密码学

一、加密算法
1、对称加密算法 - AES-Advanced Encryption Standard

  • 是什么？
    AES 就是目前最流行、最安全的对称加密算法，简单说就是加密和解密用同一个密码。
    📌 适用场景（生活 / 工作中常见）

    • 手机 / 电脑锁屏密码：你的手机开机密码，实际是用 AES 加密了手机数据；
    • APP 本地数据存储：比如微信的聊天记录、支付宝的本地缓存，都是 AES 加密；
    • 点对点保密传输：比如你给朋友传保密文件、公司内部系统的敏感数据传输；
    • 物联网设备：智能门锁、摄像头的通信数据，用 AES 加密保证安全。

  • 为什么？
    术语

    • 明文、密文、密钥
    • 密钥长度：长度越长，越安全，破解难度越大
      AES-128：密钥长度 128 位（最常用，手机 / APP / 普通场景）；
      AES-192：密钥长度 192 位（中高安全场景，不常用）；
      AES-256：密钥长度 256 位（最高安全级别，银行 / 军工 / 政务）

  • 加密流程
    AES 不是简单的 “替换字符”，而是一套标准化的「搅乱流程」，可以理解为给明文做 3 轮 “花式搅乱”，最终变成密文，解密就是反向搅乱：

    • 分组：把明文切成固定大小的 “小块”（每块 128 位），就像把长纸条切成一段一段的；
    • 搅乱：用密钥对每个小块做「替换、移位、混合」操作，把明文的字符顺序、内容彻底打乱；
    • 拼接：把搅乱后的小块重新拼起来，就得到了密文。
      ✅ 重点：不管明文多长，AES 都会按固定规则分组处理，解密时反向操作即可，速度非常快，手机 / 电脑运行毫无压力。

  • 加密模式

    • 模式 1：ECB 模式（有坑，禁止使用）
      💡 大白话：把明文分成小块，每一块用同一个密钥单独加密，就像把蛋糕切成小块，每块都抹同一种果酱。
      ❌ 缺点：如果明文里有重复的内容，加密后的密文也会重复，容易被攻击者找到规律，安全性低。
      👉 适用场景：几乎不用，了解即可，面试会问到。

    • 模式 2：CBC 模式（纯加密场景流行）
      💡 大白话：加密前先加一个「初始向量（IV）」，每一块的加密结果会影响下一块，就像接力赛，前一棒的结果决定后一棒的起跑，彻底避免重复密文。
      ✅ 优点：安全性高，没有 ECB 的漏洞，是目前最常用的模式。
      ✅ 关键：CBC 模式需要两个东西：密钥 + 初始向量（IV），IV 是随机的，长度固定为16字节 - 128 位，不需要保密，但必须和密钥一起用。

    • 模式 3：GCM 模式（加密 + 防篡改 + 防伪造）
      💡 CBC 的「升级款」，AES-GCM 是带认证的流加密模式，大白话就是「加密数据的同时，生成一个 “防伪验证码”」，解密时先验这个验证码，验证码不对，直接拒绝解密（说明数据被改了 / 是伪造的），而且它是流加密、不用填充，速度比 CBC 还快，现在行业里基本都用 GCM 替代 CBC 了
      核心三要素：AES-128 密钥 16位/24位/32位 + 12 字节唯一 IV（必选随机生成，可明文传）+16 字节 Tag（加密生成解密验证）；
      示例：

      • 你和朋友约定密钥：奶茶不加糖；
      • 你用密钥加密明文「今晚 8 点 XX 餐厅聚餐」，生成密文 + 防伪验证码（Tag 16字节-128位）（比如密文：%@6&*ab9，Tag：123456）；
      • 你把「密文 + Tag」一起传给朋友；
      • 朋友收到后，先用密钥验 Tag：
        • ✅ Tag 对得上：说明数据没被改、不是伪造的，正常解密出明文；
        • ❌ Tag 对不上：直接扔掉，不解密，知道数据被动手脚了。

