对称加密、单向加密和非对称加密

下文主要从加密算法的特征、常用加密算法和加密工具等方面，梳理和比较对称加密、单向加密和公钥加密的概念及其之间的联系。

1. 对称加密

采用单钥密码的加密方法，同一个密钥可以同时用来加密和解密，这种加密方法称为对称加密，也称为单密钥加密。常用的单向加密算法：

• DES（Data Encryption Standard）：数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据的场合；
• 3DES（Triple DES）：是基于DES，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高；
• AES（Advanced Encryption Standard）：高级加密标准，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高，支持128、192、256、512位密钥的加密；
• Blowfish

算法特征：

• 1、加密方和解密方使用同一个密钥；
• 2、加密解密的速度比较快，适合数据比较长时的使用；
• 3、密钥传输的过程不安全，且容易被破解，密钥管理也比较麻烦；

加密工具：

• openssl，它使用了libcrypto加密库、libssl库即TLS/SSL协议的实现库等。TLS/SSL是基于会话的、实现了身份认证、数据机密性和会话完整性的TLS/SSL库。openssl官网。
• gpg

2. 单向散列加密

单向加密又称为不可逆加密算法，其密钥是由加密散列函数生成的。单向散列函数一般用于产生消息摘要，密钥加密等，常见的有：

• 1、MD5（Message Digest Algorithm 5）：是RSA数据安全公司开发的一种单向散列算法，非可逆，相同的明文产生相同的密文；
• 2、SHA（Secure Hash Algorithm）：可以对任意长度的数据运算生成一个160位的数值。其变种由SHA192，SHA256，SHA384等；
• 3、CRC-32，主要用于提供校验功能；

算法特征：

• ① 输入一样，输出必然相同；
• ② 雪崩效应，输入的微小改变，将会引起结果的巨大变化；
• ③ 定长输出，无论原始数据多大，结果大小都是相同的；
• ④ 不可逆，无法根据特征码还原原来的数据；

下图展示了sha1算法的雪崩效应，微小的改变，引起结果的巨大变化。

加密工具：

• md5sum
• sha1sum
• openssl dgst

3. 非对称加密

非对称密钥加密也称为公钥加密，由一对公钥和私钥组成。公钥是从私钥提取出来的。可以用公钥加密，再用私钥解密，这种情形一般用于公钥加密；也可以用私钥加密，用公钥解密，常用于数字签名，因此非对称加密的主要功能就是加密和数字签名。

特征：

• 秘钥对，公钥(public key)和私钥(secret key)
• 主要功能：加密和签名
  
  • 发送方用对方的公钥加密，可以保证数据的机密性（公钥加密）；
  • 发送方用自己的私钥加密，可以实现身份验证（数字签名）；

图解非对称加密的主要功能：加密解密和数字签名

注意这里John使用Mary的公钥进行加密；

注意这里John使用自己的私钥进行加密；

公钥加密算法很少用来加密数据，速度太慢，通常用来实现身份验证；事实上，非对称加密的主要作用也就是身份验证;

基于非对称加密的特性，又产生了以下两个问题。

问题1：如何确认通信方证书的合法性呢？

借助于第三方机构：CA(Certificate Authority)。CA为每个使用公开密钥的用户签发一个含CA签名的证书，该证书的作用是证明证书中的用户合法拥有证书中的公开密钥，CA机构的数字签名使得攻击者不能伪造和篡改证书。

CA自身也拥有一个证书和私钥。任何人都可以得到CA的证书，并用该证书验证它所签发证书有效性。

假设机构A向CA发出一个证书签发请求：(证书签发流程)

• CA首先生成一对公钥和私钥，并自签署一个CA证书certificate；
• A向CA提供自己的基本信息和自己的公钥；
• CA先对A的基本信息和公钥计算一个特征码，然后再使用自己的私钥对特征码进行加密，加密生成的字符串（数字签名）、A的公钥、A的基本信息共同组成了CA签发的数字证书；

有了CA签发的数字证书，就可以通过CA来确认证书拥有者的身份，也就解决了通信中身份确认的问题。那身份确认完之后，如何保证数据的机密性呢？

问题2：通过CA实现了身份验证，那如何保证数据的机密性呢？

保证数据的机密性，无非就是给数据加密，非对称加密的加密速度慢，不适合对通信数据进行加密，而在实际通信过程中，身份确认完毕之后，通常使用对称加密方式来加密数据。那如何协商对称加密的秘钥呢？通常有以下两种方法。

方法1：秘钥交换(Internet Key Exchange, IKE)算法

Diffie-Hellman算法秘钥协商流程，假设A/B双发进行通信，

• ① A/B通信前，先生成p,g两个大素数，作为生成数
• ② A选定一个数x，B选定一个数y
• ③ A/B加密结果如下：
  
  • A加密之后传递给B的内容: g^x%p –> B
  • B加密之后传递给A的内容: g^y%p –> A
  • 注意：互联网上的用户可以看到：p,g,g^x%p,g^y%p
• ④ A/B获得到数据之后解密得到相同的结果
  
  • A: (g^x%p)^x=g^xy%p
  • B: (g^y%p)^y=g^xy%p

图解秘钥交换

这样A/B就协商出了一个共同的秘钥g^xy%p，A/B双方使用非对称加密确认完身份之后，就可以是用该秘钥加密通信数据了。

方法2：公钥加密的方式协商秘钥

① A随机生成一个字符串STR作为秘钥，A先使用自己的私钥加密STR得到STR1，A再使用B的公钥加密得到STR2，A将STR2发送给B；
② B接收到STR2，先使用B的公钥私钥解密，再使用A的公钥解密，最后得到秘钥STR；

这样A、B就完成了秘钥的协商，协商的秘钥为随机字符串STR。

常用的非对称加密算法

• RSA：由 RSA公司发明，是一个支持变长密钥的公共密钥算法，需要加密的文件块的长度也是可变的；既可以实现加密，又可以实现签名
• DSA（Digital Signature Algorithm）：数字签名算法，是一种标准的 DSS（数字签名标准）；
• ECC（Elliptic Curves Cryptography）：椭圆曲线密码编码；

ECC和RAS对比。ECC和RSA相比，在许多方面都有对绝对的优势，主要体现在以下方面：
① 抗攻击性强，相同的密钥长度，其抗攻击性要强很多倍。
② 计算量小，处理速度快。ECC总的速度比RSA、DSA要快得多。
③ 存储空间占用小,ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA、DSA相比要小得多，意味着它所占的存贮空间要小得多。这对于加密算法在IC卡上的应用具有特别重要的意义。
④ 带宽要求低，当对长消息进行加解密时，三类密码系统有相同的带宽要求，但应用于短消息时ECC带宽要求却低得多。带宽要求低使ECC在无线网络领域具有广泛的应用前景。

Public Key Infrastructure (PKI)

总结

加密方法通常需要具备机密性、完整性和身份确认的功能。对称加密可以保证机密性且加密速度快，但是不能进行身份确认；非对称加密因其加密速度慢，一般不会用做加密，而是用作为身份验证。通常，非对称加密和对称加密、散列函数、秘钥交换等结合使用，共同完成整个网络加密的过程，如：TLS/SSL。

参考

• 关于加密那点事
• 单向散列加密，对称加密，非对称加密
• Cryptographic hash function
• An Overview of Cryptography
• Public Key Infrastructure
• crypto essentials