前言：未经作者允许，严禁转载抄袭
生活中，必不可少的需要懂一点密码学的常识。从古至今，信息传递关于保密方式的故事有很多。在此不一一列举。今天，笔者想用一段孽缘爱情故事，通俗易懂的讲一讲现代密码学的基础理论。
话说，在七侠镇学校里，张三和隔壁班的依依处对象；
依依天资艳丽，活生生的是个美人胚子；
张三呢，也有两把刷子，对计算机编程比较熟悉，给依依修了多次电脑后，终得美人芳心。为此，张三无比珍惜与依依的感情关系；
七侠镇学校里还有个号称华北地区服务器最多的男人，江湖人称“老王”。老王喜欢依依很久，一直想给依依能修修电脑（顺便给电脑里装个木马，方便每天都能看看依依）。但始终被张三抢先得逞。郁郁不得志..
早点混迹江湖还有七侠镇的老镇长，是一个传说中的人物。江湖传闻，老镇长徒手能拆电脑，坐能逆向木马，是国际勒索病毒联盟早年克星之一。正因为行侠仗义，老镇长在七侠镇颇具威望。
（老镇长）
一、怎样才能不被偷听——加密
在恋爱期间，张三和依依两人都没有安全意识。晚上谈一些不可描述性的话题时，总是被人偷听，两人为此苦恼很久。而偷听者就是老王。具体偷听过程如下：
张三非常苦恼，想了很久。终于在《王宁密码学》这本书中了解到加密的说法。“对呀！，只要能够将我和依依的对话进行加密，这样，就不害怕被别人偷听” 张三自言自语道。说干就干，他先和依依上商定一个密钥key（key 是一个随机数，别人猜不到）。从此张三和依依每天晚上就用这个key来对他们不可描述性的一些话题进行加密保护，如下图：
备注：从图可知，依依在说话前对消息内容加密。发送消息时，不再直接发送传递“我爱你，三儿，今天你有空吗？”这么直白的明文，而是“&&%&@@22*&*”这种谁都看不懂的密文。即使被老王窃听到了，老王也看不懂，到底依依说了什么，是否老王还有机会？
张三在收到密文后，先用key对其进行解密，得到原始消息内容(我爱你，张三，今天你有空吗)。此时，张三开心的笑了...有空呀，嘿嘿
原理：
1. 这种加密方案在密码学里称为对称密码，加密方和解密方使用的是相同的密钥。
2. 知名的密码算法有 AES（2001）、Blowfish（1993）、DES（1977），再远一点，有二战时期的恩尼格码（转轮机原理，德国）、紫色密码（转轮机原理，日本），以及著名的凯撒密码、栅栏密码等。
3. 密码学里的“密码”和现实生活中的“密码”不是一回事儿！后者一般指的是口令（password），比如登录淘宝、QQ、ATA输入的那个。
一切就和读者想象的一样，张三和依依开启了一段幸福又疯狂的日子，日子就这样过着，原本以为两个人能一直幸福下去，谁知，道高一尺，魔高一丈，老王又来了…
二、如何交换密钥 ——非对称加密
老王自从发现依依的消息自己听不懂后，寝食难安。“到底依依怎么样了，依依还好吗？我该怎么办呢？” 果然号称华北地区服务器最多的男人老王，牛皮不是吹的。思考几天后，“这对狗男女一定是用了加密手段！这什么难的，能加密的住我老王？可笑！”
说干就干，老王随即找到破解方法：
破解过程和思路就是，老王发现依依和张三经常会更换key。只要能来窃取key，有了key以后，老王就又能知道依依说的消息。自此，老王心里默想：“好白菜哪能让猪给滚了，我坚决不同意！”
有了key在手，老王每次都能像张三一样，听到依依都说了什么，进而采取必要措施，防止小白菜被猪滚。
张三也不是吃素长大的，每次都让老王得逞，打脸！回家重新研究《王宁密码学》，又有了新得绝招，非对称加密。具体过程如下：
张三搂着依依，大清早就把依依从睡梦中叫醒。
他和依依商量后，写下一对公钥、私钥。私钥（pri）由张三自己保管，而公钥（pub）则给依依。“亲爱的，以后你有什么想说的话，再给我发送之前，就先用公钥对信息内容加密。然后，我再用私钥进行解密。这样就不怕我们的消息被人偷听，破坏我们约会了？” 张三搂着依依，含情脉脉的对她说。“嗯嗯”，依依应允点头，靠在张三的肩上，仟细的胳膊搭在张三的胸前，“三儿，有你真好，能让我安心”
张三看了看依依的俏皮的小脸，忍不住狠狠亲了一口。随即，掏出一根烟，“啪”的点着。深邃的眼神凝视着房间的天花板，猛扎了一口，若有所思的自言自语，“依依，你要万分注意，只有私钥才能解密，即使偷听的人能够在你发送消息的时候窃取了公钥（pub），偷听者也是无法解密的！” “三儿，我知道了，我会每次记住用公钥加密内容的，你也保护好自己哦”。
