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密碼學原理及達到功能

資訊社會中，面臨著許多安全上的威脅與攻擊。例如資料外洩、篡改、置換、竊取、偽造、假冒身份或否認與資料之關聯等等。IC卡的應用何嘗不是如此，如果不在資訊安全上慎思熟慮，將會造成嚴重的後果。隨著近代密碼學的進步發展，配合完善的規劃管理，可確保IC卡等資訊應用安全可行。

利用密碼學的技術，可以做到以下幾種安全服務：

 n       資料的保密性 Confidentiality

 利用加解密技術可以保護網路上傳遞或儲存的資料，不被他人竊取、窺探。無論是國防軍事或在網際網路各種應用上，資料加密保護是不可或缺的一環。在IC卡的應用上，某些重要資料(如金鑰等)，可在應用軟體程式端加密後，傳送到IC卡內才解碼存入處理。如此可確保資料在傳輸上的安全。有些IC卡也提供加解密的功能，外界應用程式可視需要來呼叫使用。

 n       資料的完整性 Integrity

 在許多的應用上，資料並不需要保密，只要收方能確認送方所傳來的資訊，沒有任何的遺漏或變更即可。一般作法是，運用對稱性密碼技術，對原始資料產生一個驗證值，通常稱為押碼或MAC(message authentication code)。而後需要驗證時，再輸入原始資料及原押碼，經過密碼運算後比較結果，即可確認資料正確無誤。這是目前國內金融網路安全上，最常使用的方法。另外，利用非對稱性密碼技術的電子簽章方法，也可以確認被簽署文件的完整性。

 n       鑑別 Authentication

 在生活上，我們藉由面孔與聲音來確認對方。在電子化社會中，如何鑑別對方的身份？如何驗證通訊的資料的確來自對方？在IC卡的應用上，IC卡如何鑑別外界的身份？ "誰"可以更改資料、"誰"可以讀取資料，都必須先經過身份的驗證，而外界又如何認證IC卡的真偽？這些功能，都必須利用密碼安全機制來實現。

 n       不可否認性 Nonrepudiation

 在生活上，我們藉由簽章來對某事件負責。在電子化社會中，如何讓發送資訊或產生電子交易者，無法否認這些資訊與他的關聯？在IC卡的應用上，某些重要交易，為了確保它的真實性，的確是由這片IC卡所產生的，都可以利用電子簽章技術來達到。

 密碼系統種類

 在密碼學領域，通常可區分為兩種密碼系統：一、對稱性密碼系統(symmetric cryptographic system)，其中以DES (Data Encryption Standard)加密演算法，使用最為廣泛。二、非對稱性密碼系統(asymmetric cryptographic system) ，其中以RSA之加密演算法，最為廣為人知。如果結合兩者之特性，而擁有數位信封(Digital Envelope)等功能，可稱之為Hybrid Cryptographic System(混合型密碼系統)。

 加解密演算法須公開，金鑰才是安全關鍵

 無論是何種密碼系統，它的加解密演算法(algorithm)都必須公開，讓所有的密碼專家檢驗，才可能廣為世人接受。

 加解密演算法既然不是秘密，真正保護資訊的其實就是金鑰(key)。在對稱性密碼系統中，加解密是使用同一把金鑰；也就是說，資訊送收雙方有共同的金鑰值，經過相同的加解密演算法，才能完成加密及解密的功能。而非對稱性密碼系統中，加解密是使用一對不同的金鑰；也就是說，送方將資訊由加密金鑰加密後，收方則使用解密金鑰來解密還原資訊。由以上可知，金鑰是密碼運算的重要關鍵。保護金鑰的安全，使其不洩露於外人，才能確保資訊密碼運算處理的安全。

 沒有絕對安全的密碼系統，只有機率上相對安全的密碼系統

 各種加解密演算法，金鑰長度在實際、經濟的考量下，絕不可能無限大。因此只要有明文及加密後的密文，一直去尋找金鑰直到海枯石爛，總有找到的一天。同樣的加解密演算法，金鑰長度越長，破解機率越低，找到金鑰越困難。因此沒有絕對安全的密碼系統，只有機率上相對安全的密碼系統。當然，如果加解密演算法設計不佳，還能增加破解速度。

