《演算法圖鑑》第五章：安全性演算法 Part 1

互聯網的時代，網際網路的安全性已不可或缺。時下透過網際網路傳輸數據時，主要有四個問題：「竊聽」( Eavesdrop )、「電子欺騙」( Spoofing )、「篡改」( Falsification ) 和「抵賴」( Repudiation )。

所以有了因應問題的安全性技術誕生，「竊聽」問題用「加密」( Encryption ) 防範 ; 「電子欺騙」和「篡改」問題用「信息鑑別碼」或「數位簽章」防範 ; 「數位簽章」也能防範「抵賴」問題。

讓我們來看看安全性和演算法怎麼防範這些問題！

加密 ( Encryption )

圖片引用自：Encryption

假設 A 打算透過網際網路傳送數據給 B，為避免資料內容被第三方輕易取得，因此把需要保密的資料/明文加密 ( Encryption ) 後在送出，加密後的資料稱為「密文」( Ciphertext or Cryptogram )。

B 為了讀取保密前的原始資料/明文 ( Cleartext or Plaintext )，所以需要解密 ( Decryption ) 。

雜湊函數 ( Hash Function )

圖片引用自：https://www.thesslstore.com/blog/difference-sha-1-sha-2-sha-256-hash-algorithms/

1. 雜湊函數 ( Hash Function ) 又稱雜湊演算法 ( Hash Algorithm )，可以將輸入的資料轉換成固定長度且不規則的雜湊值/雜湊碼 ( Hash value / Hash code / Hash sum / Hash )。
2. 輸入的資料相同時，必定會輸出相同的雜湊值；反之，只要一點不同就會輸出不同的雜湊值。
3. 有時 ( 機率低 )，輸入的資料完全不同時卻得到相同的雜湊值，稱為「雜湊碰撞」( Hash Collision )。
4. 雜湊值是不可逆的，無法由雜湊值反推出原始資料。

輸入和輸出都為單向的，所以雜湊函數/雜湊演算法不是加密。

目前著名的雜湊函式有 MD5、 SHA-1、SHA-2，目前 MD5 和 SHA1 都已經被破解。

所以目前普遍使用 SHA-2

實際案例：一般來說，使用者輸入的密碼保存在伺服器時，也是使用雜湊函數，藉由輸入密碼的雜湊值與資料庫裡的雜湊值做比對。即便資料庫雜湊值被取得，也因為雜湊值不可逆的特性而無法得知原始碼。

密碼學、Hash、編碼

共用金鑰密碼學 ( Shared-Key Cryptography )

圖片引用自：https://ehindistudy.com/2015/10/01/symmetric-and-asymmetric-key-cryptography-in-hindi/

1. 共用金鑰密碼學 ( Shared-Key Cryptography ) 是加密和解密時使用相同金鑰的加密方法，又稱「對稱式密碼學」( Symmetric Cryptography )。
2. 假設 A 打算透過網際網路傳資料給 B，A 用金鑰加密資料產生密文 ( Ciphertext ) 並傳送給 B，B 用相同的金鑰解密 A 傳來的密文，取得原始明文。
3. 共用金鑰密碼學包括「凱薩密碼」( Caesar Cipher )、「AES」( Advanced Encrypyion Standard )、「DES」( Data Encryption Standard ) 和「一次性密碼本」( One-Time Pad)。
4. 但金鑰有被偷窺的風險，所以共用金鑰密碼系統需要能安全傳送金鑰的方法，稱為「金鑰傳送困難」問題，解決的辦法包括了「金鑰交換協定」和「公開金鑰密碼學」。
5. 對密碼加密的方法，可分為加密和解密使用相同金鑰的「共用金鑰密碼學」及使用不同金鑰的「公開金鑰密碼學」。

講到密碼，就一定會想到英國數學家 Allan Mathison Turning !

【GENE思書軒】天才艾倫‧圖靈的一生 - PanSci 泛科學

公開金鑰密碼學 ( Public-Key Cryptography )

圖片引用自：https://ehindistudy.com/2015/10/01/symmetric-and-asymmetric-key-cryptography-in-hindi/

1. 公開金鑰密碼學 ( Public-Key Cryptography ) 是加密和解密時分別使用不同的金鑰，又稱「非對稱式密碼學」( Asymmetric Cryptography )。
2. 加密使用的金鑰稱為「公開金鑰」( Public-Key )，解密的金鑰是「私密金鑰」( Private-Key )。
3. 假設 A 打算透過網際網路傳資料給 B，資料接收者 B 必須先製作一組公鑰和私鑰，然後把公鑰傳給資料發送者 A，A 使用 B 傳來的公開金鑰加密資料，並將密文傳送給 B，B 收到後用自己的私鑰解密密文就能取得原始資料。
4. 公開金鑰密碼學包括了「RSA 加密演算法」和「橢圓曲線密碼學」( Elliptic-Curve Cryptography ) 。
5. 因為密文無法用公鑰解密，所以不怕第三方偷窺，所以公開金鑰密碼學沒有共用金鑰密碼學的「金鑰傳送困難」問題，而且公開金鑰密碼學還能同時與多人傳輸資料。

公開金鑰的問題

1. 公開金鑰可信度問題的成因是因為 A 無法判斷接收到的公鑰製作者是否為 B，進而延伸出使用「數位憑證」的方法。
2. 公開金鑰另一個問題是加密和解密都很費時，因此不適合高頻率連續傳輸資料，因而衍生出「混成密碼學」。

《演算法圖鑑》讀書心得系列文章

《演算法圖鑑》第一章：資料結構

《演算法圖鑑》第二章：排序

《演算法圖鑑》第三章：陣列搜尋

《演算法圖鑑》第四章：圖形搜尋