摘要密碼學與資訊安全

整理一些密碼學 (Cryptography) 與資訊安全 (Information Security) 的專有名詞、重要概念、密碼學演算法、應用協議、資訊安全概念，主要資料都參考自 Wikipedia。

本文非一次性整理，相關筆記漸進式整理上來。

本文只是個人學習的梳理，可能有誤，如有建議歡迎給予指導，感謝。

一、專有名詞與重要概念

專有名詞的寫法統一格式：縮寫, 英文原文 - 中文翻譯

cryptography: 密碼學
cryptographic algorithms: 加密演算法
- symmetric encryption: 對稱式加密
- asymmetric encryption: 非對稱式加密, 一對金鑰，分別是 Private Key (私鑰) 以及 Public Key (公鑰)
encrypt: 加密
decrypt: 解密
key: 一般來說都翻譯成 金鑰，類似於真實世界的鑰匙概念。
plaintext: 明文, 尚未經過加密處理的原始資料。
ciphertext: 密文, 明文經過加密演算法所產生的
digital signature: 數位簽章
- DSA, Digital Signature Algorithm 數位簽章演算法
OTP, one-time pad 一次性密碼
brute-force attacks 暴力攻擊

Public Key Infrastructure, PKI

Public Key Infrastructure, PKI, 公開金鑰基礎建設: 又稱公開金鑰基礎架構、公鑰基礎建設、公鑰基礎設施、公開密碼匙基礎建設或公鑰基礎架構，是一組由硬體、軟體、參與者、管理政策與流程組成的基礎架構，其目的在於創造、管理、分配、使用、儲存以及復原 數位憑證。

簡單說，PKI 的目的是：

如何確認我拿到的 Public Key 真的是對方發的 Public Key？

由以下成分組成：

用戶: 使用 PKI 的人或機構
CA (Certification Authority, 認證機構): 頒發憑證的人或機構
Repository: 儲存憑證 (Certificate) 的資料庫

Public Key Certificate

Public Key Certificate 公開金鑰認證, 又稱 數位憑證 (Digital Certificate）或 身份憑證（Identity Certificate)。用來證明擁有 公開金鑰 的身份數位識別，這個識別裡必須包含 公鑰資訊、擁有者身份、數為憑證認證機構，也就是 (用戶 Public Key + 識別資訊) + (CA Public Key) + CA 資訊

電子憑證的儲存形式，常見的有兩種：
- PEM：全名 Privacy Enhance Mail，ASCII 使用 Base64 編碼後的憑證。
- DER：全名 Distinguished Encoding Rules，二進位編碼的憑證，通常以 .cer、.crt、.der 檔案出現。
把憑證跟私鑰一起儲存，則使用 PKCS#12 (.p12) 格式
- RFC5958: Public-Key Cryptography Standards (PKCS)
憑證種類：自簽憑證、根憑證、中介憑證、授權憑證、終端實體憑證 (TLS 伺服器憑證、萬用字元憑證、TLS 客戶端憑證)
X.509：一種廣泛使用的憑證標準格式，v3 的標準是 RFC 5280
- CSR: Certificate Signing Request 憑證簽章請求

Process of Digital Certificate

下圖是數位簽章的工作流程，分成兩個部分：

上圖左邊 Sender 的部分，也就是想要傳送資料的人，步驟如下：

Sender 使用雜湊演算法 (Hashing algorithms)，計算待傳送資料 (Data) 的雜湊值 (Hash)
- 常見的雜湊演算法：MD5、SHA-family
- 可以透過 openssl dgst -h 找到相關的演算法。
- 這個雜湊值也稱為 指紋 (Fingerprint)
Sender 用自己的 私鑰 (PrivateKey) 對步驟 1) 的 Fingerprint 進行加密，產生 簽章 (Signature)
- 這個動作叫做 簽名 (Signing)，用來代表證明是 Sender 送過去的 認證
Sender 將 (簽章和原始資料) 寄給 Receiver.
- Sender 應該要透過其他方式，對其他人 (包含 Receiver) 公開公鑰 (PublicKey)
- Data + Signature 稱為 數位簽章資料（Digitally signed data）

這個過程用 openssl 範例如下：

# 原始資料 (Data)
❯ cat Service.manifest

service-id: gt.shorturl
service-owner: rickhwang@abc.com
service-init: 2020/01/22

