密碼分析詳解：原理、應用與防禦策略
當今企業面臨維持運營的巨大挑戰。為了確保業務順暢運行，安全團隊必須竭盡全力保護企業免受可能干擾運作的各種威脅。
然而，現在看似安全的技術，明天可能就會變得脆弱。 這是因為隨著演算法的不斷進步，新的漏洞隨之出現，網路攻擊者也正在開發破解企業賴以生存的加密技術的新方法。
密碼分析，又稱作解碼術，是對解密和檢索代碼、密碼或加密文本所使用技術的深入研究。 密碼分析運用數學規則來探索演算法的脆弱性，並深入研究資訊安全系統中的加密學。
本指南將帶您深入了解密碼分析的各個方面。 您將會對此主題有全面的理解，並學習如何保護您的組織免受密碼分析的影響。
什麼是密碼分析？
密碼分析的目的是研究密碼系統，找出其弱點和資訊洩露點。 您可以將其視為探索密碼系統底層數學架構中的缺陷，包括邊信道攻擊和弱熵輸入等實作漏洞。
密碼系統是指採用密碼學的電腦系統。密碼學是一種透過代碼保護資訊和通訊的方法，確保只有授權人員才能存取。
密碼分析 vs. 密碼學
簡單來說，密碼學的重點在於將訊息轉換為隱藏的密文，然後透過不安全的管道傳輸，以保護訊息的機密性。 而密碼分析則恰恰相反，它的目的是在不安全的管道中，從隱藏的訊息中獲取原始的明文。
密碼學已被證實是訊息傳輸時的重要資產。銀行交易和電子郵件訊息等需要保護機密資訊的場合，就展現了密碼學的實用性。 加密方案通常包括秘密金鑰、公鑰和雜湊函數。
密碼分析是一門將密文解密為明文的藝術。在這個過程中，未經授權的人員可能會試圖透過竊聽管道來解密您的訊息。
誰在使用密碼分析？
許多組織都在使用密碼分析，包括：想解密其他國家私人通訊的政府單位、測試其安全產品安全性的公司、駭客、破解者、獨立研究人員，以及希望找出密碼協議和演算法漏洞的學術人員。
密碼學的進步是由密碼學家（致力於保護數據）與密碼分析師（致力於破解密碼系統）之間無止盡的鬥爭所推動的。
攻擊者的目標與他們執行密碼分析的特定需求有關。 成功的密碼分析通常是為了從隱藏文本中推斷資訊。 雖然其目標因攻擊者而異，但通常包括：
- 徹底破解 – 找到秘密金鑰。
- 全局演繹 – 在不知道金鑰的情況下找到加密和解密的等效功能演算法。
- 資訊推導 – 獲取有關密文和明文的資訊。
- 區分演算法 – 區分加密輸出與隨機位排列。
接下來，我們來看一個容易理解的實際範例。 然而，您應該了解此範例並不適用於現代加密演算法，它只是一個很好的輔助理解範例。
頻率分析技術可用於破解基本的加密演算法。基本類型的加密演算法執行單字母替換，將每個字母用同一字母表中的預定字母替換。
這個模型是對更基本技術的改進，它將字母移動固定數量的位置，並從合成的字母表位置用新字母替換舊字母。
雖然單字母替換密碼對盲目搜尋有一定抵抗力，但它們並非完全安全，而且可以使用紙筆輕鬆破解。 為什麼呢？ 頻率分析利用自然語言不是隨機的特性，單字母替換並無法隱藏語言的統計特性。
我們仔細觀察，以特定字母表為例，例如「E」這個字母出現的頻率特別高，比如說是 12.7%。 當您使用 E 替換密文時，結果文本將保留其原始頻率。 如果密碼分析人員了解這個頻率，他們就能快速確定替換關係，進而破解您的密文。
密碼分析攻擊的類型
密碼分析攻擊利用您系統中的弱點，破解其密碼。 要發起密碼分析攻擊，您需要了解方法的性質和明文的一般特性。明文可以是任何語言，包括英文或Java程式碼。
以下列出一些常見的攻擊類型。前五個是最常見的，其他的則較為罕見，有時會被排除在外，但是了解它們仍然很有幫助。
- 已知明文攻擊 (KPA)：在這種情況下，攻擊者可以存取明文-密文對。 接下來，攻擊者所要做的就是映射這些對以找到加密金鑰。 這種攻擊很容易使用，因為攻擊者掌握了豐富的資訊。
- 選擇明文攻擊（CPA）：在這種情況下，攻擊者隨機選擇明文，使用它們獲得相應的密文，並最終破解加密金鑰。 這種方法類似於 KPA，但成功機率較低。
- 僅密文攻擊（COA）：在這種情況下，攻擊者只知道一些密文，因此他們試圖找出相應的明文和加密金鑰。 攻擊者了解您的演算法。 這種技術是最具挑戰性的方法。 但是，它具有很高的成功率，因為只需要密文。
- 中間人 (MITM) 攻擊：當兩方使用金鑰透過看似安全但遭到破壞的管道共享通訊時，就會發生這種攻擊。
- 自適應選擇明文攻擊 (ACPA)：這種情況類似於 CPA。 ACPA 根據它從過去的加密中學習到的數據，使用已識別的明文和密文。
- 暴力攻擊：在這種情況下，攻擊者使用演算法來預測可能的明文邏輯集。 然後將猜測的純文本加密，並與初始密碼進行比較。
- 字典攻擊：在這種情況下，攻擊者對字典運行明文或金鑰。 在嘗試破解一些加密密碼時，經常使用這種技術。
密碼分析是如何運作的？