    • 区别：GCM 的 IV 为什么要求「唯一」而不是「随机」？
      大白话理解：同一个密钥下，只要 IV 不重复，即使明文相同，加密后的密文和 Tag 也绝对不同；如果 IV 重复了，黑客能通过对比密文，直接破解出密钥，整个 GCM 加密就等于裸奔了。
      而 CBC 的 IV 只要求随机，不强制唯一（重复了只是密文重复，不会直接泄露密钥），所以GCM 对 IV 的要求更严，但 12 字节的 IV 随机生成，重复的概率比中彩票还低，放心用。

    • 适用场景：

      • HTTPS/TLS：现在的浏览器和服务器通信（TLS1.2/TLS1.3），默认用 AES-GCM 加密，保证网页数据的保密和完整；
      • 物联网设备：智能门锁、摄像头、手环的通信数据，GCM 速度快、轻量，还能防篡改（防止坏人伪造设备指令）；
      • 移动端 APP：微信 / 支付宝的聊天记录、支付数据，手机银行的交易数据，都用 GCM 加密；
      • 金融 / 支付：银行卡交易、扫码支付的核心数据，加密的同时保证不被篡改；
      • 大数据传输：流加密速度快，适合大文件 / 大流量数据的加密传输，无填充省步骤。

2、非对称加密

  • 是什么？
    非对称加密的核心是公钥（Public Key）+ 私钥（Private Key） 成对生成，这对钥匙是 “数学绑定” 的 ——公钥加密的内容，只有对应的私钥能解密；私钥签名的内容，只有对应的公钥能验签，反之亦然，而且从公钥推不出私钥，这是安全的核心。

    • 加密 / 解密：公钥加密，私钥解密（核心解决 “密钥安全传输” 问题，配合 AES 用）；
    • 签名 / 验签：私钥签名，公钥验签（核心解决 “防抵赖、防篡改”，比如签合同，你用私钥签，别人用你的公钥验，证明是你签的，不是别人伪造的）。
    • 缺点：非对称加密从不直接加密大文件 / 大文本（速度太慢），实际项目中都是非对称加密 + 对称加密结合用（非对称加密 AES 密钥，AES 加密实际数据），这是行业标配！

  • 有对称加密为什么还要非对称加密？
    对称加密使用一把钥匙通加解密，但它有个致命痛点：密钥没法安全传给对方（传的过程中容易被截获），而非对称加密就是专门解决这个问题的 —— 核心是生成一对钥匙（公钥 + 私钥），公钥随便给人，私钥自己藏好，加密 / 解密、签名 / 验签用不同的钥匙，完美解决密钥传输和身份认证问题。
    非对称加密的解决方案（公钥随便传，私钥自己藏）

    • 朋友先生成一对钥匙：私钥（自己藏在口袋里，绝对不给人）+ 公钥（写在纸上，贴在大街上，谁都能拿）；
    • 你拿朋友的公钥，把 AES 密钥 “奶茶不加糖” 加密成乱码，传给朋友；
    • 坏人就算截获了乱码，也只有朋友的私钥能解密，拿到真正的 AES 密钥；
    • 你和朋友用解密后的 AES 密钥，加密聚餐纸条（非对称加密速度慢，一般不直接加密大内容，只加密 AES 密钥，这是行业通用玩法！）。

  • 分类
    目前主流的非对称加密算法分两类：

    • 一类是加密 + 签名都能做的通用型（RSA、ECC），RSA 是老大哥（兼容性拉满），ECC（椭圆曲线）是新主流（更安全、更轻量，现在首选）；
    • 一类是只做签名 / 验签的专用型（DSA、ECDSA），ECDSA 替代了老旧的 DSA，是目前数字签名的标配。

    （1）ECC（椭圆曲线加密，Elliptic Curve Cryptography）—— 新主流，首选！
    ECC 是目前最推荐的非对称加密算法，也是未来的趋势，核心基于椭圆曲线离散对数难题），最大的优势是：同样的安全级别下，ECC 的密钥长度比 RSA 小得多，速度更快、更轻量，特别适合移动端、物联网、区块链等对性能 / 存储空间有要求的场景。

