是否有可疑的服务，以及使用cmd命令的netstat -n来检查可疑对话。
逻辑炸弹：有触发条件的病毒，潜伏性更好，症状表现少。发作有规律，一般发觉时已经对系统造成很大程度的损坏。

加密与解密技术

加密与解密这一过程，我简单总结为5个英文字母。加密和解密过程中，秘钥最为重要，秘钥的生成依赖于加密和解密算法，如果算法被破解，则秘钥本身也变得没有意义。

P	E	C	D	K
plaintext	encipher	ciphertext	decrypt	key
明文	加密	密文	解密	秘钥

加密&解密的对应公式：$C=E_k(P),P=D_k(C)$

加密与解密两者结合统称为密码。

上图涵盖了本文的核心对应关系。左边第一栏代表遇到的问题，第二栏代表解决该问题的理论，第三栏为代表举措。

密码学历史中出现过的密码技术

Caesar cipher

凯撒码将对应字符表后移x位，x为加密者任取值。图中是3，当计算机编码时，会映射到ASCII表，原本65对应A，现在68才是对应A。
下接一例：

用对应的映射关系，将明文变更到密文。解密时只需要通过映射表反向映射即可。

问题点：由于秘钥空间有限，且对应关系字符串有限，时间允许的情况下即便是人类也能够一对一不断去尝试，直到试出对应秘钥。

暴力破解(brute-force attack)

尝试所有密码空间内可行的秘钥，使用计算机的超过运算速度进行尝试，直到试出真正的秘钥。再复杂的加密法，都会有被破解的一天，因为只要电脑运算的时间够快，透过反复的try-error，总是有机会try出正确的解密秘钥，而密码也是一样，只要有足够多的尝试机会，再复杂的密码都有可能被破解。
暴力解码如果能给予无限的时间和无限的开支报销（无限计算机power的计算机得多贵啊），则理论上可以破解所有密码。只不过现实角度而言，我们要破解一个密码，破解一个密码用几百年是不现实的事情，有这个想法不如精心策划一场武装袭击来的现实。

Simple Substitution Cipher

单一置换加密，对Caesar cipher进行了改进，不再将全字符包按照固定规律偏移映射，而是将全字符按照乱序全映射。比起Caesar cipher复杂度显著提高。

加密与解密过程同Caesar cipher，掌握对应映射关系即可，不再演示。

问题点：明文中高频单词对应的也会出现在密文中，对攻击者而言，更容易从人的立场上思考和破解。如对于英文中，高频单词the，使用该加密法，不论如何the这个连续的三个字符都会对应到高频词表上，只要做一下统计就能找出t/h/e的映射表，然后再找单词中内含有the的单词，进行逐步推理，即可破解。

大家可以尝试一下这个有趣的思考题，每个小人的动作对应一个字母，根据已有的提示写出空缺部分。说到底这种破解方法很类似解数独。

密钥空间（key space）

对应加密算法可以使用的所有秘钥的集合，密钥空间的大小就是这个集合所有的元素总数，密钥空间越大，则暴力解码越困难。

对于单一置换加密算法，密钥空间是26！= 403291461126605635584000000

暴力解码攻击需要的时间：如果一秒解码10亿个，解码上述空间的秘钥也需要120亿年。

但是配合上频率分析，则简单的多了。我们已经分析过了，下面上一个例子。

上述密文，我们使用频度分析法来尝试破解。

上图为密文中字母出现的频率。

上图为所有英文词库中，所有字母的占比率。

把整体出现频率最高的用e来代替，由于Y和I都是最高频率，这里随机选一个Y。则密文变成上图所示。

然后考虑到英语中高频单词the。进行字母映射。

然后在考虑一些经常出现的单词。
半破解的密文，再来猜想和尝试：
$thethDWg-->the thing$
$grINe-->grace, grade, grape, grate, grave, gripe, grofe..$

解密这一个过程本身就是不断的try-error中得到正解。

Shich看到后我们可以联想到which，则S对应w。
thethingtoQRench，可以明确划分出the thing to QEench。QE可以猜测对应的单词quench，而hot ZuUUer也可以猜hot summer等……然后在联系上文是否有猜错的地方