# 取得資料的指紋 (Fingerprint)，範例使用雜揍演算法為 SHA1
## 註：MD5 / SHA1 已經都被證實會產生碰撞造成不安全
❯ openssl dgst -sha1 Service.manifest
SHA1(Service.manifest)= b3903ad5463fb72f5bad31088c43aae76fe4ce4c


# 透過 OpenSSL，使用 Private Key 與 sha1 簽一份檔案，產生簽章
## 一次完成步驟 1), 2)
openssl dgst -sha1 \
        -sign serviceA-rsa-4096bit.private.pem \
        -out Service.manifest.sha1 \
        Service.manifest

❯ cat Service.manifest.sha1
S~�h�s
            W�۳|2{
                        ���~m�c�B�3�fc��n�B�s�ܭX���]v=1[�E=�{��ӭ�Cdg%���2 0���R
Sb��O�p�w�
	qB|a�Ĺ�Ƌ��!�>{�^,��8�oDc

## 轉 Base64
❯ cat Service.manifest.sha1 | openssl enc -base64 \
        -out Service.manifest.sha1.enc

❯ cat Service.manifest.sha1.enc
R15c71gPo/y8fhuJNFMrMHEMuOZ4SVYHlYvm2TWCJgoHoOsK+5+EsnmNbKk1eNFY
xZsREPZbR549dMtPStJ+2/1OoTfrIWfrNM0lmEFCNqC1a8XiuM3BerUx1HAbwC0u
...
/OKSfK1/l2DMLXl1hafMzB3pHQiymkBLa0ZescTVD1t7BSfau08bu/aBvRHxbefS
Xn46kKqkIhdlnOObWMQEjC1cuSXMg3N4chmuLAD4R1c=

寫成 psudo code 大概長這樣：

1
2
3

Fingerprint = Hash(Data, HashFunction);
Signature = Signing(Fingerprint, PrivateKey);
send (Signature, Certificate);

上圖右邊 Receiver 的部分，接收到資料後，確認是 Sender 寄來的過程：

Receiver 會收到 Sender 寄來的 Data + Signature 兩個東西。
Receiver 首先透過 Sender 對外公開的公鑰 (PublicKey) 對簽章進行解密，取得 Sender 簽名之前就計算好的 HashCode (Fingerprint)
Receiver 使用跟 Sender 相同的 Hash 演算法計算出原始資料 (Data) 的 Hash 值
- Sender 使用的演算法是簽章中的明文資訊，Receiver 可以從中得知
Receiver 比較前兩步驟中得出的 Hash 值，兩者一樣，則驗證成功，反之則失敗

# Receiver 取得 PublicKey 及 Service.manifest.sha1 簽章檔，
# 驗證檔案確實是由 Sender 所簽發出的
openssl dgst -sha1 \
        -verify serviceA-rsa-4096bit.public.pem \
        -signature Service.manifest.sha1 \
        Service.manifest
Verified OK

同樣的用 psudo code 表示這段：

DigitallySingedData = (Signature, Certificate);

PublicKey = Certificate?.GetPublicKey();
HashFunctionName = Certificate?.GetHashFunction();

DataHash = Hash(Data, HashFunctionName)
SignatureHash = Decrypt(Signature, PublicKey)

return (DataHash == SignatureHash);

數位簽章滿足密碼學以下的特性：

Integrity (完整性)：確認檔案沒有在傳輸過程中遭到竄改
Authentication (認證)：Receiver 透過公鑰 (PublicKey) 驗證收到的訊息是否真的是 Sender 本人送過來的。
Non-repudiation (不可否定性)：Sender 無法否定對於其所寄出的訊息的所有權 (Ownership)，因為其私鑰已經參與在產生簽章的過程中了，且此私鑰是只有該持有人才知道的。

數位簽章常見的應用：

TLS/SSL
JWT

Cryptographic Hash Function

Cryptographic Hash Function 密碼雜湊函式: 又譯為 加密雜湊函式、密碼雜湊函式、加密雜湊函式，是雜湊函式的一種。它被認為是一種單向函式，也就是說極其難以由雜湊函式輸出的結果，回推輸入的資料是什麼。這樣的 單向函式 被稱為「現代密碼學的馱馬」。