 密碼運算在IC卡實現時的安全考量

 為了避免有心人士，在IC卡執行加解密運算時，利用錯誤攻擊法(Fault attack)，故意製造錯誤，進而推算出金鑰值，應增加保護驗證之措施。國內成大賴溪松教授，在這方面有相當好的研究成果。

同樣地，為了避免有心人士，在IC卡執行加解密運算時，利用外界一些儀器測量處理時間、電流消耗等資訊，進而推算出金鑰值，應增加各種亂數運算加入其中，使其無法量測真實的資訊。

電子簽章主要的目的是讓某電子文件與某人產生密切關係，無法否認曾經簽署過這個文件，達到不可否認性(又稱存證,Non-repudiation)功能。電子簽章可以用對稱性密碼系統或非對稱性密碼系統來實現。

 對稱性密碼系統實現電子簽章，必須有條件

 如果使用對稱性密碼系統，則必須滿足以下條件：一，每一個人的金鑰必須不同，且互相無法得知他人金鑰。二，有一個大家信任的驗證單位，可以知道或推算出某人的金鑰，進而對某電子文件來驗證電子簽章真偽。

 非對稱性密碼系統，適合應用電子簽章

 非對稱性密碼系統，非常適合應用在電子簽章上。因為私密金鑰只有自己擁有，公開金鑰則可以公開散佈。利用私密金鑰對需要簽署的資料產生電子簽章，其他人只要有相對的公開金鑰，都可以驗證被簽署資料的電子簽章。目前有多種非對稱性演算法及標準可以實現電子簽章，包括RSA、DSA(Digital Signature Standard)、橢圓曲線演算法等。其中DSA由美國政府開發出來，只能做電子簽章功能，無法做資料加解密。

公開金鑰被置換的風險 

在公開金鑰系統，公開金鑰可以任意公開讓他人知道。例如張三在類似電話號碼簿的網路虛擬公開金鑰簿上，刊載其身份及公開金鑰。但我們如何確認此公開金鑰的確為張三所有？有沒有可能公開金鑰被駭客掉包，換成了駭客的公開金鑰？如此，駭客將可以騙取破解他人用張三的"公開金鑰"加密打算送給張三的文件資料。因為實際上資料是用駭客的公開金鑰加密，駭客用自己的私密金鑰解密還原後，再用原張三的公開金鑰加密送給張三，豈不是神不知鬼不覺！另一方面，駭客也可以產生假冒張三的電子簽章，因為他人拿到的是假張三的公開金鑰，當然電子簽章驗證就一定成功正確，無法發現被矇騙了。

 憑證的目的：緊密結合身份識別資訊與公開金鑰

 為了杜絕以上問題，必須將身份識別資訊與公開金鑰緊密結合，無法被拆開置換。在密碼學技術上可以輕易解決這個問題，只要有一個機構使用自己的私密金鑰，對某人的身份識別資訊與公開金鑰一起產生電子簽章，做到資料完整性。大家就可以利用此機構的公開金鑰，來驗證確保其他人的身份與公開金鑰。這樣的機構我們稱之為認證中心或CA(Certification Authority)。認證中心對他人的身份識別資訊與公開金鑰產生的電子簽章，結合身份識別資訊與公開金鑰稱之為憑證(certificate)。所以個人要確保自己的權益及公開金鑰的安全，就需要向CA申請憑證，供大家認證使用。 

CA的政策與憑證的分級限制

 CA首要工作，就是建立認證的政策(police)，依照憑證使用目的及功能區分成不同等級，申請者的身份確認嚴謹標準也因此而異。例如，假設某CA將簽發的憑證分為三級，第一級，免費提供給申請者從網路直接申請及簽發憑證。申請者可使用此等級的憑證做電子郵件簽章、加密等不牽涉金錢交易的功能。第二級，年收費1000元，申請者至少需要有機構行號證明的確此人身份與公開金鑰無誤，此等級的憑證可用在網路金融交易上。第三級，年收費100,000元，申請者必須親自上門申請，此等級的憑證可用在網路商店、各種交易文件上。