备注：张三心理还是给自己留了空间的，假如以后还能有女朋友，也是可以把同一个公钥都发送给她们，每个女友都用这个公钥和自己通信。构成“多对一”的通信关系，就不用担心女友A能够偷听女友B和自己的聊天内容，因为毕竟公钥（pub）是无法解密的。对比之前的对称加密，张三则必须为每个女友都分发一个不同的key，这样非常容易搞乱关系，说错话。这就是非对称加密的魅力所在。
原理：
1. 上文提到的加密方式在密码学里称为非对称密码，所谓“非对称”指的是加密方和解密方用的密钥不一样。
2. 知名的非对称算法有：DSA（数字签名算法，只能用于签名，1991）、ECC（椭圆曲线加密，1985）、RSA（公钥加密算法，1977）等。
3. 这些算法除了用于加密外，还可以用于数字签名，本文后面会讲到。
4. 非对称算法有个致命弱点： 性能很低。实际应用中一般采用混合加密体制、哈希签名体制。
老王发现又听不到依依的消息，非常焦虑。苦心研究功法半年后，正式出山！再一次来到了这两人身边，老王是否能够解救在“水生火热”中久久不能自拔的依依？而张三又是否继续能和依依一直幸福下去，下一节更加精彩！
三、如何防止数据篡改——MAC
话说，老王在苦心研究功法半年后，功力绝非半年前可比。
这一次，老王决定不去做偷听这种没有技术含量的工作。而是转为修改依依和张三的对话， 来让依依知道张三也不是个好东西。此时，原本他把依依的原话“我爱你，三儿，今天你有空吗？” 直接改为“张三，我决定和你分手，我已经厌倦了你和你的身体，够了”。但是此时张三却不知道已经被篡改，还以为是依依的原话。张三听到依依的消息后，苦恼很久，，，，“难道她是知道了我做出格的事了？还是真的已经腻了？也怪自己一直迷恋计算机基础知识，没给她带来一些新的花样，新鲜确实是爱情的保鲜剂，，哎，，，怪我”
张三在接到消息后，立刻当面找到依依对质，发现：“纳尼？？什么情况？依依还是爱我的呀，X了狗，一定有人在篡改依依的消息。” 是可忍孰不可忍，张三其实这半年，早就把《王宁密码学》熟读多遍，对这种套路的应对，早就烂熟于心。很快他就想出对策：
备注：为了简单起见，本例仅展示防篡改的情况，没有对 message 做加密。
张三的绝学就是：
上图中的MAC指的是 消息认证码（Message Authentication Code），具体解释：
1. 传入两个参数 message 和 key，进行一系列计算后得到一个值叫 MAC
2. 只有 message 和 key 相同的情况下，才能得到相同的 MAC
原理：
1. 跟对称加密一样，张三和依依会事先协商一个 key。
2. 依依使用 key 对 message 计算出一个 MAC1，并把 message + MAC1 发给张三。
3. 张三收到消息后，用自己的 key 对 message 计算出一个 MAC2，再比较 MAC1 和 MAC2 是否一致。
4. 根据 MAC 的性质，如果 message 被篡改，那么计算得到的 MAC2 一定不等于 MAC1，验证失败，张三得出结论：有人篡改了依依的消息。
5. 由于仅依依和张三拥有 key，所以别人无法篡改 message 后伪造出一个有效的 MAC。
6. 在检测篡改方面，还可以用HASH（散列）算法，包括MD5、SHA1/224/256/384/512等。比如版本控制系统GIT就使用SHA1来检查文件是否有修改。
7. 消息认证码有多种实现方式，其中最常见的是 HMAC（Hash MAC），即使用哈希算法来实现 MAC，还有一种是基于分组密码算法的 MAC，不常见。
四、如何校验身份—— MAC
同时，老王还可以冒充身份，恰恰MAC也可以识别：
老王发消息给张三，说“三儿，我是依依”。如果没有校验措施，张三可能就中招。同样，张三可以用以下方式进行防范：
因为只有依依和张三拥有相同的 key，所以张三只有在校验 MAC 成功时才会相信对方是 依依。而老王没有这个 key，伪造的 MAC 必然会校验失败，进而计谋不能得逞。
原理：
1. MAC包含几种实现方式：基于 HASH 的 MAC 称为 HMAC，应用比较广泛。
2. 还有阿里云的 Access Key，其实就是 HMAC 的原理。
3. 有时候在两个系统之间API调用时，会使用同一个 key 做 md5 计算来实现 API 鉴权，这称为“加盐HASH”，可以简单理解为 HMAC 的简化版。
4. 如果 key 被窃取该怎么办？这可以用 数字签名来解决。
五、数字签名的威力
数字签名，这个“签名”基本可以想象成现实生活中手写的签名，具有类似的作用。原理上和非对称加密有点像。但，有个很大的区别，发送方是用 私钥 进行签名，而接收方用 公钥进行验签，这跟加密情况正好相反。
