公鑰加密成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全趨勢

周尚彩

公共密鑰加密用于網(wǎng)絡(luò)安全，并且在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。

大多數(shù)人都熟悉加密，加密本質(zhì)上涉及到對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，并使有意義的數(shù)據(jù)顯示為位、字節(jié)或字符的隨機(jī)序列。

這是一個(gè)簡單的過程，通過這個(gè)過程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、傳輸，然后使用共享私鑰進(jìn)行解密。由于采用相同的密鑰用于加密和解密數(shù)據(jù)，因此被稱為對(duì)稱密鑰加密。另外，由于密鑰對(duì)公眾保密，因此也被稱為私鑰加密。

為什么工業(yè)領(lǐng)域不使用這樣一個(gè)簡單而安全的方法呢？因?yàn)檫@個(gè)模型有問題。發(fā)送方和接收方都必須共享密鑰的副本。如果雙方相距很遠(yuǎn)，比如說分布在2個(gè)半球上，那交換密鑰將很困難。

當(dāng)然，發(fā)送方可以將密鑰副本“郵寄”給接收方，但在這個(gè)過程中可能會(huì)有人攔截該密鑰，為自己制作副本，并開始“監(jiān)聽”對(duì)話。而這就是被稱為非對(duì)稱密鑰加密的公鑰加密發(fā)揮作用的地方。

公鑰加密的原理

公鑰加密指的是由對(duì)應(yīng)的一對(duì)唯一性密鑰（即公開密鑰和私有密鑰）組成的加密方法。它解決了密鑰的發(fā)布和管理問題，是目前商業(yè)密碼的核心。

假設(shè)愛麗絲想給鮑勃寄一封保密的信，她可以把信鎖在保險(xiǎn)箱里，把上鎖的保險(xiǎn)柜寄給鮑勃，鮑勃用鑰匙打開保險(xiǎn)柜，然后就可以看到信。這本質(zhì)上是對(duì)稱（私鑰）加密。但是，愛麗絲和鮑勃如何安全地共享密鑰副本？

愛麗絲有沒有辦法在不交換密鑰副本的情況下，安全地把信寄給鮑勃？有的。解決方案包括創(chuàng)建2個(gè)密鑰，一把是給保險(xiǎn)箱上鎖的公鑰，一把是用于打開保險(xiǎn)箱的私鑰。

繼續(xù)以此為例，鮑勃拿起解鎖的保險(xiǎn)箱，創(chuàng)建了2把密鑰，一把是私鑰（他保留的）和一把公共密鑰（他寄給了愛麗絲）。鮑勃接下來拿著公鑰和空的、解鎖的保險(xiǎn)箱，把它們都郵寄給愛麗絲。愛麗絲把她的信放在保險(xiǎn)柜里，然后用鮑勃郵寄的公共秘鑰鎖上保險(xiǎn)柜。愛麗絲把保險(xiǎn)柜寄回給鮑勃，鮑勃用他的私人密鑰打開保險(xiǎn)柜，看信。假設(shè)有人復(fù)制了鮑勃發(fā)給愛麗絲的公鑰，他無法打開保險(xiǎn)柜，也看不了信。鮑勃給愛麗絲的公鑰只能用來給保險(xiǎn)柜上鎖，而不能開鎖。

身份驗(yàn)證替代方法

無論誰訪問公鑰，愛麗絲都可以安全地將她的信發(fā)送給鮑勃。如果查理攔截了公鑰，假裝是愛麗絲打開安全鎖，這樣他就可以給鮑勃發(fā)送假信息了嗎？這就用到公鑰加密的另一個(gè)功能，即身份驗(yàn)證。

鮑勃?jiǎng)?chuàng)建了私鑰和公鑰。但是，為了說明身份驗(yàn)證的工作原理，讓我們舉一個(gè)新例子。鮑勃?jiǎng)?chuàng)建私鑰和公鑰，但是，愛麗絲也創(chuàng)建了自己的私鑰和公鑰。接下來，鮑勃和愛麗絲交換他們的公鑰，愛麗絲把她的公鑰寄給鮑勃，鮑勃把他的公鑰寄給了愛麗絲，和以前一樣，鮑勃把未上鎖的保險(xiǎn)箱發(fā)給愛麗絲。愛麗絲把她的信放在保險(xiǎn)柜里，用鮑勃提供的公鑰上鎖。

