数字签名和哈希函数
关于加密的名词解释
关于加密的名词解释加密是一项在信息时代中至关重要的技术，它涵盖了许多复杂的概念和名词。
本文将深入探讨与加密相关的名词与解释，帮助读者更好地理解加密的原理和应用。
一、加密和解密加密是指将原始数据转化为难以理解的形式，以保护其机密性和安全性的过程。
解密则是将加密数据恢复为原始数据的过程。
加密的目的是确保数据能够安全地传输和存储，只有经过授权的人才能够访问和理解数据。
二、对称加密和非对称加密对称加密是一种使用相同密钥进行加密和解密的方法。
发送者和接收者需要共享同一个密钥，以使得他们能够进行加密和解密操作。
对称加密算法的优点是速度快，但缺点在于密钥的分发和管理较为困难。
非对称加密是一种使用不同密钥进行加密和解密的方法。
发送者使用接收者的公钥进行加密，而接收者使用自己的私钥进行解密。
非对称加密算法的优点是安全性高，但缺点在于速度较慢。
三、公钥和私钥公钥和私钥是非对称加密中的关键概念。
公钥是公开的，用于加密数据。
私钥是保密的，用于解密数据。
公钥和私钥是成对存在的，它们之间有着数学上的特殊关系。
通过使用接收者的公钥进行加密，确保只有接收者能够解密数据。
四、数字签名数字签名是一种用于验证数据完整性和真实性的技术。
它使用私钥对数据进行加密，然后使用公钥对数据进行解密。
如果解密后的数据与原始数据一致，则说明数据没有被篡改。
数字签名广泛应用于电子商务和网络通信中，确保数据的安全性。
五、哈希函数哈希函数是一种用于将任意长度的数据映射为固定长度散列值的算法。
哈希值是一串唯一的字符串，用于标识原始数据。
哈希函数具有单向性，即无法从哈希值还原出原始数据。
哈希函数常被用于检验数据的完整性，防止数据被篡改。
六、密钥管理和密钥交换密钥管理是指对密钥进行生成、存储、更新和删除的过程。
密钥交换是指两方之间安全地共享密钥的过程。
密钥管理和密钥交换在加密中起着至关重要的作用，对于确保信息的安全性至关重要。
七、SSL/TLSSSL（Secure Sockets Layer）和TLS（Transport Layer Security）是用于保护互联网通信的安全协议。
哈希函数和数字签名概述
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数字签名
传统签名的基本特点:
能与被签的文件在物理上不可分割 签名者不能否认自己的签名 签名不能被伪造 容易被验证
数字签名是传统签名的数字化,基本要求:
能与所签文件“绑定” 签名者不能否认自己的签名 签名不能被伪造 容易被验证
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数字签名——抗抵赖性
用户A 数据
3
Hash函数的特点
H能够应用到任意长度的数据上。 H能够生成大小固定的输出。 对干任意给定的x，H（x）的计算相对简单。 对于给定的散列值h，要发现满足H（x）＝h的x
在计算上是不可行的。 对于给定的消息x，要发现另一个消息y满足H
（y）＝H（x）在计算上是不可行的。 主要的Hash算法： MD5、SHA-1等
接收方必须能够识别错误
Hash function：一个公开函数将任意长度的消息 映射到一个固定长度的散列值，作为认证标识
MAC：一个公开函数，加上一个密钥产生一个固 定长度的值作为认证标识
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MAC: Message Authentication Code
使用一个双方共享的秘密密钥生成一个固定大小 的小数据块，并加入到消息中，称MAC，或密码 校验和(cryptographic checksum)
f = 压缩算法 IV= initial n-bit value
n b
= =
散列码的长度 输入块的长度
CVi=f(CVi-1, H(M) = CVL
Yi-1)
(1 i L)
