iOS数据安全-加密算法

Base64编码

Base64编码是一种用64个字符（其实是65个字符，“=”是填充字符）来表示任意二进制数据的方法，编码后的数据是一个字符串。

• 原理

1. 准备一个包含64个字符的数组，其中包含的字符为：A-Z、a-z、0-9、+、/。

2. 64个字符需要6位二进制来表示，表示成数值为0~63。

3. 对二进制数据进行处理，每3个字节一组，一共是3x8=24bit，再划为4小组，每小组正好6个bit，然后查表，获得相应的4个字符，就是编码后的字符串。

4. 如果数据的字节数不是3的倍数，需在原数据后面添加1个或2个零值字节，使其字节数是3的倍数。然后，在编码后的字符串后面添加1个或2个等号“=”，表示所添加的零值字节数。解码的时候，会自动去掉。

1. Base64编码是可逆的编码方式，从编码的方式即可逆推出解码的方式。

2. Base64编码会把3字节的二进制数据编码为4字节的文本数据，长度增加33%。

3. 标准的Base64编码后可能出现字符“+”和“/”，在URL中就不能直接作为参数。

4. 可以自己定义64个字符的排列顺序，这样就可以自定义Base64编码。

5. Base64编码的长度永远是4的倍数。

1. Base64适用于小段内容的编码，比如数字证书签名、Cookie的内容等。

2. Base64也会经常用作一个简单的“加密”来保护某些数据（标准Base64编码解码无需额外信息即完全可逆），而真正的加密通常都比较繁琐。

3. HTML内嵌Base64编码图片：绝大多数现代浏览器都支持一种名为 Data URLs 的特性，允许使用Base64对图片或其他文件的二进制数据进行编码，将其作为文本字符串嵌入网页中。

4. 电子邮件系统：SMTP协议一开始是基于纯ASCII文本的，对于二进制文件（比如邮件附件中的图像、声音等）的处理并不好，所以后来新增MIME标准来编码二进制文件，使其能够通过SMTP协议传输。

消息摘要算法

消息摘要算法主要分为三类，即：消息摘要（Message Digest:MD)、安全散列(Secure Hash Algorithm:SHA)和消息认证码(Message Authentication Code:MAC)，主要作用是验证数据的完整性。消息摘要算法的主要特点有:①变长输入，定长输出。②单向、不可逆。③虽然“碰撞”是肯定存在的，但是很难找到“碰撞”。

MD算法

MD算法系列最新为MD5，Message-Digest Algorithm 5（信息-摘要算法5）一种被广泛使用的散列算法，可以产生出一个128位的散列值（hash value），用于确保信息传输完整一致。下面以MD5为例进行分析：

• 原理

1. 输入信息进行填充，使其位长对512求余的结果等于448。如果输入信息的长度(bit)对512求余的结果不等于448，就需要填充使得对512求余的结果等于448。填充的方法是填充一个1和n个0。填充完后，信息的位长（Bits Length）将被扩展至N*512+448，N为一个非负整数，N可以是零。

2. 记录信息长度，在第一步的结果后面附加一个以64位二进制表示的填充前信息长度（单位为Bit），如果二进制表示的填充前信息长度超过64位，则取低64位。经过这两步的处理，信息的位长=N512+448+64=(N+1）512，即长度恰好是512的整数倍。这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。

3. 初始化变量，初始的128位值为初试链接变量，这些参数用于第一轮的运算，以大端字节序来表示，他们分别为A=0x01234567，B=0x89ABCDEF，C=0xFEDCBA98，D=0x76543210。每一个变量给出的数值是高字节存于内存低地址，低字节存于内存高地址，即大端字节序。在程序中变量A、B、C、D的值分别为0x67452301，0xEFCDAB89，0x98BADCFE，0x10325476。

4. 处理分组数据，分组数为N+1（块长：512位）,每个分组进行4轮变换。
   ① 四个非线性函数，用于4轮变换。

   F(X,Y,Z)=(X&Y)|((~X)&Z)
   G(X,Y,Z)=(X&Z)|(Y&(~Z))
   H(X,Y,Z)=X^Y^ZI(X,Y,Z)=Y^(X|(~Z))

   ②每组的4轮变换

   /* F ：一个非线性函数，一个函数运算一次 Mi ：表示一个 32-bits 的输入数据 Ki：表示一个 32-bits 常数，用来完成每次不同的计算。假设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），常数ti是4294967296*abs( sin(i) ）的整数部分，i 取值从1到64，单位是弧度。（4294967296=2^(32)）*/FF(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti ) 操作为 a = b + ( (a + F(b,c,d) + Mj + ti) << s) // 第一轮用，共16次GG(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti ) 操作为 a = b + ( (a + G(b,c,d) + Mj + ti) << s) // 第二轮用，共16次HH(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + H(b,c,d) + Mj + ti) << s)  // 第三轮用，共16次II(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + I(b,c,d) + Mj + ti) << s)  // 第四轮用，共16次

