王子亭的博客

在一年多以前，我曾计划写一个系列，关于密码学基础的科普文章。但当我写完第一篇，散列算法的时候，便觉得自己功力尚浅，仍需修炼。今天重新捡起来，写下去。

公钥密码学，也称非对称加密，可以说是现代密码学的基础设施之一。公钥密码学也可以说标志着现代密码学的诞生，让密码学从政府，军方之间的斗智斗勇，成为了具有严谨数学基础的学科。

目前使用最为广泛的公钥加密算法：RSA, 其发明者因此获得图灵奖(计算机领域的最高奖项).

应该说密码学一直以来和军队，战争都是密不可分的。

我们设想这样一个场景，同属一个阵营的两个部队，被相隔一段距离，其间都被地方部队占领，这意味着他们之间通过信使传递的所有信息，都是可能被敌人监控(阅读)的。

那么如何在事先没有沟通的情况下安全地交换信息呢？

对于经典的对称加密算法(对等加密, 共享密钥加密), 这是很难做到的。因为对称加密需要一个密钥(密码), 而两个部队事先是没有沟通过的，没有对密钥达成共识。

而且他们现在也不可能再协商密钥，因为现在他们所有的通信都是被监控的了，一旦他们在这种环境下协商密钥，那么敌人也会知道密钥，便也能解密他们之后传送的加密信息。

对称加密对加密和解密都使用同一个密钥，我们可能需要的是一种针对加密和解密，使用不同密钥的加密算法，这便是非对称加密的含义。

试想，部队A可以生成一对密钥，分别用于加密(公钥)和解密(私钥), 然后将公钥发送给部队B. B便可以使用这份密钥对信息进行加密，再将加密信息发送回A了。

这里的公钥，即使被敌人获取也没有关系，因为这里的公钥，仅仅能够用于加密数据，而唯一可以解密数据的私钥，自始自终都在A手中，从未公布出去。

这样一来，A和B便可以在受监控的情况下，没有实现沟通，便能安全地交换信息了。

让我们进一步设想，如果敌人可以篡改A和B之间发送的信息呢？

例如当A发送公钥给B的时候，敌人将公钥拦截下来，自己生成一堆公私钥，将自己的公私钥发送给B. 相当于敌人冒充了B与A建立联系，建立了两个加密通道，分别是从A到敌人，和从敌人到B.

这样以来，敌人便可以在两个通道之间，监控到A和B通信的明文了，同时敌人还可以任意篡改A和B之间发送的信息，即使它们已经被加密。

这便是经典的“中间人攻击”. 应该说如果A和B没有事先沟通过，而且没有一个可信的第三方，那么这个问题几乎是无解的。

但如果允许A和B事先进行沟通，该如何在敌人可以篡改信息的前提下，安全地交换信息呢？

其实这个问题很好解决，只需在实现沟通时互相交换密钥即可，其后敌人(中间人)便无法再进行冒充了，因为密钥根本没有在这时被交换。

然而更为通用的做法是使用“数字签名”，数字签名恰好是公钥加密的逆运算。即将加密密钥保密，而将解密密钥公布出去，使得只有自己可以加密信息，而任何人都可以解密信息。

要实现数字签名，只需自己将要签名的信息(通常是一个散列摘要值)加密并公布即可，其他人可以认为，凡是用你公布出去的解密密钥能解密的信息，都是你自己加密(签名)过的。

这样便可以识别一段信息，是否真正地由其宣传的发信人所发送，识别出被中间人所篡改的信息。

在前面的情况下，我们还需要考虑的是“重放”攻击，即中间人虽然不知道A和B传输的实际内容，但却可以将其中的一份信息复制两遍甚至更多，已达到干扰的目的。通常应对重放攻击只需在加密信息中约定一个递增的编号，或者时间戳即可。

下面我们来讨论公钥加密算法(RSA)背后的数学原理，本人数学很渣，只能大概谈谈应用RSA时需要了解的一些原理，更详细的数学原理请围观各种大牛的文章，如： http://www.matrix67.com/blog/archives/5100

RSA基于这样一个原理：计算两个数的乘积是十分容易，但对一个数进行因式分解，得到这两个数却十分不易。

可能这个原理并不直观，甚至有点反常识，但RSA选择的两个数的乘积，都是2^2048这样数量级的数字，换算为十进制，那么将会是1后面跟6000多个0.

直到目前，对大数进行因式分解仍是一个难题，数学家还没有找到比试除法更高效一点的方法，因此在目前，对一个足够大的数进行因式分解可以认为是一项不可能完成的任务。但也不排除今后有数学家发明进行因式分解的简单方法，届时，RSA算法，甚至整个密码学，整个世界都会坍塌。

有点虎头蛇尾啊，本来打算最后举一个RSA计算的例子的，结果还是写不下去 …

TCP和UDP是传输层最常用的两种协议，几乎每个应用层协议都要在它们中间选择一个。同样，本文不详述其协议本身，而是着重对比。

显然如果我要是说，TCP是面向连接的可靠传输协议，而UDP无连接且不可靠，那么我这半个月的书算是白读了。

UDP仅仅是在IP的基础上提供了多路分解和多路复用，以及差错校验，十分简单——从UDP报头就能看出。

而TCP提供的功能则要复杂得多，首先为了保证数据能够正确、有序地到达，TCP使用了“流水线”“积累确认”的模型。

TCP会对每个数据报进行编号，同时在每个数据报中，都包含一个“确认序列号”的字段，用来指明上一个从对方正确接收的数据报。一旦接收方在一定时间内没有发送相应的确认序列号，那么发送方就会重传这些数据报。