推動密碼分析的核心目標是揭露密碼演算法的缺陷或繞過它們。 密碼學家利用密碼分析師的研究來改進現有演算法或升級不合格的方法。
另一方面，透過密碼學創建和增強加密密碼和其他技術，密碼分析則專注於解密加密數據。 這兩個操作是相輔相成的，並侷限於密碼學、代碼、密碼和相關演算法的數學研究領域。
研究人員密切關注開發擊敗加密方案的攻擊策略，這些策略無需加密金鑰即可啟動密文加密演算法的解密。 通常，您可以使用密碼分析來找出概念和實作方法中的缺陷。
如何防範密碼分析攻擊
不幸的是，除了在整個數位基礎設施中使用安全的加密方案、密碼並保持軟體更新之外，您幾乎無法完全免疫密碼分析。 然而，您可以透過以下提示來提高安全性：
- 使用更新的加密和雜湊演算法。 避免使用 SHA1 和 MD5 等不再被認為是安全的工具。
- 使用較長的加密金鑰。 例如，對於 VPN 握手，您的 RSA 金鑰應至少為 2048 位元。
- 記得銷毀已過時的金鑰。
- 使用強密碼，並實施經過驗證的隨機數產生器來管理您的金鑰。
- 為您的雜湊加鹽。 在這裡，您是在雜湊中添加隨機雜訊。 您應該像使用密碼一樣，讓您的鹽保持長度和隨機化。
- 如果您的金鑰遭到洩露，請採用完美前向保密 (PFS) 來防止過去和未來的連線被解密。 這通常用於虛擬私人網路 (VPN)。
- 混淆加密流量——您需要確保您的流量看起來正常，並且不會暴露它已加密的事實。 像 Obfsproxy 這樣的軟體是一個很好的範例工具，可以與 Tor 網路配合使用。
- 將入侵偵測系統 (IDS) 整合到您的基礎設施中——該系統將通知您違規或攻擊。 然而，這並不能阻止違規行為。 但是，它會縮短您的響應時間，使您的系統免受嚴重損壞。 最好將良好的 IDS 整合到您的系統中。
密碼分析的應用
密碼分析在現實世界中有許多應用。 它有時可以與密碼學結合使用，以發揮其全部潛力。 以下是一些應用：
#1. 儲存完整性
您可以使用密碼分析來維護儲存的完整性。 在這種情況下，您可以在存取控制系統中使用鎖和金鑰來保護數據免受不必要的存取。 您還可以建立加密校驗和，以確定儲存在動態環境中的數據的真實性，在這些動態環境中，病毒很容易採用修改數據的方法。
在數據傳輸期間產生校驗和，並將其與預期值進行比較。 密碼分析有助於保護因大量數據或長期暴露而容易受到攻擊的儲存介質。
#2. 身份驗證
在身份驗證中，您的主要關注點是確認用戶存取數據的權限。 密碼分析在密碼交換期間促進了這一過程。 現代系統將密碼轉換與個人屬性結合使用，以可靠有效地識別使用者。
密碼以加密格式儲存，具有存取權限的應用程式可以使用它們。 由於密碼以明文形式儲存，因此不會危及系統的安全性。
#3. 系統憑證
您可以使用密碼分析和密碼學來建立系統的憑證。 當使用者登入您的系統時，他們必須出示個人憑證證明，才能被允許進入。
現在正在建立電子憑證以促進電子驗證。 這種技術通常應用於智慧卡以進行加密操作，包括儲存數據。
#4. 數字簽名
數字簽名通常用於通訊，以驗證訊息來自已知發件人。 這類似於紙本文件的簽名。 當然，如果數位簽名要取代類比簽名，它們是使用密碼分析技術建立的。
如果組織的團隊分散在許多地點，且尚未親自開會執行一些協作文書工作，這似乎會很有幫助。 使用數位簽名格式，任何擁有公鑰的人都可以驗證文件，這在加密貨幣領域被廣泛採用。
#5. 電子資金轉帳 (ETF)
最近，您已經看到電子貨幣取代了現金交易。 電子資金轉帳、虛擬貨幣、數位黃金貨幣、加密貨幣和直接存款都是基於密碼學的資產。 考慮 ATM 提款、簽帳卡支付和電匯是電子貨幣操作的範例。
如何成為一名密碼分析師
在了解了密碼分析的廣泛應用後，您可能會考慮成為一名密碼分析師。 如果您有這個想法，您將致力於開發演算法、密碼和安全系統來加密數據。 您還應該能夠分析和解密加密方法和電信協議中的資訊。
您還可能會執行設計安全系統、保護關鍵資訊不被攔截、測試計算模型的可靠性、加密財務數據、開發統計和數學模型以分析數據，以及解決安全問題等工作。 如果您對此感到興奮，請繼續閱讀以了解如何成為其中一員。
您可以獲得電腦科學、工程、數學或電機與電子工程等相關領域的學士學位。 然而，一些組織仍然可能會根據高強度的培訓和實務經驗僱用您，而無需取得技術學位。 擁有一些網路安全認證也會有所幫助。
總結
密碼分析與其說是攻擊本身，不如說是網路攻擊的一種手段。 對於大多數能抵抗密碼分析嘗試的加密系統而言，了解那些容易受到攻擊的系統需要複雜的數學能力。
如果您正在考慮學習密碼分析，這絕對是一個令人興奮的領域，您可以從事金融、儲存和身份識別等廣泛的產品領域。
您現在已經了解了密碼分析的強大功能以及它在建立實際應用程式方面的作用。 追求密碼分析是一個不錯的選擇，而且最好能運用您的技能來構建更安全的實用程式。
接下來，您可以進一步了解資料加密的關鍵術語。