然而，這一次，愛麗絲還做了其他事情。她拿著自己的鎖，把它應(yīng)用到保險(xiǎn)柜上，用她創(chuàng)建的私鑰鎖住，愛麗絲然后把保險(xiǎn)箱寄回給鮑勃。這一次，在鮑勃用他的私鑰打開保險(xiǎn)柜之前，他首先拿了愛麗絲發(fā)給他的公鑰，并試圖打開愛麗絲的鎖。如果鮑勃可以使用公鑰打開鎖，這個(gè)鎖是愛麗絲使用她的私鑰鎖上的，那么鮑勃就知道這封信來自愛麗絲。這一過程稱為身份驗(yàn)證。愛麗絲應(yīng)用于保險(xiǎn)箱的鎖可以被視為簽名。

更多的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備正在采用公鑰加密。此外，許多基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）開始集成了https網(wǎng)頁支持功能，這也是基于公鑰加密的。

數(shù)字簽名使用私鑰加密特定數(shù)據(jù)，而使用公鑰進(jìn)行身份驗(yàn)證。

選擇安全設(shè)備

在現(xiàn)實(shí)世界中，我們?nèi)绾蝿?chuàng)建公鑰加密？有一種方法，與數(shù)學(xué)中一個(gè)有趣且非常困難的問題有關(guān)，那就是將大數(shù)分解為素?cái)?shù)。例如，考慮以下簡單的加密算法： me mod N=c在這個(gè)方程中，m是要加密的消息，e是用于加密消息的公鑰，N是2個(gè)質(zhì)數(shù)（N= P1*P2）的乘積，c是加密的消息。在我們的示例中，鮑勃選擇主要整數(shù)P1和P2，將它們相乘以計(jì)算出N。他還選擇了公鑰e。鮑勃隨后將e和N發(fā)送給愛麗絲，同時(shí)他自己保留了P1和P2。愛麗絲將她的消息m以及鮑勃發(fā)送的數(shù)字（e和N）代入上述方程中，以生成她的加密消息c，她將這些消息發(fā)送回鮑勃。一旦鮑勃收到來自愛麗絲的加密消息c，他只需使用以下公式對(duì)其進(jìn)行解密： cd mod N=m即可找回原始消息。

在這個(gè)等式中，他沒有使用他發(fā)給愛麗絲的公鑰e，而是使用他的私鑰d來解密消息。如果只有鮑勃能弄清楚d是什么，那么這就行得通了。使用歐拉函數(shù)j（N）計(jì)算d，其中d * e =k jN+1。歐拉函數(shù)j（N）的重要屬性是被稱為陷阱門的函數(shù)。如果P1和P2已知，計(jì)算j（P1*P2）很容易，但如果P1和P2不知道，則很難計(jì)算。

試圖解密消息的人可能會(huì)考慮獲取N（因?yàn)镹是鮑勃已發(fā)送給愛麗絲的公開信息），將N分解為2個(gè)質(zhì)數(shù)P1和P2，然后解密消息。然而，將大數(shù)N分解為素?cái)?shù)是非常耗時(shí)的。事實(shí)上很難實(shí)現(xiàn)，即使是使用超級(jí)計(jì)算機(jī)解決也不現(xiàn)實(shí)。這就是公鑰加密背后的真正力量所在。鮑勃可以用多個(gè)P1*P2來生成允許愛麗絲用于加密消息的數(shù)字N，但N是否公開并不重要，解密消息還需要了解P1和P2，只要鮑勃不公開這數(shù)字。

在選擇安全設(shè)備和配置安全設(shè)備時(shí)，對(duì)公鑰加密的理解也很有幫助。了解安全性有助于消除不必要的恐懼，相反，還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全采取更主動(dòng)的方法。