数据报的发送行为是“流水线”(与之对应的是“逐一确认”)的，即发送方不逐一等待确认，而是一次发送若干个数据报，换句话说，发送和确认的行为是异步的。

而在这里，确认行为是“积累”(与之对应的是“选择重传”)的，也就是说，一旦一个数据报丢失了，那么在这之后的所有数据报都会重传。

TCP还提供有流量控制和拥塞控制的功能。

流量控制即在每个数据报中，都会指明自己的缓冲区还能容纳多少数据，发送方将根据这个值来协调同时存在于“流水线”上的数据量。流量控制保证了，应用层程序不会因为缓冲区不足而无法接收到新数据。当缓冲区满了以后，发送方会暂停发送。

拥塞控制即TCP会根据网络情况，自动调整发送速率。典型策略是每发送成功一个包，即提高一些发送速率，每出现一次重传，即降低一些发送速率。

同时TCP还使用了“慢启动”模型，即建立连接后默认速率是最低的(1MSS/RTT, MSS即最小TCP分段, MTU减去TCP报头), 然后逐渐提升发送速率。

这样可以保证重传行为始终是受控的，不会因为网络不稳定而出现大量重传的数据报而堵塞线路。

TCP往往用于要求数据分毫不差的应用中，比如网页(HTTP), 文件传输(FTP), 电子邮件(SMTP/POP3), 终端(Telnet)等等。

而UDP往往用于可以容忍数据丢失的协议，如流媒体应用, 语音和视频通话等，这些应用即使出现数据丢失，影响也是瞬间的，可以容忍的。

那么为什么这些流媒体应用要选择UDP呢？换言之，TCP在保证可靠传输的同时又牺牲了什么呢？

对于流媒体应用，临时的数据丢失是可以容忍的，但绝不能容忍的是延迟。

为了建立一个TCP连接，TCP需要进行“三次握手”，只有当三次握手完成后，才会正式传输数据。这样一来，建立连接并传输一份数据，至少需要2个RTT(往返延迟), 如果考虑发送端确认的话，那么需要2.5个RTT.

在断开连接时，TCP还需要“四次挥手”，又会消耗掉至少1.5个RTT.

UDP则没有这个顾虑，直接发送数据，只需0.5个RTT.

UDP协议本身保证了，当应用层通过Socket将数据传递给传输层时，UDP会立刻将数据报发送出去。而TCP不提供这个担保，TCP因为提供有流量控制和拥塞控制服务，TCP会自行选择在“合适”的时候再发送数据报。

流媒体应用在需要低延迟的情况下，还需要尽可能的带宽保证。

尤其是因为TCP的拥塞控制服务，注定了TCP不能够尽可能利用带宽，当网络出现堵塞时，TCP的拥塞控制会降低发送速率，让出带宽，直到网络恢复。

而UDP只会简单粗暴地继续发送数据报，很多情况下，TCP都在为UDP让出带宽，这也算是劣币驱逐良币的一种表现，据说有大牛在研究给UDP加上拥塞控制。

总结：那些宁可在UDP上自行实现TCP的部分功能的应用，主要原因在于希望避开TCP的拥塞控制，以便于尽可能地利用带宽。

HTTP和FTP作为互联网架构中相当基本的应用层协议，想必大家对它们都有一些了解，因此，本文不详述其协议本身，而是着重于它们之间的对比。

应该说HTTP和FTP的定位是相当接近的，FTP用于传输文件，而HTTP用于传输本质也是文件的“对象”(不要忘了HTTP还有PUT和DELETE等方法). 它们均基于TCP, C/S架构，均为基于纯文本的“简单”协议，都有SSL版本：HTTPS和FTPS(不是SFTP!).

通常FTP除了文件本身的属性，如体积，修改时间外，没有其他的元信息(meta-data), 而每个HTTP报文则都会携带大量的元信息，即HTTP报头中的键/值对。这估计也是HTTP将文件抽象为“对象”的原因吧。下面是一个简单(大多数浏览器都会产生更多报头)的HTTP请求报头：

GET / HTTP/1.1
Host: jyprince.me
Connection: kepp-alive
User-agent: Mozilla/4.0
Accept-language: zh-cn

之所以我将报头中的键/值对视为“信息”而不是协议本身，是因为它们中的大部分字段都是交由Web服务器或者浏览器来处理的。

当然，也有一些例外，如 Connection: kepp-alive, 这个报头指出客户端希望于服务器建立持久连接。基于持久连接的HTTP, 和FTP一样，都可以认为是一问一答的交互式会话。

但HTTP是无状态的，每一问一答中间，是没有关联的，将多个应答放在同一个TCP连接中仅仅是为了节约建立TCP连接的时间。

而FTP的两个应答之间，服务器是需要维护状态信息的，例如客户端的当前路径，这将直接影响到之后的指令的行为。

HTTP虽然也有手段携带状态信息(如Cookie), 但在我看来，这些属于协议之上承载的信息，并非协议本身。

HTTP报文的数据紧接报头，以一个空行隔开，即HTTP报文中的键/值对(元信息)和数据是一体的。而FTP连接中仅发送控制指令，每当需要传输文件的数据时，会建立另一个连接专用于传输数据。

总结：

• HTTP在报头中以键/值对携带元信息，FTP没有
• HTTP无状态，FTP在会话期间维护状态
• HTTP的元信息与数据一同传输，FTP使用单独的连接传输数据