对称加密算法和非对称加密算法

Posted 2021-04-25 爱科技爱软件

对称加密算

对称加密算法是加密和解密时使用相同的密钥，主要用于保证数据的机密性。最具有代表性的算法是２０世纪７０年代ＩＢＭ公司提出的ＤＥＳ（ｄａｔａｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ）算法；在此基础上又提出了许多ＤＥＳ的改进算法，如三重ＤＥＳ（ｔｒｉｐｌｅ　ＤＥＳ）、随机化ＤＥＳ（ＲＤＳ）、ＩＤＥＡ（ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｄａｔａｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ）、广义ＤＥＳ（ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＤＥＳ）、ＮｅｗＤＥＳ、Ｂｌｏｗｆｉｓｈ、ＦＥＡＬ以及ＲＣ５等。２００１年美国国家标准与技术研究院发布高级加密标准（ａｄｖａｎｃｅｄｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ，ＡＥＳ）取代了ＤＥＳ，成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

对称加密算法的优点是计算开销小、加密速度快，适用于少量或海量数据的加密，是目前用于信息加密的主要算法。

其缺点是通信双方使用相同的密钥，很难确保双方密钥的安全性；密钥数据量增长时，密钥管理会给用户带来负担；此外，它仅适用于对数据进行加解密处理，提供数据的机密性，它不适合在分布式网络系统中使用，密钥管理困难，且成本较高。

非对称加密算法

非对称加密算法也叫公开密钥算法，其加密和解密是相对独立的，使用不同的密钥。它主要用于身份认证、数字签名等信息交换领域。公钥密码体制的算法中最著名的代表是ＲＳＡ，此外还有背包密码、ＤＳＡ，ＭｃＥｌｉｅｃｅ密码、Ｄｉｆｆｅ＿Ｈｅｌｌｍａｎ、Ｒａｂｉｎ、零知识证明、椭圆曲线、ＥＩＧａｍａｌ算法等。非对称加密算法的优点是可以适应网络的开放性要求，且密钥管理问题也较为简单，可方便地实现数字签名和验证。其缺点是算法复杂、加密数据的速率较低。然而，无论是对称加密算法还是非对称加密算法都存在密钥泄露的风险。因此，Ｒｉｖｅｓｔ在１９８９年开发出ＭＤ２算法，不需要密钥，引发了杂凑算法（也称Ｈａｓｈ函数）的研究，即把任意长的输入消息字符串变化成固定长的输出串，不需要密钥，且过程是单向的，不可逆的。比较流行的算法有ＭＤ５，ｓｈａ－１，ＲＩＰＥＭＤ以及Ｈａｖａｌ等。杂凑算法不存在密钥保管和分发问题，非常适合在分布式网络系统上使用，但因加密计算复杂，通常只在数据量有限的情形下使用，如广泛应用在注册系统中的口令密、软件使用期限加密等。数据加密技术能保证最终数据的准确性和安全性，但计算开销比较大，加密并不能防止数据流向外部，因此，加密自身不能完全解决保护数据隐私的问题。数据加密算法作为隐私保护的一项关键技术，大数据时代研究重点将集中在对已有算法的完善；综合使用对称加密算法和非对称加密算法。随着新技术的出现会研究出符合新技术发展的新加密算法。

对称加密和非对称加密都有分国际算法和国密算法。

非对称加密：RSA（国际算法），SM2（国密算法）

对称加密：DES（国际算法）, SM4（国密算法）

以RSA加密过程为例

RSA的公钥、私钥的组成，以及加密、解密的公式可见于下表：

 

素数是这样的整数，它除了能表示为它自己和1的乘积以外，不能表示为任何其它两个整数的乘积。

公约数只有1的两个数，叫做互质数。

让m去被n整除，只取所得的余数作为结果，就叫做模运算。
步骤例如：

（1）设计公私密钥(e,n)和(d,n)。

令p=3，q=11，得出n=p×q=3×11=33；f(n)=(p-1)(q-1)=2×10=20；取e=3，（3与20互质）则e×d≡1 modf(n)，即3×d≡1 mod 20。

d怎样取值呢？可以用试算的办法来寻找。试算结果见

 

通过试算我们找到，当d=7时，e×d≡1 mod f(n)同余等式成立。因此，可令d=7。从而我们可以设计出一对公私密钥，加密密钥（公钥）为：KU=(e,n)=(3,33)，解密密钥（私钥）为：KR =(d,n)=(7,33)。

（2）英文数字化。

将明文信息数字化，并将每块两个数字分组。假定明文英文字母编码表为按字母顺序排列数值，如表示

　　则得到分组后的key的明文信息为：11，05，25。

（3）明文加密 

　　用户加密密钥(3,33)将数字化明文分组信息加密成密文。由C≡Me(mod n)因此，得到相应的密文信息为：11，31，16。

（4）密文解密。

　　用户B收到密文，若将其解密，只需要计算，即：

用户B得到明文信息为：11，05，25。根据上面的编码表将其转换为英文，我们又得到了恢复后的原文“key”。 

RSA的缺点：

1.产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密。

2.分组长度太大，为保证安全性，n 至少也要 600 bits 以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式的标准化。因此，使用RSA只能加密少量数据，大量的数据加密还要靠对称密码算法。