加解密算法

加解密算法

算法体系

现代加密算法的典型组件包括：加解密算法、加密密钥、解密密钥。其中，加解密算法自身是固定不变的，一般是公开可见的；密钥则往往每次不同，并且需要保护起来，一般来说，对同一种算法，密钥长度越长，则加密强度越大。。

加密过程中，通过加密算法和加密密钥，对明文进行加密，获得密文。

解密过程中，通过解密算法和解密密钥，对密文进行解密，获得明文。

根据加解密的密钥是否相同，算法可以分为对称加密（symmetric cryptography，又称公共密钥加密，common-key cryptography）和非对称加密(asymmetric cryptography，又称公钥加密，public-key cryptography)。两种模式适用于不同的需求，恰好形成互补，很多时候也可以组合使用，形成混合加密机制。

并非所有加密算法的强度都可以从数学上进行证明。公认的高强度加密算法是在经过长时间各方面实践论证后，被大家所认可，不代表其不存在漏洞。但任何时候，自行发明加密算法都是一种不太明智的行为。

对称加密

顾名思义，加解密的密钥是相同的。

优点是加解密效率高（速度快，空间占用小），加密强度高。

缺点是参与多方都需要持有密钥，一旦有人泄露则安全性被破坏；另外如何在不安全通道下分发密钥也是个问题。

对称密码从实现原理上可以分为两种：分组密码和序列密码。前者将明文切分为定长数据块作为加密单位，应用最为广泛。后者则只对一个字节进行加密，且密码不断变化，只用在一些特定领域，如数字媒介的加密等。

代表算法包括 DES、3DES、AES、IDEA 等。

• DES（Data Encryption Standard）：经典的分组加密算法，1977 年由美国联邦信息处理标准（FIPS）所采用 FIPS-46-3，将 64 位明文加密为 64 位的密文，其密钥长度为 56 位 + 8 位校验。现在已经很容易被暴力破解。
• 3DES：三重 DES 操作：加密 --> 解密 --> 加密，处理过程和加密强度优于 DES，但现在也被认为不够安全。
• AES（Advanced Encryption Standard）：美国国家标准研究所（NIST）采用取代 DES 成为对称加密实现的标准，1997~2000 年 NIST 从 15 个候选算法中评选 Rijndael 算法（由比利时密码学家 Joan Daemon 和 Vincent Rijmen 发明）作为 AES，标准为 FIPS-197。AES 也是分组算法，分组长度为 128、192、256 位三种。AES 的优势在于处理速度快，整个过程可以数学化描述，目前尚未有有效的破解手段。

适用于大量数据的加解密；不能用于签名场景；需要提前分发密钥。

注：分组加密每次只能处理固定长度的明文，因此过长的内容需要采用一定模式进行加密，《实用密码学》中推荐使用 密文分组链接（Cipher Block Chain，CBC）、计数器（Counter，CTR）模式。

非对称加密

非对称加密是现代密码学历史上最为伟大的发明，可以很好的解决对称加密需要的提前分发密钥问题。

顾名思义，加密密钥和解密密钥是不同的，分别称为公钥和私钥。

公钥一般是公开的，人人可获取的，私钥一般是个人自己持有，不能被他人获取。

优点是公私钥分开，不安全通道也可使用。

缺点是加解密速度慢，一般比对称加解密算法慢两到三个数量级；同时加密强度相比对称加密要差。

非对称加密算法的安全性往往需要基于数学问题来保障，目前主要有基于大数质因子分解、离散对数、椭圆曲线等几种思路。

代表算法包括：RSA、ElGamal、椭圆曲线（Elliptic Curve Crytosystems，ECC）系列算法。

• RSA：经典的公钥算法，1978 年由 Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman 共同提出，三人于 2002 年获得图灵奖。算法利用了对大数进行质因子分解困难的特性，但目前还没有数学证明两者难度等价，或许存在未知算法在不进行大数分解的前提下解密。
• Diffie-Hellman 密钥交换：基于离散对数无法快速求解，可以在不安全的通道上，双方协商一个公共密钥。
• ElGamal：由 Taher ElGamal 设计，利用了模运算下求离散对数困难的特性。被应用在 PGP 等安全工具中。
• 椭圆曲线算法（Elliptic curve cryptography，ECC）：现代备受关注的算法系列，基于对椭圆曲线上特定点进行特殊乘法逆运算难以计算的特性。最早在 1985 年由 Neal Koblitz 和 Victor Miller 分别独立提出。ECC 系列算法一般被认为具备较高的安全性，但加解密计算过程往往比较费时。

一般适用于签名场景或密钥协商，不适于大量数据的加解密。

RSA 算法等已被认为不够安全，一般推荐采用椭圆曲线系列算法。

混合加密机制

即先用计算复杂度高的非对称加密协商一个临时的对称加密密钥（会话密钥，一般相对内容来说要短的多），然后双方再通过对称加密对传递的大量数据进行加解密处理。

典型的场景是现在大家常用的 HTTPS 机制。HTTPS 实际上是利用了 Transport Layer Security/Secure Socket Layer（TLS/SSL）来实现可靠的传输。TLS 为 SSL 的升级版本，目前广泛应用的为 TLS 1.0，对应到 SSL 3.1 版本。

建立安全连接的具体步骤如下：

• 客户端浏览器发送信息到服务器，包括随机数 R1，支持的加密算法类型、协议版本、压缩算法等。注意该过程为明文。
• 服务端返回信息，包括随机数 R2、选定加密算法类型、协议版本，以及服务器证书。注意该过程为明文。
• 浏览器检查带有该网站公钥的证书。该证书需要由第三方 CA 来签发，浏览器和操作系统会预置权威 CA 的根证书。如果证书被篡改作假（中间人攻击），很容易通过 CA 的证书验证出来。
• 如果证书没问题，则用证书中公钥加密随机数 R3，发送给服务器。此时，只有客户端和服务器都拥有 R1、R2 和 R3 信息，基于 R1、R2 和 R3，生成对称的会话密钥（如 AES 算法）。后续通信都通过对称加密进行保护。