可以得到一个半加密的密文，在这种情况下继续推测或者暴力解法都是可行的。

不断整理
猜猜猜

最终能得到置换表，也就是秘钥。

将对应的秘钥应用的密文中解码，即可得到明文。


总结：单一置换算法中，不仅高频字符是弱点，低频字符也是弱点。解码速度会随着只言片语的破解而越来越快。

多重置换密码

克服单一置换算法的弊端，让字符对应表尽可能均匀分布。

Hill Cipher

则有密文对应字母满足下矩阵表达式。C代表密文，P代表明文，K代表秘钥。
下图中明文是PAYMOREMONEY（Pay more money）

加密过程：
字母表共26字母，A是第一个，计算机中用0表示序号1。则对应的PAY分别是15.0.24。用该数值进行与key的行列运算。可以得到11 13 18，他们对应到字母表的顺序就是L N S。通过这种方法，不同字母可能运算出同一字母的密文，同一字母的密文也可能运算出不同字母的密文。也就说，置换的频率分布不再直接反映到明文中。

解密过程：
求秘钥K的逆矩阵，然后用该逆矩阵矩阵乘密文，就可以获得明文。

Vigenere Cipher

该密码技术有多个映射表，根据不同的情况选择不同的映射表，从而达到非单一映射的目的，也能解决单一置换密码的问题。
如，Key是 deceptive ，明文是 we are discovered save yourself

Key读取x坐标，明文读取y坐标。也就说key值为d时，映射表选取第四列，明文w对应的密文是Z。

对称加密技术

简单而言，加密与解密使用的密钥是相同的，就是对称加密。

Encoding：编码。将字符串变更为比特流，

XOR运算：（异或）

明文XOR秘钥=密文；密文XOR秘钥=明文。
首先，明确上述两个概念。

ONE-TIME PAD 绝对无法破解的密码

秘钥长度与信息本身一样长，保证密文中不出现任何固定模式，因而不可能对密文进行分析和推导从而破译。发送与接收方都持有一个相同的密码本，密码本每一页都有一个足够长的随机字符当做密钥。一旦密码本中的某一页用来加密或解密了，就毁掉这一页，加密下一条时，同理反复。只要保证密码本不泄露，则就拥有无法破解的加密。

现实性：这种密码技术虽然看似无敌，但是实际可操作性却很差。如何交换密码本？如果你们天各一方，通过邮件等方式本就不安全，而如果你们可以见面的话又没有加密通话的必要，因为你们可以直接交流。所以应用场景很少且实际操作性差是其显著特征。加密效率自然也低。

这次再次证明了安全性与可用性的天平特点，安全上无懈可击的ONE-TIME PAD密码技术，加密与解密都非常麻烦。

• 例：
  
  加密过程：
  
  解密过程：
  
  暴力解码的不可能性：
  1.不是暴力解码的范畴，ONE-TIME PAD并不是要在时间范围内破解密码，是因为根本无从得知秘钥空间。
  2.即便是无限计算机power的计算机也无法破解。
  3.即便得到了看似规整的明文，也不能确定是否是真正的明文。midnight, onenight, mistress 等有着相同的密文格式，那么你推理到的明文是真正的明文吗？无从判断。
  只有获得密码本才能解密。

DES(Data Encryption Standard)

最标准典型的对称加密标准，暴力解码可以破解。现在已经几乎被淘汰，曾经是世界上广泛应用于块加密的对称秘钥加密算法。采用56位秘钥加密64位明文。当n个64位数据块都经过DES加密处理后，所得得到的n个64位密文数据块的串联就是密文。

大体流程：对16个明文块进行加密，每次加密的子密钥也不同，加密后得到的16块密文串联即是完整密文。

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对于密钥：64位，其中8位校验位进行保留，实际有效数据只有56位。
下面我们来看一下详细的子密钥生成过程：

1. 子秘钥选择
   
   假设初始秘钥是K，以空格为分组间隔，每一组的最后一位是校验位，无实际意义，计算有效数据时会剔除掉。但是本轮选择中仍然使用，根据置换表，选择新密钥的组合。表中第一项是57，意味着K的第五十七位是新密钥的第一位，以此类推。可以生成一个新的预·子秘钥。
2. 左移与压缩置换
   
