计算机网络系列网络安全：详解对称加密算法与非对称加密算法

Posted 2021-07-11 猿猿HHH

前言： 在学（bei）习（ba）计（gu）网（wen）课时，我们经常会看到一句话，http协议和https协议的本质区别是，http协议中数据的传输是明文传输的，https则是加密传输。
现在，我们就详细探讨下加密传输中所用到的算法。

目前有两种主流的加密方式——对称加密和非对称加密

对称加密

最简单的加密算法

在实际的操作中我们会使用更简单直接的方式计算加密，比如交换和取补操作就是很不错的选择。
假设你要加密数字 1234，假设 x 的补是 10-x，那么取补就是得到 9876。单单看这个操作太容易被破解，这个时候我们将操作复杂化。假设有 3 种取补操作：

• 前两个数字取补，后两个不变得到：9834。记作 1 号方案；

• 后两个数字取补，前两个不变，得到：1276。记作 2 号方案；

• 全部取补，得到：9876，记作3 号方案。

然后我们再增加两种换序操作，以 1234 为例：

• 相邻数字交换，得到 2143， 记作4 号方案；

• 数据对半交换，得到 3412，记作5 号方案。

这样，我们可以设计一个加密过程是这样的，取补和换序操作交替进行，一共进行 4 次。那么如果是 1-4-2-5 就代表一种加密顺序，以 1234 为例：

• 前两个数字取补，得到 9834；

• 相邻数据交换，得到 8943；

• 后两个数字取补，得到 8967；

• 数据对半交换得到：6789。

于是 1234 被加密成了 6789。解密的时候，需要知道加密的顺序 1-4-2-5。那么解密的时候就逆着上述操作即可：

• 数据对半交换得到：8967；

• 后两个数字取补：8943；

• 相邻数据交换：9834；

• 前两个数字取补：1234。

在上面的过程中，对 5 种加密方案的定义、以及约定进行 4 次交替取补、换序操作，我们称为“加密算法”。1-4-2-5 ，描述的是在过程中的具体方案，是密钥。

对称加密

在上面过程中，加密方用 1-4-2-5 加密，解密方用相同的密钥解密——解密方知道加密过程是 1425 就可以解密。像这样，双方加密解密都用相同密钥的算法，我们称为对称加密算法。

在实际的操作过程当中，因为都是针对二进制的操作，取补操作可以用异或操作来替代。另外，在其中的某些步骤还可以拿数据和密钥进行位计算，具体不同加密算法实现不同。

数据加密标准（DES）

数据加密标准（DES）算法在 1976 年被美国国家标准局定为使用标准，后来被广泛传播。目前已经被证明可以被暴力破解。所谓暴力破解，就是遍历所有可能的密钥解析数据的方法。举个例子，已知张三和李四传输的是中文，加密算法是 DES，那么拿出一小段数据进行暴力破解，尝试所有的密钥，如果能成功解析出中文词语（词语在词库中可以查到），那么说明破解成功。

DES 采用的 56 位密钥，每次计算加密 64 位的数据。在实际的暴力破解过程中，比我上面描述的行为更加复杂。一个通用的暴力破解算法需要较大的算力，一些 DES 的破解算法需要 239-241 次操作。这个数量级的操作，目前还没有超出人类计算能力的极限，如果显卡好一点，或者机器多一些还是可以承受的。

因此后续很多组织开始利用 3 次 DES 操作来增加破解成本，具体的做法是用 3 个 56 位的密钥组合成一个 168 位的密钥，对数据进行 3 次 DES 操作，这样做大大增加了暴力破解的成本。但是目前针对 3DES 仍然有一些攻击策略，需要 290 次计算和 288 位内存，虽然有一定概率被攻破，但是成本非常高。

高级加密标准

为了应对暴力破解等问题，很多团队选择对称加密算法时开始使用高级加密标准（AES），这个加密法用 128 位密钥，并设计了更难破解的算法。具体我不展开了，如果你在项目中需要使用对称加密，你可以用这个算法。