6
MD5 算法
MD5 (RFC 1321) developed by Ron Rivest (“R” of the RSA )at MIT in 90’s. MD： Message Digest，消息摘要
医疗信息系统的数据加密与解密方法(五)
医疗信息系统的数据加密与解密方法随着信息技术的快速发展，医疗信息系统在医疗行业中扮演着越来越重要的角色。
然而，随之而来的数据安全问题也引起了人们的关注。
数据加密与解密方法在医疗信息系统中的应用变得至关重要，以保障患者隐私和数据安全。
本文将探讨医疗信息系统中常见的数据加密与解密方法，并分析其优缺点。
1. 对称加密算法对称加密算法是目前最广泛使用的加密方法之一。
它使用相同的密钥进行数据的加密和解密，且速度较快。
在医疗信息系统中，对称加密算法可以用于保护数据库中的敏感信息，如病历记录和患者身份信息。
然而，对称加密算法的主要缺点是密钥管理困难，如果密钥被泄露，所有的数据都将面临威胁。
2. 非对称加密算法非对称加密算法是一种更安全的加密方法。
它使用一对密钥，包括公钥和私钥。
公钥用于加密数据，私钥用于解密数据。
在医疗信息系统中，非对称加密算法可以用于保护患者与医生之间的通信，以及电子处方等机密信息的传输。
该算法的优点是密钥管理较为简单，但是其速度较慢，适用于保护少量的敏感数据。
3. 哈希函数哈希函数是一种将任意长度的数据映射为固定长度散列值的函数。
在医疗信息系统中，哈希函数可以用于数据的完整性验证。
在记录患者病历信息或进行数据传输时，通过对比哈希值，可以确保数据未被篡改。
然而，哈希函数是单向函数，无法逆向解密，因此不适用于对数据进行加密。
4. 数字签名数字签名是一种使用非对称加密算法实现的认证机制。
它通过私钥对数据进行加密，生成唯一的签名，并通过公钥将签名进行验证。
在医疗信息系统中，数字签名可以确保数据的真实性和完整性，并且可以防止伪造、篡改等非法访问。
数字签名是一种可靠的加密方法，但是其计算和验证过程相对较慢。
在实际应用中，医疗信息系统通常采用多种加密与解密方法的组合。
例如，对称加密算法用于保护数据库中的敏感信息，非对称加密算法用于保护通信和传输过程中的数据安全，哈希函数用于验证数据的完整性，数字签名用于确保数据的真实性。
哈希函数在密码学中的应用
哈希函数在密码学中有着广泛的应用，以下是其中几个例子：
1.数字签名：数字签名的操作类似于消息认证码（MAC）。
发送方使用用户的私钥加密消息的哈希值，接收方使用公钥对哈希值进行解密，以验证
消息的完整性。
这种方法可以确保消息在传输过程中没有被篡改。
2.消息认证：发送方根据待发送的消息使用哈希函数计算一个哈希值，然后将哈希值和消息一起发送出去。
接收方收到哈希值和消息后，对消息执
行相同的哈希计算，并将结果与收到的哈希值进行比较。
若不匹配，则接收方推断消息（或哈希值）遭到了篡改。
3.生成随机数：一些基于哈希函数的随机数生成器依赖于位长度来生成随机数。
4.构建入侵检测和病毒检测系统：将每个文件的哈希值存储到系统上并保证其安全后，就能通过重新计算哈希值来判断文件是否已经被修改。
这种
方法可以用于检测病毒和其他恶意软件。
5.单项口令文件：例如操作系统存储口令的哈希值而不存储口令本身的原因是，黑客即使能够访问口令文件，也不能获取真正的口令。
这种方法可
以保护用户的隐私和安全。
需要注意的是，不同的哈希函数具有不同的性质和用途，因此在具体应用中需要根据需求选择合适的哈希函数。
同时，由于密码学中的许多应用涉及到安全性问题，因此需要采取严格的安全措施来保护密钥和哈希值等信息的安全。
数字签名原理与实现
数字签名是一种用于验证数字文档完整性和认证文档来源的技术。
数字签名通过使用私钥对文档进行加密，使得只有拥有相应公钥的人才能解密并验证签名的有效性。
数字签名广泛应用于电子商务、电子政务、数字证书、数字证书认证等领域。
数字签名的原理数字签名的原理是利用数字证书和哈希函数对原始文档进行加密和验证。