   选择到的预·子秘钥分成左右两部分，记为C_i和D_i，他们在进行左移操作后，会结合在一起并进行置换操作生成子秘钥K_i。同时他们也会预留一份到下一轮的操作中。
   左移操作：每次移动的位数是有标准规定的。每轮移动多少位，按照规定来。左移操作很简单，假如说左移1位，对于数据1010而言，即第一位放入队尾，其他数据均前移一位，得到的是0101。
   
   压缩置换：压缩置换可以将得到最终要用于加密的子秘钥，将56位压缩成48位。
   
   方法也是按照表，一一对应，按位将原组合对应到新的位置，然后就生成了新的子秘钥。

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对于明文，操作如图。需要注意的是每一轮的右数据会直接当做下一轮的左数据，而左数据与迭代运算后的右数据进行一系列运算后充当下一轮的右数据。
在DES里，有三个难点。分别是初始置换和最终置换，轮迭代运算，S盒压缩处理。

1. 初始置换和最终置换
   初始置换：按照初始置换表，将原数据的比特流完全打乱，以乱序形式进行过加密。只要算法没有问题，则按照规律打乱的乱序一定可以复原。
   
   同理对所有数据进行操作。初始置换和终止置换的原理是一样的，他们的排列方式是互逆的，经过初始置换和终止置换，64位明文就被还原了。
   例题如下：
   
   考虑的应该是原来1所在的位置现在在表格的哪里，而不是去表格中找对应位置是哪个数字。
2. 扩展置换：经过初始置换的原64位数据被分为左右32位数据两部分，其中一部分进行扩展置换到48位。
   
   扩展过程如下图所示。将32位数据分成八组，每组4位。在其首尾各添加一个空位，然后每一组的空首部继承上一组原尾部数据；每组的空尾部使用下一组的原首部数据。如果是第一组和最后一组，则视为他们二者相连，连接关系是8-1-2-3-4-5-6-7-8-1
   
   下面看一个动态图。
   
3. S盒压缩处理：
   
   
4. P置换，P置换过程非常简单，也是对应某一个表格进行对位换数，目的是增加密文的复杂程度、混乱度，尽可能避免解密。就不再过多赘述了。

块加密与流加密

块加密：将数据按照块为基本单位进行加密，典例就是DES加密。对大量数据加密效率高，条理。
流加密：将数据按位加密，典例是ONE-TIME PAD。

Feistel

与DES很相似的加密算法，同样是多轮迭代运算后计算出结果。过程稍微简单一些，第i轮迭代的输入Li-1和Ri-1来自于上轮迭代的输出，子秘钥由秘钥K推导而出。
Feistel建议使用乘积密码的概念来逼近理想分组密码。乘积密码是指依次使用两个或两个以上基本密码，所得结果的密码强度将强于所有单个密码的强度。Feistel密码交替使用代替和置换来进行加密解密。
代替：每个明文元素或元素组被唯一地替换为相应的密文元素或元素组。
置换：明文元素的序列被替换为该序列的一个置换。也就是说，序列中没有元素被添加、删除或替换，但序列中元素出现的顺序改变了。

3DES

解密过程则是用相同的key将上图中的加密、解密反转后操作即可。

AES

又称Rijndael 加密算法。加密过程如下图所示，首先要通过原密钥通过轮密钥加法生成子秘钥。我们以128位数据为例，按要求进行10轮运算，注意最后一轮运算没有列混合这一项操作。
整体流程是明文与密钥进行一次异或运算，然后再进行10轮规定的迭代运算。其中第十轮略有不同。

1.字节代换SubByte

高位字节作为行数，低位字节作为列数，根据S盒对应的映射表找到对应数据进行替换。
2.行移位ShiftRows
每一行分别左移x-1位。

3.列混合：将每一列乘一个固定的矩阵，得到一个新的结果代替原矩阵。

4.轮密钥加：将轮密钥和上面获得的矩阵进行疑惑运算，得到的最终结果就是这一轮的最终值。这是一轮的流程。

我们需要总共进行10轮上述流程，注意的是第十轮没有列混合，且我们一共使用到了11个轮密钥。