    • 对比 RSA：
      • 256 位的 ECC 密钥 ≈ 2048 位的 RSA 密钥（安全级别基本一致）；
      • 密钥小：256 位 ECC 密钥比 2048 位 RSA 密钥小近 10 倍，存储 / 传输更方便；
      • 速度快：加解密 / 签名验签的速度比 RSA 快 2-5 倍，移动端 / 物联网设备跑起来毫无压力。
    • 常用密钥长度
      • 256 位（主流，大部分场景够用，手机 / APP / 物联网 / HTTPS）；
      • 384 位（高安全场景，金融 / 政务）；
      • 521 位（最高安全级别，军工 / 核心机密）。
    • 适用场景（现在的主流，能选 ECC 就不选 RSA）
      • HTTPS/TLS1.3（现在浏览器默认用 ECC 握手，替代 RSA）；
      • 移动端 APP（微信 / 支付宝 / 手机银行的身份认证、签名）；
      • 物联网（智能门锁 / 摄像头 / 手环的密钥协商、签名）；
      • 区块链（比特币 / 以太坊的钱包地址、交易签名，用的是 ECC 的 secp256k1 曲线）；
      • 数字证书（新申请的 SSL 证书，基本都是 ECC 类型，比 RSA 证书小）；
      • 轻量级设备（单片机 / 传感器，存储空间小，跑不动大的 RSA 密钥）。
        （2）RSA-老大哥，兼容性拉满
        RSA 是最经典的非对称加密算法，由三位数学家发明（Rivest+Shamir+Adleman），名字就是三人首字母，核心基于大质数分解难题—— 大白话就是：“把两个超大的质数乘起来得到一个数，很容易；但反过来，把这个大数分解成两个原始质数，极难”，目前 2048 位以上的 RSA 密钥，全世界的计算机都无法暴力破解。
        RSA 是过去几十年的非对称加密 “扛把子”，兼容性无敌，所有系统 / 编程语言 / 设备都支持，现在虽然被 ECC 赶超，但老系统 / 老设备还在广泛使用，是 “兜底选择”。
    • 常用密钥长度
      • ❌ 1024 位：2015 年后就被证明可以被破解，绝对不能用！
      • 2048 位（主流，老系统 / 兼容性要求高的场景）；
      • 4096 位（高安全场景，金融 / 政务，不推荐用，密钥大、速度慢，不如用 256 位 ECC）；
    • 核心特点
      • 优点：兼容性无敌，任何设备 / 语言都支持，开发不用考虑适配问题；
      • 缺点：密钥大、速度慢，2048 位 RSA 的加解密速度比 256 位 ECC 慢很多，不适合轻量级设备。
    • 适用场景
      • 老系统 / 老设备的密钥协商、加密（比如传统金融系统、旧版服务器）；
      • 兼容性要求极高的场景（比如需要适配各种老旧终端的系统）；

二、哈希算法
哈希算法（Hash Algorithm）是密码学和数据处理的基础工具，它不等同于加密算法 —— 它无密钥、不可逆、把任意长度数据变成固定长度的哈希值，核心作用是做数据指纹、完整性校验、密码存储，是加解密体系的 “黄金辅助”，但绝对不是加密算法（加密算法是可逆的）。

  • 是什么？
    任意长度的原始数据（小到一个字符，大到几个 G 的文件），通过哈希算法，计算出一个固定长度、唯一的字符串（哈希值 / 散列值 / 摘要），这个哈希值就像数据的 “数字指纹”—— 指纹能唯一标识人，哈希值能唯一标识原始数据（理想状态）。
    核心特点：

    • 固定长度：输入任意长，输出都一样长
    • 正向快速：计算哈希值快，反向推不出原始数据
    • 雪崩效应：输入改一点，哈希值全变
    • 抗碰撞性：不同输入，几乎不可能算出相同哈希值

  • 哈希算法的实际应用

    • 应用 1：密码存储（最核心的安全场景，绝对不能存明文）
      这是哈希算法最经典的应用 ——网站 / APP 绝对不会存储你的明文密码，只会存储密码的哈希值，这是行业铁律。

