密码学主要是为了解决如下三大问题
- 保密性
- 完整性
- 认证性
密码算法的分类
分类主要分为密码学工具包，和混合密码技术来作分类；
一、密码学工具包中的基础技术
这些是密码学的基本模块，用于构建复杂的安全协议或系统：
| 技术分类 | 核心技术与示例 | 作用 |
|---|---|---|
| 对称加密 | AES、DES、3DES、ChaCha20（流密码） | 高效加密大量数据，依赖共享密钥。 |
| 非对称加密 | RSA、ECC（椭圆曲线加密）、ElGamal | 密钥交换、数字签名，解决密钥分发问题。 |
| 哈希函数 | SHA-256、SHA-3、BLAKE3、MD5（已淘汰） | 生成数据唯一摘要，验证完整性，支持密码存储（加盐哈希）。 |
| 消息认证码 | HMAC、CMAC、Poly1305 | 验证消息来源和完整性，防止篡改。 |
| 数字签名 | RSA签名、ECDSA、EdDSA | 身份认证和抗抵赖，确保数据来源可信。 |
| 随机数生成 | /dev/urandom、CryptGenRandom | 生成密码学安全的随机数，用于密钥和盐值。 |
| 密钥派生函数 | PBKDF2、bcrypt、scrypt、Argon2 | 从密码生成高强度密钥，抵御暴力破解。 |
| 密钥交换协议 | Diffie-Hellman（DH）、ECDH | 在不安全信道协商共享密钥，无需预先共享。 |
| 证书与PKI | X.509证书、CA机构、CRL/OCSP | 绑定公钥与身份，建立信任链（如HTTPS证书）。 |
二、混合密码技术
混合技术结合了对称和非对称加密的优势，典型应用场景包括安全通信和加密存储：
| 技术/协议 | 核心机制 | 典型应用场景 |
|---|---|---|
| TLS/SSL | 非对称加密（RSA/ECC）协商对称密钥（如AES-GCM），结合数字证书认证。 | HTTPS、安全通信（Web、API）。 |
| PGP/GPG | 使用RSA/ECC加密对称密钥（如AES），签名验证身份，支持端到端加密。 | 电子邮件加密、文件签名。 |
| S/MIME | 类似PGP，依赖X.509证书加密邮件内容和签名。 | 企业安全邮件通信。 |
| Signal协议 | 结合ECDH三次握手（X3DH）和双棘轮算法，动态更新密钥，提供前向保密。 | Signal、WhatsApp的端到端加密聊天。 |
| 加密文件系统 | 非对称加密保护对称密钥（如BitLocker使用TPM+ AES）。 | 磁盘加密（BitLocker、LUKS）。 |
| 混合云加密 | 客户端用公钥加密对称密钥，云端用私钥解密后处理数据（如AWS KMS + AES）。 | 云存储加密（AWS S3、Azure Blob Storage）。 |
三、关键区别
| 类别 | 密码学工具包 | 混合密码技术 |
|---|---|---|
| 目标 | 提供原子级密码学操作（如加密、哈希）。 | 整合多种技术解决实际场景问题（如安全通信）。 |
| 依赖关系 | 独立使用，无需组合。 | 必须结合对称+非对称技术（或其他组合）。 |
| 性能 | 对称加密高效，非对称较慢。 | 平衡性能（对称加密数据+非对称管理密钥）。 |
| 典型输出 | 算法结果（如密文、摘要）。 | 完整的协议或系统（如TLS握手、加密邮件）。 |
安全问题和解决方案映射表
以下是密码学技术及其解决的核心安全问题的整理表格，涵盖基础技术和混合技术的应用场景：
密码学技术及其解决的安全问题
| 技术分类 | 具体技术/协议 | 解决的安全问题 | 典型应用场景 |
|---|---|---|---|
| 对称加密 | AES、ChaCha20 | 数据机密性：防止未经授权的第三方读取加密数据。 | 文件加密、数据库加密、通信数据加密。 |
| 非对称加密 | RSA、ECC | 密钥安全分发：无需预先共享密钥； 身份认证：通过公钥验证身份。 |
HTTPS密钥交换、数字证书、SSH登录。 |
| 哈希函数 | SHA-256、BLAKE3 | 数据完整性：验证数据未被篡改； 密码存储：安全存储密码（加盐哈希）。 |
文件校验、区块链默克尔树、密码哈希存储。 |
| 消息认证码 | HMAC、Poly1305 | 消息真实性+完整性：确保消息来自合法发送方且未被修改。 | API请求验证、数据传输防篡改。 |
| 数字签名 | ECDSA、EdDSA | 身份认证+不可抵赖性：证明签名者身份且无法否认操作。 | 软件更新签名、合同电子签名。 |
| 随机数生成 | 安全熵源（如硬件RNG） | 密钥安全性：防止密钥可预测导致的破解。 | 生成密钥、初始化向量（IV）、盐值。 |
| 密钥派生函数 | Argon2、scrypt | 弱密码防护：将弱密码转化为强密钥，抵御暴力破解。 | 用户密码加密、钱包助记词派生密钥。 |
| 密钥交换协议 | Diffie-Hellman、ECDH | 前向保密：即使长期密钥泄露，历史会话仍安全。 | TLS握手、VPN密钥协商。 |
| 证书与PKI | X.509证书、CA机构 | 信任链建立：防止中间人攻击，验证公钥归属真实身份。 | HTTPS网站认证、代码签名证书。 |
| 混合技术 | TLS/SSL | 综合安全通信： - 对称加密保证性能； - 非对称加密和证书解决身份验证和密钥交换。 |
Web安全（HTTPS）、API加密通信。 |
| 混合技术 | Signal协议（X3DH） | 端到端加密+前向保密： - 动态密钥更新防止历史消息解密； - 身份验证防中间人攻击。 |
即时通讯（WhatsApp、Signal）。 |
| 混合技术 | PGP/GPG | 跨平台数据保密+身份绑定： - 非对称加密分发对称密钥； - 签名确保发件人身份。 |
加密电子邮件、文件签名。 |
关键安全问题对应表
| 安全问题 | 解决技术 |
|---|---|
| 数据泄露 | 对称/非对称加密（机密性） |
| 数据篡改 | 哈希函数、消息认证码（完整性） |
| 身份伪造 | 数字签名、证书PKI（真实性） |
| 密钥泄露风险 | 密钥派生函数（抗暴力破解）、前向保密协议（临时会话密钥） |
| 中间人攻击 | 证书PKI、数字签名（信任链验证） |
| 密码重用攻击 | 加盐哈希、密钥派生函数（唯一盐值+慢哈希） |
| 抵赖行为 | 数字签名（不可抵赖性） |
| 历史数据解密 | 前向保密协议（如Signal、TLS的ECDHE） |
总结
- 基础技术 提供原子能力（如加密、签名），混合技术 组合它们解决复杂场景问题（如安全通信）。
- 实际系统（如区块链、零信任网络）会同时依赖基础技术和混合技术实现多层防御。
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