常見的雜揍演算法：

MD5
SHA-1
RIPEMD-160
Whirlpool
SHA-2
SHA-3
BLAKE2
BLAKE3

二、密碼學

Symmetric-key Algorithm 對稱式演算法
Asymmetric Cryptography 非對稱式密碼學

Symmetric-key Algorithm (對稱式演算法)

也稱 Symmetric-key Cryptography (對稱金鑰密碼學)，加密、解密的雙方，使用同一把密鑰對明文或者密文加密、解密。他的優點是快速，缺點就是雙方都會取得同樣的密鑰。

常見的演算法：

DES (Data Encryption Standard)
3DES
AES
Blowfish
IDEA
RC5
RC6

Asymmetric Cryptography (非對稱式密碼學)

也稱 Public-Key Cryptography (公開金鑰密碼學)，簡稱 公鑰密碼學，主要是 Asymmetric Algorithm (非對稱金鑰演算法) ，相對於對稱金鑰密碼學，最大的特點在於 Encrypt (加密) 和 Decrypt (解密) 使用不同的金鑰。

RSA: 1977 年由 Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman 三人共同提出的非對稱加密演算法。
Diffie-Hellman (迪菲-赫爾曼密鑰交換)

RSA Format

RSA 的格式有很多種，不同平台程式使用的有所不同，以下整理自 cryptosys 的規格：

Binary DER-encoded format

PEM or base64 format

-----BEGIN FOO BAR KEY-----
MIIBgjAcBgoqhkiG9w0BDAEDMA4ECKZesfWLQOiDAgID6ASCAWBu7izm8N4V
2puRO/Mdt+Y8ceywxiC0cE57nrbmvaTSvBwTg9b/xyd8YC6QK7lrhC9Njgp/
...
-----END FOO BAR KEY-----

XML format: W3C 和 .NET 的標準格式，以 XML 呈現的資料結構，如下：

<RSAKeyPair>
    <Modulus>4IlzOY3Y9fXoh3Y5f06wBbtTg94Pt6vcfcd1KQ0FLm0S36aGJtTSb6pYKfyX7PqCUQ8wgL6xUJ5GRPEsu9
        gyz8ZobwfZsGCsvu40CWoT9fcFBZPfXro1Vtlh/xl/yYHm+Gzqh0Bw76xtLHSfLfpVOrmZdwKmSFKMTvNXOFd0V18=
    </Modulus>
    <Exponent>AQAB</Exponent>
    <P>9tbgIiFMXwpw/yf85bNQap3lD7WFlsZA+qgKtJubDFXCAR35N4KKFMjykw6SzaVmIbk80ga/tFUxydytypgt0Q==</P>
    <Q>6N6wESUJ0gJRAd6K6JhQ9Xd3YaRFk2sIVZZzXfTIWxKTInOLf9Nwf/Wkqrt0/Twiato4kSqGW2wU6K5MnvqOLw==</Q>
    <DP>l0zwh5sXf+4bgxsUtgtqkF+GJ1Hht6B/9eSI41m5+R6b0yl3OCJI1yKxJZi6PVlTt/oeILLIURYjdZNR56vN8Q==</DP>
    <DQ>LPAkW/qgzYUi6tBuT/pszSHTyOTxhERIZHPXKY9+RozsFd7kUbOU5yyZLVVleyTqo2IfPmxNZ0ERO+G+6YMCgw==</DQ>
    <InverseQ>
        WIjZoVA4hGqrA7y730v0nG+4tCol+/bkBS9u4oiJIW9LJZ7Qq1CTyr9AcewhJcV/+wLpIZa4M83ixpXub41fKA==
    </InverseQ>
    <D>pAPDJ0d2NDRspoa1eUkBSy6K0shissfXSAlqi5H3NvJ11ujNFZBgJzFHNWRNlc1nY860n1asLzduHO4Ovygt9DmQb
        zTYbghb1WVq2EHzE9ctOV7+M8v/KeQDCz0Foo+38Y6idjeweVfTLyvehwYifQRmXskbr4saw+yRRKt/IQ==
    </D>
</RSAKeyPair>

