对称加密、非对称加密、哈希算法详解

对称加密、非对称加密、哈希算法详解

加密技术是保障信息安全的重要手段之一，对称加密、非对称加密和哈希算法则是常见的三种技术。本文将分别介绍这三种技术的工作原理、应用场景以及优缺点。

数据加密

数据加密，是一门历史悠久的技术，指通过加密算法和加密密钥将明文转变为密文，而解密则是通过解密算法和解密密钥将密文恢复为明文。它的核心是密码学。数据加密是计算机系统对信息进行保护的一种最可靠的办法。它利用密码技术对信息进行加密，实现信息隐蔽，从而起到保护信息的安全的作用。

最原始的数据传输方式就是明文传输。所谓“明文”就是输入文件的原始内容、传输文件的内容、最终文件的显示内容一致，别人获取到文件后就知道里面的全部内容了。很显然，这种数据传输方式很不安全，被非法截取后，信息会全部泄露。

古代人类在通信中就已经开始使用各种加密手段，以保护重要信息的安全，比如：凯撒密码、斯巴达密码、埃及纳谷尔密码。中世纪到近代，随着技术的进步和战争的频繁，密码学也得到了进一步的发展，比如：维吉尼亚密码、恩尼格玛机。20世纪末至21世纪初，随着计算机技术的飞速发展，密码学迎来了全新的时代，现代密码学主要包括：对称加密算法、非对称加密算法、哈希算法。

术语

• 明文：即原始的或未加密的数据。通过加密算法对其进行加密，加密算法的输入信息为明文和密钥；
• 密文：明文加密后的格式，是加密算法的输出信息。加密算法是公开的，而密钥则是不公开的。密文不应为无密钥的用户理解，用于数据的存储以及传输；
• 密钥：是由数字、字母或特殊符号组成的字符串，用它控制数据加密、解密的过程；
• 加密：把明文转换为密文的过程；
• 加密算法：加密所采用的变换方法；
• 解密：对密文实施与加密相逆的变换，从而获得明文的过程；
• 解密算法：解密所采用的变换方法。

流程

如图：

加密过程：通过加密方法E，数据P + 密钥K1 = 密文C；
解密过程：通过解密方法D，密文C + 密钥K2 = 数据P；

密码还被广泛用于身份认证、防止否认等问题上。

对称加密

对称加密，也叫私钥加密，是指加密和解密使用相同密钥的加密算法。在大多数的对称算法中，加密密钥和解密密钥是相同的，所以也称这种加密算法为秘密密钥算法或单密钥算法。

对称密钥的加/解密过程如图所示。甲与乙要事先协商好对称密钥，（1）甲使用对称密钥对明文加密，并将密文发送给乙。 （2）乙接收到密文后，使用相同的对称密钥对密文解密，还原出最初的明文。

对称加密的优点在于加密和解密速度快，加密强度高，但缺点是密钥管理困难，因为如果密钥泄露，则安全无法保障。

• 缺点：破解相对较容易；密钥管理难度较大，不适用于分布式系统（n个用户的团体就需要协商n*(n-1)/2个不同的密钥）；
• 优点：算法公开；加密/解密运算相对简单，加密和解密速度快、效率高；
• 对称加密适用于需要快速加解密和较高加密强度的场景，如数据存储、网络通信等。常见算法：DES,3DES,AES,RC2,RC4 等。

非对称加密

非对称加密使用了一对密钥，公钥和私钥。私钥只能由一方安全保管，不能外泄，而公钥则可以发给任何请求它的人。公钥，可以对外公开，通常用于数据加密，私钥，是不能对外公布的，通常用于数据解密，。而且公/私钥必须成对使用。乙生成一对非对称秘钥，将公钥向所有人公开，甲拿到乙的公钥后使用乙的公钥对信息加密后发送给乙，经过加密的信息只有乙手中的私钥能解密。这样甲可以通过这种方式将自己的公钥加密后发送给乙，两方建立起通信，可以通过对方的公钥加密要发送的信息，接收方用私钥解密信息。

非对称密钥加/解密的过程如图所示。甲要事先获得乙的公钥，（1）甲使用乙的公钥对明文加密，并将密文发送给乙。（2）乙收到密文后，使用自己的私钥对密文解密，得到最初的明文。

• 缺点：加解密速度慢，因为需要大量的计算资源；需要大量的存储空间来存储公钥和私钥对；
• 优点：安全性高，因为私钥不通过网络发送出去；适用于分布式系统，因为每个节点可以拥有不同的公钥和私钥对；
• 非对称加密适用于需要高安全性、分布式系统的场景，如数字签名、身份认证等。常见的非对称加密算法有RSA、ECC等。