   ③ 每组完成之后，将a、b、c、d分别在原来基础上再加上A、B、C、D。即a = a + A，b = b + B，c = c + C，d = d + D，然后用下一分组数据继续运行以上算法。
   ④ 最后的输出是a、b、c和d的级联，由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。

1. 不可逆：根据输出值，不能得到原始的明文。

2. 压缩性：任意长度的数据，算出的MD5值长度都是固定的。

3. 抗修改性：对原数据进行任何改动，哪怕只修改1个字节，所得到的MD5值都有很大区别。

4. 强抗碰撞：已知原数据和其MD5值，想找到一个具有相同MD5值的数据（即伪造数据）是非常困难的。

SHA算法

安全散列算法（英语：Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）是一个密码散列函数家族，是FIPS所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的，长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且若输入的消息不同，它们对应到不同字符串的机率很高。

• SHA-0：1993年发布，当时称做安全散列标准（Secure Hash Standard），发布之后很快就被NSA撤回，是SHA-1的前身。

• SHA-1：1995年发布，SHA-1在许多安全协议中广为使用，包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec，曾被视为是MD5（更早之前被广为使用的散列函数）的后继者。但SHA-1的安全性在2000年以后已经不被大多数的加密场景所接受。2017年荷兰密码学研究小组CWI和Google正式宣布攻破了SHA-1[1]。Microsoft、Google以及Mozilla都宣布，它们旗下的浏览器将在2017年前停止接受使用SHA-1算法签名的SSL证书。2017年2月23日，CWI Amsterdam与Google宣布了一个成功的SHA-1碰撞攻击。

• SHA-2：2001年发布，包括SHA-224、SHA-256、SHA-384、SHA-512、SHA-512/224、SHA-512/256。虽然至今尚未出现对SHA-2有效的攻击，它的算法跟SHA-1* 基本上仍然相似；因此有些人开始发展其他替代的散列算法。

• SHA-3：2015年正式发布，SHA-3并不是要取代SHA-2，因为SHA-2目前并没有出现明显的弱点。由于对MD5出现成功的破解，以及对SHA-0和SHA-1出现理论上破解的方法，NIST感觉需要一个与之前算法不同的，可替换的加密散列算法，也就是现在的SHA-3。

下表中的中继散列值（internal state）表示对每个数据区块压缩散列过后的中继值（internal hash sum）。

MAC算法

MAC（Message Authentication Code，消息认证码算法）结合了MD5和SHA算法的优势，并加入密钥的支持，是一种更为安全的消息摘要算法。消息认证码的算法中，通常会使用带密钥的散列函数（HMAC），或者块密码的带认证工作模式（如CBC-MAC）。信息鉴别码不能提供对信息的保密，若要同时实现保密认证，同时需要对信息进行加密。下面以HMAC为例进行分析：

• 原理
  1.计算HMAC需要一个散列函数hash（可以是md5或者sha-1）和一个密钥key。
  2.算法公式

  HMAC（K，M）=H（K⊕opad∣H（K⊕ipad∣M））
  H 代表所采用的HASH算法(如SHA-256)K 代表认证密码
  Ko 代表HASH算法的密文
  M 代表一个消息输入
  B 代表H中所处理的块大小，这个大小是处理块大小，而不是输出hash的大小

  3.运算步骤

  First-Hash = H(Ko XOR Ipad || (data to auth))
  Second-Hash = H(Ko XOR Opad || First-Hash)
  (1) 在密钥K后面添加0来创建一个字长为B的字符串。(例如，如果K的字长是20字节，B=64字节，则K后会加入44个零字节0x00)
  (2) 将上一步生成的B字长的字符串与ipad做异或运算。
  (3) 将数据流text填充至第二步的结果字符串中。
  (4) 用H作用于第三步生成的数据流。
  (5) 将第一步生成的B字长字符串与opad做异或运算。
  (6) 再将第四步的结果填充进第五步的结果中。
  (7) 用H作用于第六步生成的数据流，输出最终结果

• 应用

  HMAC主要应用在身份验证中，过程如下：

1. 客户端发出登录请求（假设是浏览器的GET请求）。

2. 服务器返回一个随机值，并在会话中记录这个随机值。

3. 客户端将该随机值作为密钥，和用户密码进行hmac运算，然后提交给服务器。

4. 服务器读取用户数据库中的用户密码和步骤2中发送的随机值做与客户端一样的hmac运算，然后与用户发送的结果比较，如果结果一致则验证用户合法。

作者：windtersharp                    
来源：https://segmentfault.com/a/1190000014797282?utm_source=channel-hottest