张三一朝被蛇咬，十年怕井绳。对用MAC地址验证消息还是心存疑虑。他决定用更为强大的数字签名来校验消息是否被篡改，请看下图：
上图的亮点在于：由依依事先生成一对 公钥（pub）和 私钥（pri），并把 公钥 发送给张三，依依用 私钥 加密，张三用 公钥 验证。验证失败说明消息被篡改。
同时，张三的用的数字签名也可以应用到身份校验（也就是，就算老王会易容术，化作依依当面来拆散他两，张三也是能够识别出是真依依还是假依依）。
因为老王没有依依的私钥，所以无论如何他怎么伪装，也没法冒充依依的身份。
六、公钥的身份证——数字证书
如果你认为老王就因为非对称加密和数字签名的作用就此罢休，那么真的太低估老王的功力。毕竟老王被街坊领居成为华北地区服务器最多的男人啊！
伪造公钥！对没错，就是伪造公钥。
原理：
之前讲到的，张三需要事先，生成 公钥（pub）和 私钥 （pri），然后把 公钥 分发给依依。那么攻击过程就从这入手：
1. 老王生成自己的一对公钥1（pub） 和 私钥1（pri），截获张三的 公钥，并用自己的 公钥1 冒充张三的公钥发给依依。如下图：
2. 依依用 公钥1 加密消息，发送出去。
3. 老王截获依依的消息，并用私钥1解密得到消息明文。
4. 老王伪造一个假数据“三儿、我还是想和你分手，隔壁的王大哥人很好，我觉得依依更适合他”，并用 公钥 加密后发给张三。
5. 张三用 私钥 解密，拿到被修改后的消息，以为真的是依依发给他的。
这是个“偷天换日”的过程，老王通过伪造公钥（中间人攻击），不光窃听到依依的消息，还能保证整个过程中依依和张三都没有察觉！
再来看一下老王怎样用伪造公钥的方式来冒充身份。之前讲到，依依需要事先把自己公钥发给张三，所以攻击过程就从这入手：
1. 老王生成自己的 公钥1 和 私钥1，截获依依的 公钥，并用自己的 公钥1 冒充依依的公钥 发给张三，如下图：
2. 依依用正常 私钥 进行签名，并发给张三。
3. 张三手里拿的是被伪造的 公钥1，所以对依依的 sign 会验签失败，认为对方不是依依。
4. 老王用自己 私钥1 进行签名，并发给张三。
5. 张三用被伪造的 公钥1 进行验签，可以验签成功，认为对方是依依。
这个过程中，老王通过伪造依依的 公钥，成功冒充了依依的身份。
这种伪造 公钥 的攻击方式让张三很头疼，思考许久，终于想到办法。这次他找来了七侠镇最具有权威的人（老镇长）。文章开头有介绍过，老镇长非常具有权威性，而且能保证自身不受攻击（或者别人不敢攻击）。
老王不是喜欢伪造公钥嘛，张三这次就要请老镇长为自己的公钥注册一张 “身份证” （数字证书）。见证如见人！以下是注册数字证书的过程：
1. 张三请求老镇长为自己的 公钥 注册一个证书。
2. 老镇长收到请求后，用自己的 私钥2 对 张三的 公钥（以及身份信息） 进行签名，得到一个 sign。
3. 老镇长把证书 certificate = pub + sign 颁发给张三。
4. 张三把自己的证书 pub + sign 发给依依。
5. 依依使用老镇长的 公钥2 对 sign 进行验签，如果校验成功则说明 公钥 的确是张三的公钥，因为他相信老镇长的权威性。
备注：老王不可能找老镇长为他也办张三的数字证书，因为老镇长不会同意，就像警察不会给笔者办一张别人的身份证一样。所以，老王无法伪造张三的 公钥。同理，为了防止 老王伪造 公钥 来冒充身份，依依也需要向老镇长注册自己的 公钥，得到一个数字证书，用于防止别人伪造 公钥。
补充：
1. 考虑到非对称算法的效率问题，实际应用中一般是先对数据进行哈希，然后才用私钥对哈希值（摘要）进行签名。
2. 老镇长在密码技术领域中一般称为 认证机构（Certification Authority，即 CA）。
3. 以数字证书为基础，业界制定了一系列的规范和规格，比如由谁颁发证书、如何进行颁发、如何作废证书等，称为 公钥基础设施（Public-Key Infrastructure，即 PKI）
七、总 结
自从有了老镇长的帮助，依依和张三从此过上了没羞没臊的幸福生活。
老王呢、还是老王。这个被号称为华北地区服务器最多的男人收拾好行李，准备去京城深造，爱情的力量往往有时候是伟大的！这个男人依旧在想尽办法，想要重新夺回属于自己的依依。
到底隔壁老王能否成功从张三手里抢回依依？同时，张三多重撩妹的内幕到底会不会被依依察觉发现，请听下回分解！