数字证书是一种用于证明实体身份的电子证书，包含证书持有者的公钥和其他信息。
数字签名就是使用私钥对原始文档进行加密，并使用公钥对加密后的数据进行解密并验证签名。
具体实现步骤如下：1. 使用哈希函数对原始文档进行哈希运算，得到文档的哈希值。
2. 使用私钥对哈希值进行加密，得到数字签名。
3. 将原始文档和数字签名一起发送给接收者。
4. 接收者使用公钥对数字签名进行解密，得到原始文档的哈希值。
5. 接收者再次使用哈希函数对原始文档进行哈希运算，得到一个新的哈希值。
6. 如果两个哈希值相等，则说明原始文档未被篡改，签名有效；否则，签名无效。
数字签名的实现数字签名的实现需要使用数字证书和私钥。
数字证书由权威的第三方机构颁发，包含证书持有者的公钥和其他信息。
私钥是证书持有者的私钥，用于加密数字签名。
下面是数字签名的实现步骤：1. 原始文档需要进行哈希运算，得到文档的哈希值。
2. 使用私钥对哈希值进行加密，得到数字签名。
3. 将原始文档和数字签名一起发送给接收者。
4. 接收者使用公钥对数字签名进行解密，得到原始文档的哈希值。
5. 接收者再次使用哈希函数对原始文档进行哈希运算，得到一个新的哈希值。
6. 如果两个哈希值相等，则说明原始文档未被篡改，签名有效；否则，签名无效。
数字签名的应用场景数字签名广泛应用于电子商务、电子政务、数字证书、数字证书认证等领域。
在电子商务中，数字签名可以确保交易双方的身份认证和交易文件的完整性，防止交易文件被篡改或伪造。
在电子政务中，数字签名可以确保政府文件的真实性和完整性，防止政府文件被篡改或伪造。
密码学详细分类
密码学详细分类密码学是研究保护信息安全的科学和技术领域。
根据应用领域、算法类型和安全目标，密码学可以被详细分类如下：1. 对称密码学（Symmetric Cryptography）：对称密码学使用相同的密钥进行加密和解密。
常见的对称密码算法有DES、AES和IDEA 等。
2. 非对称密码学（Asymmetric Cryptography）：非对称密码学使用不同的密钥进行加密和解密。
公钥密码学是非对称密码学的主要分支，它使用一对密钥，包括公钥和私钥。
公钥可以公开，而私钥必须保密。
常见的非对称密码算法有RSA、Diffie-Hellman和椭圆曲线密码算法等。
3. 哈希函数（Hash Function）：哈希函数将任意长度的输入数据转换为固定长度的输出，常用于验证数据的完整性和生成数字指纹。
常见的哈希函数有MD5、SHA-1、SHA-256和RIPEMD等。
4. 数字签名（Digital Signature）：数字签名用于验证消息的真实性和完整性，并确认消息的发送者。
数字签名通常使用非对称密码学中的私钥进行生成，公钥用于验证签名的有效性。
5. 密码协议（Cryptographic Protocols）：密码协议是一组规则和步骤，用于在通信过程中确保信息的安全性。
常见的密码协议有SSL/TLS、IPsec和SSH等。
6. 密码编码学（Cryptanalysis）：密码编码学是破解密码系统的科学和技术，旨在破译加密消息或恢复加密密钥。
7. 随机数生成器（Random Number Generator）：随机数生成器用于生成随机数或伪随机数序列，这在密码学中是非常重要的。
这些分类只是密码学研究中的一部分，每个分类下又有更多的细分和特定算法。
密码学的发展涵盖了广泛的应用领域，包括网络安全、电子商务、数据保护和身份认证等。
当代密码学分支
当代密码学分支
当代密码学有很多分支，其中一些主要的分支包括：
1. 对称密码学：该分支主要研究使用相同密钥进行加密和解密的算法。
对称密码学的目标是设计出高效和安全的对称加密算法，如DES、AES等。
2. 非对称密码学：也称为公钥密码学，该分支主要研究使用不同密钥进行加密和解密的算法。
非对称密码学的主要目标是解决密钥分发的问题，如RSA、椭圆曲线密码等算法。