PEN to XML 的轉換工具： https://the-x.cn/en-US/certificate/PemToXml.aspx
.NET API: https://docs.microsoft.com/en-us/dotnet/api/system.security.cryptography.rsacryptoserviceprovider?view=net-5.0

Diffie–Hellman key exchange

也稱為 DH 演算法，由美國計算機科學家 Hellman、Diffie 和 Merkle 發明，同時也是一種安全協議。

DH 演算法可以讓雙方在完全沒有對方任何預先資訊的條件下，在一個公開、不安全通訊管道中建立起一個金鑰，這個金鑰可以在後續的通訊中，作為對稱金鑰來加密通訊內容。

簡單說：

公開的告訴地告訴對方密碼，卻不用擔心密碼不被竊聽

DH 演算法本身是一個匿名（無認證）的金鑰交換協定，它卻是很多認證協定的基礎。

更多參閱 Widipedia 的介紹。

三、協議系統

整理一些基於密碼學與資訊安全、常見的安全協議系統：

應用層
- PGP (Pretty Good Privacy，優良保密協定): 是一套用於訊息加密、驗證的應用程式，採用IDEA的雜湊演算法作為加密和驗證之用。
- DKIM, DomainKeys Identified Mail 域名密鑰識別郵件:
- HTTPS / TLS 安全通訊協議
- mTLS: Multiplexed Transport Layer Security
- SSH
- OAuth
- JWT
密鑰管理
- Kerberos: Kerberos是一種計算機網絡認證協議，它允許某實體在非安全網絡環境下通信，向另一個實體以一種安全的方式證明自己的身份。
- X.509: 簡稱 PKIX，公鑰憑證的格式標準。應用在包括 TLS/SSL 的眾多網路協定。
域名系統
- CAA, DNS Certification Authority Authorization - DNS 憑證頒發機構授權
- DNSSEC
- DNS over HTTPS
網路層
- IPSec
- L2TP
- OpenVPN
- PPTP

常見問題

Q: 很多網站都宣稱使用 HTTPS 加密了，為什麼還會出現訂單外洩、帳號密碼被盜的新聞事件？

HTTPS 是 傳輸層加密，也就是在網路上資料傳輸過的加密。訂單外洩、帳號密碼被盜 則是另外兩個層次的問題。

用這樣的例子來說明：

你寫一封信，要寄給心儀的對象，但是擔心信件交給郵局、經由郵差送到對方家，信件經由對方家人轉交給心儀的對象，她打開來看確認是你寫的信。

這個過程分以下 階段：

一、你寫一封信，將內容放在信封裡
二、到郵局寄出這封信
三、信件經郵局分配、轉發給指定郵差
四、郵差送到對方家，對方家人收到
五、信件經由對方家人，轉交給心儀的對象
六、心儀的對象打開信件

所以 傳輸層加密，指的是 階段二 到 階段四 的過程，也就是內容經過信封包起來之後，轉交出去就算是傳輸加密階段了。這過程稱為 Data Encryption in Transit。這個過程是要避免郵差、郵局的人看到內容，但他們可以知道這封信要去哪裏。HTTPS 像是針對這個信封做了很嚴謹的規範，例如要使用標準信封、要填郵遞區號、字跡要工整 … 諸如此類的。階段三 以郵局的例子來說，實際上還會經過各種分局、貨運、分配中心，所以會經手的人很多。而網路世界的路由，跟真實世界的物流很像，資料會經過各種網路設備，路由器、交換機、Gateway …. 等。

階段六：收到信件，打開信封讀取內容的過程。大部分的人寫信不會針對信件內容再做什麼手腳，不過有時候擔心信件被對方家人拆開來做，這時候跟心儀對象先約定一個規則，而這個規則只有你和心儀對象知道，例如這樣的規則：

所有字母位往左移 3 個位數 (c->z)
之後兩兩位置前後對調 (ab -> ba)
大小寫互換，空白標點不變。

按照這樣的規則，句子為 How are you.，就會變成：Le TOX BLV.R

底下是轉譯的過程，步驟是反過來：

How are you.

hOW ARE YOU. (大小寫互換)

Oh WRA EOY.U (位置對調)

Le TOX BLV.R (字母往左移三個位數)