哈希算法

哈希算法是一种数据摘要算法,也称为消息摘要算法或者单项转换，任何一个数据文件都可以通过哈希算法得到一个唯一的、长度相同的消息摘要。哈希加密不需要密钥，只能进行正向的信息摘要，而无法从摘要中恢复出任何原始消息哈希算法，哈希算法不是对称或非对称加密算法，不适用于数据的加密和解密操作。

特点：双方必须在通信的两端各自执行 Hash 算法计算；哈希算法可以表示任意长度数据特征，同一种 Hash 运算会产生固定长度的摘要内容，比如 1MB、1GB 的数据，相同的哈希算法得到的摘要值都是一样的长度；原文改变则哈希运算的结果必定会是不同的，但相同的输入必会产生相同的输出。

哈希加密适合用于验证应用程序中的数据完整性和真实性，例如数字签名、区块链、密码存储等。固定长度的哈希值充当了潜在可变长度输入数据的密码指纹。常见算法：MD5(Message Digest Five):128 bits；SHA-1(Secure Hash Algorithm):160 bits；SHA-256：256 bits。

例：数字签名流程

（1）计算得到原始数据的「摘要信息」；
（2）将「摘要信息」用私钥加密-即签名；
（3）把原数据和「签名后的摘要」打包给目标用户；
（4）用户先计算原数据的「摘要信息」，再用公钥解密「签名后的摘要」得到「待验证的摘要」，最后再与「摘要信息」比对；

匹配一致则能保证原始数据未被篡改，这样便是一个完整的数字签名与验签的过程。

总结

对称加密、非对称加密和哈希算法是现代加密技术的三大支柱，它们在保护数据安全方面发挥着重要作用。对称加密适用于大量数据的加密和解密操作；非对称加密适用于数字签名、身份认证等场景；哈希算法适用于验证数据的完整性和数字签名等场景。在实际应用中，根据不同的需求选择合适的加密技术组合来保障数据的安全性。

具体算法种类

对称性加密算法有：AES、DES、3DES

用途：对称加密算法用来对敏感数据等信息进行加密

• 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；AES是一个使用128为分组块的分组加密算法，分组块和128、192或256位的密钥一起作为输入，对4×4的字节数组上进行操作。众所周之AES是种十分高效的算法，尤其在8位架构中，这源于它面向字节的设计。AES 适用于8位的小型单片机或者普通的32位微处理器,并且适合用专门的硬件实现，硬件实现能够使其吞吐量（每秒可以到达的加密/解密bit数）达到十亿量级。同样，其也适用于RFID系统。

非对称性算法有：RSA、DSA、ECC

• 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。RSA在国外早已进入实用阶段，已研制出多种高速的RSA的专用芯片。
• DSA（Digital Signature Algorithm）：数字签名算法，是一种标准的 DSS（数字签名标准），严格来说不算加密算法。
• ECC（Elliptic Curves Cryptography）：椭圆曲线密码编码学。ECC和RSA相比，具有多方面的绝对优势，主要有：抗攻击性强。相同的密钥长度，其抗攻击性要强很多倍。计算量小，处理速度快。ECC总的速度比RSA、DSA要快得多。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。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。

散列算法（签名算法）有：MD5、SHA1、HMAC

用途：主要用于验证，防止信息被修。具体用途如：文件校验、数字签名、鉴权协议

• MD5：MD5是一种不可逆的加密算法，目前是最牢靠的加密算法之一，尚没有能够逆运算的程序被开发出来，它对应任何字符串都可以加密成一段唯一的固定长度的代码。
• SHA1：是由NISTNSA设计为同DSA一起使用的，它对长度小于264的输入，产生长度为160bit的散列值，因此抗穷举(brute-force)性更好。SHA-1设计时基于和MD4相同原理,并且模仿了该算法。SHA-1是由美国标准技术局（NIST）颁布的国家标准，是一种应用最为广泛的Hash函数算法，也是目前最先进的加密技术，被政府部门和私营业主用来处理敏感的信息。而SHA-1基于MD5，MD5又基于MD4。
• HMAC：是密钥相关的哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code）,HMAC运算利用哈希算法，以一个密钥和一个消息为输入，生成一个消息摘要作为输出。也就是说HMAC是需要一个密钥的。所以，HMAC_SHA1也是需要一个密钥的，而SHA1不需要。

CRC

（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验）算法出现时间较长，应用也十分广泛，尤其是通讯领域，现在应用最多的就是 CRC32 算法，它产生一个4字节（32位）的校验值，一般是以8位十六进制数，如FA 12 CD 45等。CRC算法的优点在于简便、速度快，严格的来说，CRC更应该被称为数据校验算法，但其功能与数据摘要算法类似，因此也作为测试的可选算法。