3. 哈希函数：哈希函数是一种将任意长度的输入数据映射为固定长度输出的算法。
它主要用于数据完整性校验和数字签名等应用，如MD5、SHA-1、SHA-256等哈希函数。
4. 数字签名：数字签名用于验证数据的身份和完整性。
它通过使用私钥对数据进行加密，然后使用相应的公钥对加密数据进行解密来实现。
数字签名的目标是确保数据的一致性和不可否认性。
5. 密码协议：密码协议是一种在通信过程中协商密钥和保护数据安全的方法。
常见的密码协议包括SSL/TLS、IPsec等。
6. 身份认证：身份认证是确定用户身份的过程。
密码学在身份认证中起到了重要的作用，如公钥证书、数字证书等。
7. 特殊密码学：此外，还有一些特殊的密码学分支，如量子密
码学、同态加密、多方计算等。
这些分支主要研究解决特定问题或应用的密码学技术。
哈希算法原理和用途
哈希算法原理和用途
哈希算法是一种将任意长度的输入转换为固定长度输出的算法。
它通过对输入进行数学运算，生成一个唯一的哈希值，该哈希值相对于输入数据具有唯一性和不可逆性。
哈希算法的原理主要包括以下几个步骤：
1. 压缩：将输入数据压缩为固定长度的数据。
2. 哈希函数：根据指定的哈希函数对输入数据进行数学运算，生成哈希值。
3. 哈希算法：通过密钥或者其他方式对哈希值进行再次运算，以满足特定的要求。
哈希算法的用途广泛，常见的有以下几个方面：
1. 数据完整性验证：通过比较不同数据的哈希值，可以判断数据是否被篡改。
2. 数字签名：通过对数据进行哈希运算，然后用私钥对哈希值进行加密，生成数字签名，用来验证数据的来源和完整性。
3. 安全存储密码：将用户密码进行哈希处理后存储，可以防止密码泄露带来的风险。
4. 数据索引：通过将数据的哈希值作为索引，可以快速定位和检索数据。
5. 数据分片和分发：通过对数据的哈希值进行分片和散列，可以实现数据的均衡分布和快速访问。
6. 加密算法：哈希算法是很多加密算法的基础，如MD5和SHA等。
总的来说，哈希算法在信息安全、数据存储和数据检索等领域
有着广泛的应用，能够提供数据的完整性、唯一性和高效性等保障。
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数字签名和哈希函数懂得一点公钥密码基础知识的人都知道，发信息的人用自己的私钥对所发信息进行加密( Encryption )，接收信息者用发信者的公钥来解密( Decryption )，就可以保证信息的真实性、完整性和不可否认性。
（注：这里提到的加密、解密是指密码运算，其目的并非信息保密。
）那么，我们也可以笼统地说，以上方法就已经达到了数字签名的目的。
因为首先，私钥是发信者唯一持有的，别的任何人不可能制造出这份密文来，所以可以相信这份密文以及对应的明文不是伪造的（当然，发信者身份的确定还要通过数字证书来保证）；出于同样原因，发信者也不能抵赖、否认自己曾经发过这份信息；另外，信息在传输当中不可能被篡改，因为如果有人试图篡改，密文就解不出来。
这样，用私钥加密，公钥解密的技术方法就可以代替传统签名、盖章，保证了信息的真实性、完整性和不可否认性。
但是，这样做在实际使用中却存在一个问题：要发的信息可能很长，非对称密码又比较复杂，运算量大，而为了保证安全，私钥通常保存在USB Key或IC卡中，加密运算也是在Key或卡中进行。
一般来说，小小的USB Key或IC卡中的微处理器都做得比较简单而处理能力较弱，这样，加密所用的时间就会很长而导致无法实用。
另外，即使对于网站服务器而言，虽然它的处理能力很强，但服务器要同时处理许许多多签名加密的事情，也同样存在着加密耗时长系统效率低的问题。
有没有解决这个问题的办法呢？有的，常用的方法是使用哈希函数。
什么是哈希函数哈希（Hash）函数在中文中有很多译名，有些人根据Hash的英文原意译为“散列函数”或“杂凑函数”，有些人干脆把它音译为“哈希函数”，还有些人根据Hash函数的功能译为“压缩函数”、“消息摘要函数”、“指纹函数”、“单向散列函数”等等。