心儀對象打開信封之後，只要發現內容符合規則，那麼就只有他知道怎麼解讀內容。

這樣經過再一次的轉譯的協議，稱為 Data at Rest

簡單結論：

傳輸加密：Data Encryption in Transit，像是 HTTPS
資料加密：Data Encryption at Rest，像是資料存入 S3 使用 SSE or CSE

註：上述移轉字母次序的方式，稱為凱薩密碼 Caesar Cipher

訂單外洩、帳號密碼

問題中 訂單外洩、帳號密碼 被盜的事件是在哪個階段？

這其實是兩個階段的問題，都屬於 Data at Rest 議題。前者是發生在 系統外部、後者是發生在 系統內部，用上述的案例說明：

訂單外洩：是在 階段五 之後，也就是心儀對象，拆開信封之後，並沒有將信件內容收好，因此被家人看到了。
帳號密碼被盜: 是發生在 階段一 之前，在這之前，你寫的內容本來藏在電腦的某處，但是你老爸早就知道你電腦的密碼。

訂單外洩大多是：

資料落地在非預期的資訊系統，例如客戶的電腦，之後衍生的一連串資安事件

例如客戶從系統下載了訂單資訊，訂單裡就有詳細的使用者個人資訊、詳細的交易資料等，這時候資料已經不在可管理範圍了，如果客戶端的電腦已經中了 APT (Advanced Persistent Threat)，那麼就很容易發生訂單外洩而不自知。技術方法很多種，但是難的是在於落實與實踐。

新聞事件：

20210403: 533 million Facebook users’ phone numbers and personal data have been leaked online

Data at rest, in transit, in use

上述案例，帶出三個資料加密的重要概念，我引用這篇文章的解釋： Encryption in-transit and Encryption at-rest

In Transit (傳輸): the data which is being transmitted somewhere to somewhere else
At Rest (落地): the data that is stored somewhere without being used by and/or transmitted to anyone
In Use (使用): the data is not just being stored passively on a hard drive or external storage media, but is being processed by one or more applications

其實就是資料在 傳輸、落地、使用 三個階段的概念。

傳輸 (In transit) 大多都是走 SSL/TLS, mTLS 方式，但落地 (At Rest) 的方式每個實作都不一樣，底下整理一些 Solution 的資訊:

AWS
- RDS At Rest: Transparent Data Encryption (TDE) for SQL Server (SQL Server Enterprise Edition)
- DynamoDB Encryption at Rest
- S3: 分成 SSE (Server-Side Encryption) 、CSE (Client-Side Encryption)，詳細參閱 Protecting data using encryption
Azure
- Azure Data Encryption at rest
PostgreSQL: Transparent Data Encryption, TDE
MySQL: InnoDB Data-at-Rest Encryption

結論

一直對於資訊安全與密碼學很有興趣，在整理 AWS KMS 學習筆記時，就給自己挖一個坑：

整理密碼學與資訊安全的筆記，把一些以往不清楚的知識整理起來。

很多東西平常工作都會用到，但是卻不求甚解，透過整理文章重新梳理自己有限的知識，如有誤歡迎給予指證，感謝。

下圖是大學時修的資訊安全課本，重新拿出來複習：

更新紀錄

2020/03/07: 初版
2021/03/27:
1. 增加 PKCS 格式、RSA 格式說明
2. 補充說明: HTTPS 的運作說明
3. 增加常見問題: 很多網站都宣稱使用 HTTPS 加密了，為什麼還會出現訂單外洩、帳號密碼被盜的新聞事件？
2021/08/20: 將 HTTPS / TLS 通訊協議介紹獨立成專文簡介 HTTPS / TLS 安全通訊協議

摘要密碼學與資訊安全

一、專有名詞與重要概念

Public Key Infrastructure, PKI

Public Key Certificate

Process of Digital Certificate

Cryptographic Hash Function

二、密碼學

Symmetric-key Algorithm (對稱式演算法)

Asymmetric Cryptography (非對稱式密碼學)

RSA Format

Diffie–Hellman key exchange

三、協議系統

常見問題

Q: 很多網站都宣稱使用 HTTPS 加密了，為什麼還會出現訂單外洩、帳號密碼被盜的新聞事件？

訂單外洩、帳號密碼

Data at rest, in transit, in use

結論

延伸閱讀

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