      • 核心流程（以 SHA-256 + 加盐为例）
        • 你注册账号，输入密码123456；
        • 服务器生成一个随机的盐值（Salt）（比如abc123），把密码 + 盐值拼接（123456abc123）；
        • 服务器用 SHA-256 计算拼接后的数据的哈希值，得到f987654321abcdef...；
        • 服务器只存储盐值和哈希值，不存储任何明文密码；
        • 你登录时，输入密码123456，服务器用相同的盐值拼接，计算哈希值，和存储的哈希值对比 —— 相同则登录成功，不同则失败。
      • 关键：为什么要 “加盐”？
        防止彩虹表破解—— 黑客会提前计算出大量常见密码的 MD5/SHA-256 哈希值，做成 “彩虹表”，如果密码不加盐，黑客可以通过哈希值反向匹配出明文密码；加盐后，哪怕是常见密码，哈希值也会完全不同，彩虹表彻底失效。✅ 示例：密码123456的 SHA-256 哈希值是固定的，但加盐abc123后，哈希值就变了，加盐def456后，哈希值又变了，每个用户的盐值都不同，彻底防彩虹表。
      • 为什么不用加密存储密码？
        加密是可逆的，如果服务器的加密密钥泄露，黑客可以解密出所有用户的明文密码；而哈希是不可逆的，哪怕哈希值泄露，黑客也推不出明文密码，安全性更高。

    • 应用 2：数字签名的 “前置步骤”（和非对称加密配合，核心）
      之前讲非对称加密的签名 / 验签时，提到 “非对称加密从不直接加密大数据”，数字签名也是如此 ——不会直接用私钥对原始数据签名，而是先对原始数据做哈希，再用私钥对哈希值签名，哈希在这里起到 “压缩数据、保证完整性” 的核心作用。

      • 数字签名完整流程（ECC 私钥 + SHA-256，行业标配）
      • 哈希的核心作用
        • 压缩数据：把大数据变成 64 个字符的哈希值，非对称签名速度提升上万倍；
        • 保证完整性：如果合同被篡改，哪怕改一个字，哈希值就会全变，验签必然失败，无法伪造。
          ✅ 这是哈希 + 非对称加密的经典配合，也是 HTTPS、电子合同、区块链签名的核心原理。

    • 应用 3：数据完整性校验（生活中最常见，比如下载文件 / 传文件）

      • 你下载软件、电影、安装包时，网站会给出一个哈希值（如 SHA-256），这就是用哈希算法做数据完整性校验，防止文件被篡改、被植入病毒;
      • 网盘 / U 盘传文件：怕文件损坏，计算哈希值对比，确认文件完整；
      • 区块链区块校验：每个区块链区块都包含上一个区块的哈希值，一旦某个区块被篡改，后续所有区块的哈希值都会变，全网节点校验会失败，保证区块链的不可篡改。

    • 应用 4：区块链的 “核心基石”（哈希 + 加密的极致结合）
      区块链的不可篡改、去中心化特性，完全基于哈希算法的特性，以比特币为例：

      • 区块哈希：每个区块包含交易数据、时间戳、上一个区块的哈希值，用 SHA-256 计算出当前区块的哈希值 —— 如果修改区块内的任何交易数据，区块哈希值会全变，后续所有区块的哈希值也会变，全网节点会拒绝这个篡改后的区块；
      • 交易哈希：每笔比特币交易都用 SHA-256 计算哈希值，唯一标识一笔交易，防止交易被伪造；
      • 钱包地址：比特币的钱包地址，是通过 ECC 公钥做 SHA-256+RIPEMD160 哈希计算后得到的，不可逆，保证钱包地址的安全。

    • 应用 5：普通数据处理（非安全场景，哈希表 / 数据索引）
      哈希算法不仅用于密码学，还用于普通的程序开发，比如编程语言中的哈希表（HashMap/HashTable），核心是用哈希算法计算数据的哈希值，作为数据的索引，实现O (1) 时间复杂度的增删改查，提升程序效率。
      示例：Java 中的HashMap，用键（Key）的哈希值计算存储位置，快速找到值（Value）；
      特点：这里用的哈希算法（如 Java 的 Object.hashCode ()）是非安全型的，不要求抗碰撞性，只要求计算速度快，和密码学哈希算法不同。

posted @ 2026-02-01 21:03  cac2020  阅读(1)  评论(0)    收藏  举报