1、Hash算法是把任意长度的输入数据经过算法压缩，输出一个尺寸小了很多的固定长度的数据，即哈希值。
哈希值也称为输入数据的数字指纹（Digital Fingerprint）或消息摘要（Message Digest）等。
Hash函数具备以下的性质：2、给定输入数据，很容易计算出它的哈希值；3、反过来，给定哈希值，倒推出输入数据则很难，计算上不可行。
这就是哈希函数的单向性，在技术上称为抗原像攻击性；4、给定哈希值，想要找出能够产生同样的哈希值的两个不同的输入数据，（这种情况称为碰撞，Collision），这很难，计算上不可行，在技术上称为抗碰撞攻击性；5、哈希值不表达任何关于输入数据的信息。
哈希函数在实际中有多种应用，在信息安全领域中更受到重视。
从哈希函数的特性，我们不难想象，我们可以在某些场合下，让哈希值来“代表”信息本身。
例如，检验哈希值是否发生改变，借以判断信息本身是否发生了改变。
`怎样构建数字签名好了，有了Hash函数，我们可以来构建真正实用的数字签名了。
发信者在发信前使用哈希算法求出待发信息的数字摘要，然后用私钥对这个数字摘要，而不是待发信息本身，进行加密而形成一段信息，这段信息称为数字签名。
发信时将这个数字签名信息附在待发信息后面，一起发送过去。
收信者收到信息后，一方面用发信者的公钥对数字签名解密，得到一个摘要H；另一方面把收到的信息本身用哈希算法求出另一个摘要H’，再把H和H’相比较，看看两者是否相同。
根据哈希函数的特性，我们可以让简短的摘要来“代表”信息本身，如果两个摘要H和H’完全符合，证明信息是完整的；如果不符合，就说明信息被人篡改了。
数字签名也可以用在非通信，即离线的场合，同样具有以上功能和特性。
由于摘要一般只有128位或160位比特，比信息本身要短许多倍，USB Key或IC卡中的微处理器对摘要进行加密就变得很容易，数字签名的过程一般在一秒钟内即可完成。
哈希函数的安全性哈希函数的安全性直接关系到数字签名的安全性，如果哈希函数被攻破，数字签名的有效性就会受到质疑。
目前，已经发明的Hash函数有多种，如Snefru、N-Hash、LOKI、AR、GOST、MD、SHA等。
它们在数学上实现的方法各有不同，安全性也各有不同。
目前比较常用的Hash函数是MD5和SHA-1。
MD5哈希函数以512位来处理输入数据，每一分组又划分为16个32位的子分组。
算法的输出由4个32位分组组成，将它们级联起来，形成一个128位的固定长度的哈希值，即输入数据的摘要。
SHA-1哈希函数在MD4的基础上增加了数学运算的复杂程度，即SHA=MD4+扩展转换+附加轮+更好的雪崩效应（哈希值中，为0的比特和为1的比特，其总数应该大致相等；输入数据中一个比特的变化，将导致哈希值中一半以上的比特变化，这就叫做雪崩效应）。
SHA能够产生160位的哈希值。
对SHA 还没有已知的密码攻击，并且由于它产生的哈希值位数长于MD5，所以它能更有效地抵抗穷举攻击（包括生日攻击）。
但是，任何一种算法都有其漏洞和局限性。
任何一个哈希函数都会存在碰撞——即在一些特定情况下，两个不同的文件或信息会指向同一个数字摘要。
在一般情况下，类似碰撞只能尽可能地减少，而不能完全避免。
从理论上讲，没有攻不破的密码。
随着密码科学的发展，也许会找到攻破某一种密码算法的途径。
评价Hash算法的一个最好方法是看敌手找到一对碰撞消息所花的代价有多高。
一般地，假设攻击者知道Hash算法，攻击者的主要攻击目标是找到一对或更多对碰撞消息。
目前已有一些攻击Hash算法和计算碰撞消息的方法。
在这些方法中，有些是一般的方法，可用于攻击任何类型的Hash算法，比如“生日攻击”；而另一些是特殊的方法，只能用于攻击某些特殊的Hash算法，比如适合于攻击具有分组链结构Hash算法的“中间相遇攻击”，适用于攻击基于模运算的Hash函数的“修正分组攻击”。