对称加密的缺陷

使用对称加密双方都知道密钥和算法，会造成很多问题。

你可以先这样思考：如果你是一个网站提供服务给用户，你和用户之间如果使用对称加密，那么你需要为每个用户定时生成一个不同的密钥。这是因为，如果所有用户都用一个密钥，那么理论上一个用户就可以看到其他用户和网站之间的通信。有同学会问：以现在的技术给不同的客户端生成一个密钥难道有什么难度吗？ 比如一个 UV 在 1000W 的网站，如果每天需要给每个用户生成一次密钥也就是 1000W 次计算，按照现在集群的能力，别说一天，每秒做到生成 1000W 个密钥又有什么难度呢？因此，我们还需要进一步思考对称加密的问题。

进一步的思考：对称加密安全吗？如果客户端不慎遗失密钥，让黑客拿到后果是什么？后果是黑客可以轻易伪装成服务端和客户端进行通信。在对称加密中，加密解密用的一个密钥，加密是正向过程，解密是逆向过程。那么有没有更好的方案呢？

非对称加密

为了进一步提升安全系数，数学家还提出了非对称加密。在非对称加密中，加密和解密用的不是一个密钥。类比生活中的场景，如果一个礼物箱子，开锁和上锁用的是不同的钥匙会发生什么？只拥有上锁钥匙的人，可以把礼物放到箱子里，但是他只有一次机会，也就是一旦他将礼物上锁，即便反悔了也没法再打开箱子。而收礼物的人只能开箱子取走礼物。如果放礼物的人丢了钥匙，箱子也不会被中间人打开。这个例子类比网络传输的世界，可以防止数据被监听、盗用、篡改……

当我们开发一个网站，我们的用户之间的通信用非对称加密。用户发送请求时，用户用一把钥匙加密数据，网站用另一把钥匙解密。在这个过程中，网站拥有的钥匙称为私钥，用户拥有的钥匙称为公钥。之所以这样称呼，是因为很多用户可以共用一把公钥，而只有网站才拥有私钥。

公钥发送的数据必须用私钥解密， 私钥发送的数据必须用公钥解密。网站发送数据加密用私钥，用户用公钥解密。用户发送数据用公钥，网站用私钥解密。而如果用户公钥不小心被盗，黑客也无法通过这把钥匙看其他用户的数据，因为黑客拿不到私钥。另外，当一个数据用公钥加密后，黑客也不可能查阅、篡改数据，因为黑客拿不到私钥。如果黑客要拿到私钥会怎么做呢？比如雇佣特工潜入物理机房、在该网站员工的机器上植入木马，买通公司内部员工购买等——世界上当然没有攻不破的秘密，只要花足够的代价。我们做信息安全，就是要尽量提升黑客的代价。

密钥的创建

在非对称加密中，密钥通常由提供服务的一方创建。每次创建是一对公私钥对，然后提供者将公钥给用户，自己保留私钥。值得一提的是，我们在 Linux 环境可以用 openssl 创建公私钥对。

下面这行语句就可以生成一个私钥文件：

openssl genrsa -des3 -out privkey.pem 2048

接下来我们可以基于私钥生成公钥：

openssl rsa -in privkey.pem -inform pem -pubout -out pubkey.pem

常见非对称加密算法

目前最常见且广泛使用的非对称加密算法是 RSA 算法。RSA 依赖的是大整数的分解，以及一些和素数相关的算法。目前没有理论可以破译 RSA 算法。总体来说，RSA 密钥越长破解成本就越高，因此仍然被广泛使用。其他的非对称加密算法还有 DSS、EIGamal 等。

常见的应用场景

非对称加密算法目前广泛应用到各个领域，比如 HTTPS 协议的握手和交换密钥过程需要非对称加密算法；SSH 的通信需要非对称加密算法。另外，证书的生程，比如利用证书实现 git 账号的免密操作也是基于非对称加密算法。在线合同、数字货币的签名等都需要非对称加密算法。

总结

对称加密用同样的密钥，安全系数不够。非对称加密，用公钥 + 私钥的方式加强了安全系数。那么是不是我们所有的加密的应用都应该用非对称加密呢？通常情况，非对称加密需要更多的运算资源。因此很多协议使用非对称加密解决最核心的安全问题，再用对称加密解决其他问题。

以 HTTPS 协议为例，客户端和服务器之间会先用非对称加密交换临时对称加密密钥，然后之后的通信会以对称加密执行，直到连接结束。也就是非对称加密仅仅存在于 HTTPS 连接建立后，用于交换密钥（对称加密密钥）的少数几次传输中。这样用非对称加密解决最核心的安全问题：交换对称加密密钥；然后利用对称加密进行数据的传输。