坚固的哈希函数可通过设计有效的碰撞处理机制，或增加数字摘要的位数来增加复杂度，以减少碰撞出现的概率，2004年8月17日，在美国召开的国际密码学会议（Crypto’2004）上，一些国家的密码学者作了破译Hash函数的新进展的报告，其中我国山东大学的王小云教授做了破译MD5、HAVAL-128、MD4、和RIPE MD算法的报告。
到2005年2月，据王小云教授的研究报告，他们已经研究出了搜索SHA-1碰撞的一系列新技术。
他们的分析表明，SHA-1的碰撞能在小于2^69次Hash操作中找到。
对完整的80轮SHA-1的攻击，这是第一次在小于2^80次Hash操作这个理论界限的情况下找到碰撞。
根据他们的估计，对于缩减到70轮的SHA-1能够用现在的超级计算机找出“实碰撞”。
他们的研究方法，能自然地运用到SHA-0和缩减轮数的SHA-1的破译分析上。
2005年3月6日，Arjen Lenstra，王小云，Benne de Weger 宣布，他们构造出一对基于MD5 Hash函数的X.509证书，产生了相同的签名。
他们提出了一种构造X.509证书的方法，在他们所构造出的证书对中，由于使用了MD5算法，签名部分产生了碰撞。
因此，当证书发布者使用MD5作为Hash函数时，发布者就会在证书中产生相同的签名，导致PKI的基础原理遭到可信性破坏。
这意味着，从单独某个证书无法确定是否存在另一个不同证书有着相同的签名。
由于第二个相同签名证书存在的可能性，证书发布机构无法验证私钥的“拥有证明”，即无法验证证书中的签名。
因此，使用“基于MD5函数”公钥证书的任何一方都无法确保所谓的证书拥有者是否真实拥有相应的私钥。
他们也想构造一对基于SHA-1的X.509证书，产生相同的签名。
然而，他们还做不到这一点。
因为产生SHA-1碰撞还需要相当长一段时间的研究。
专家指出：A.Lenstra和王小云等人声称已经成功地构造了两张符合X．509证书数据结构，拥有同样签名而内容却不同的证书，但该构造方法对证书的部分域要有特殊安排，签名算法RSA的密钥也是按照特殊规律生成的，要用来攻击某个实际应用的电子签名系统仍需时日。
而对于SHA-1算法，说其从理论上被破解都还为时过早，只能说其破解工作取得了重大突破，破解所需要运算次数已从原来设计时估算的2^80次降低为2^69次，这比穷举法快了２０４８倍，但2^69次运算需要６０００年左右的时间，在实际计算上仍然是不可行的。
除了运算方面的瓶颈外，哈希函数的不可逆性决定了攻击者无法轻易得手，没有人可以保证通过这个发现的每个碰撞都是“可用”的碰撞。
在漫长的运算后，你得到的也许包含一些有价值的信息，也许就是理论上存在的单纯碰撞，运算瓶颈和信息匮乏都会使黑客们的种种努力成为徒劳……据业内人士估计，在当前的技术条件下，２^50或２^ ６０次运算量的范围内的攻击方法才会为我们带来麻烦，即引发实际意义上的攻击行为。
在新研究成果发布前的一段时间内，SHA-1 算法只能被称作不完美，但还是安全的。
基于PKI技术进行电子签名的最终用户，目前还不用担心自己的签名被伪造或遭遇签名人抵赖。
另外，安全专家强调：一种算法被破译，和整个企业的安全系统被攻破，是两个不同的概念。
因为随着攻击技术和能力的提高，算法也会“水涨船高”，向前发展进步。
王教授所取得的成就提醒密码学家研究新的算法，提醒有关标准化机构要提前修改算法标准，也提醒有关CA和电子签名产品开发商支持新的算法。
当然，有些完全基于摘要算法的密押系统和电子货币系统，还需要尽早考虑替换方案。
美国国家技术与标准局（NIST）曾经发表如下评论：“研究结果说明SHA-1的安全性暂时没有问题，但随着技术的发展，技术与标准局计划在2010年之前逐步淘汰SHA-1，换用其他更长更安全的算法（如：SHA-224, SHA-256, SHA-384和SHA-512）来代替。
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