恋爱通信史之保密性

在小明和小芳的通信过程中，需要对通信内容进行保密，那就要对通信内容进行加密。所谓数据加密，简而言之，是指将明文（可读的数据）通过特定的算法转换为密文（不可直接读取的数据）的过程。这一转换过程需要用到一个或多个密钥，这些密钥是解密过程中恢复原始明文所必需的。

数据加密的分类

数据加密主要分为两大类：对称加密和非对称加密。近年来，还有一种结合两者优点的混合加密方法逐渐流行。

对称加密
含义：对称加密，又称私钥加密，是指在加密和解密过程中使用相同密钥的加密方法。
应用场景：
- 文件加密：个人或企业使用对称加密算法保护敏感文件，如财务报表、客户资料等，因为这些文件的加解密操作频繁，对称加密的高效性成为首选。
- 网络通信：虽然直接用于互联网通信的安全性较低（因为密钥分发困难），但在VPN（虚拟专用网络）和某些安全协议中，对称加密常被用作加密会话内容的手段，以提高传输效率。
- 数据库加密：对于需要频繁读写的大型数据库，对称加密因其高效性而被用于数据加密层，确保数据在存储和传输过程中的安全。
非对称加密
含义：非对称加密，又称公钥加密，使用一对密钥------公钥和私钥，公钥用于加密信息，私钥用于解密信息。

应用场景：
- 数字签名：发送方使用自己的私钥对信息摘要进行加密，生成数字签名，接收方用发送方的公钥验证签名，确保信息的完整性和发送者的身份真实性。
- 密钥交换：非对称加密常用于安全地交换对称加密的密钥，如SSL/TLS协议中的握手过程，避免了对称密钥直接在网络上传输的风险。
- 数字证书：在电子商务、网上银行等领域，非对称加密用于创建和验证数字证书，确保交易双方的身份安全。
混合加密
含义：混合加密结合了对称加密的高效性和非对称加密的安全性，通常先用非对称加密安全地交换对称加密的密钥，然后用对称加密对实际数据进行加密。

应用场景：
- 安全通信：如HTTPS协议，它利用TLS/SSL协议，首先通过非对称加密建立安全通道，然后在此通道内使用对称加密进行高效的数据传输。
- 云存储安全：云服务商采用混合加密技术，确保用户数据在上传、存储和下载过程中的安全，既保护了数据机密性，又提高了处理效率。

在本节中，我们重点介绍：对称加密和非对称加密。在此过程中，不介绍具体的加密算法，仅仅从应用者的角度进行介绍。

对称加密

对称加密，指加解密都使用相同秘钥的加密方法。对称加密算法又分为流密码算法和块密码算法。加密速度很快。

发送方：将要发送的明文，通过加密算法，设置加密的秘钥，生成明文对应的密文，再将密文在发送出去，尽管在通信过程中被劫持，也是密文。
接收方：将接收到的密文，通过与发送方相同的算法，设置与发送方相同的秘钥，进行密文的解密，从而得到相应的明文。

流密码算法

流密码是采用异或XOR运算的到密文，再进行一次异或XOR运算即可得到明文，如下图所示。

流密码算法基于设置的随机数种子(秘钥)，生成伪随机秘钥流，与明文进行异或运算即可得到密文。

伪随机秘钥流的长度与明文的长度相同，以便与明文进行异或运算。
流密码算法需要随机数种子，这个种子就是秘钥，接受者解密也使用相同的随机数种子(秘钥)和相同的流密码算法，即可生成相同的伪随机数秘钥流，再与密文进行异或即可得到明文。

注意： 流密码算法中RC4算法已经证实不安全，不建议使用；ChaCha20算法目前还属于安全算法。

块密码算法

块密码算法，就是发送方要对明文进行分块加密后，再对所有分块组合在一起进行发送；在接收方对各个分块解密后，再将解密后的明文进行组合，形成完整的原始明文。

分块的块长度(分组长度)，与秘钥的长度没有必然联系。常见的AES128, AES192, AES256中的数字是指的秘钥的长度bit位数；分组长度与具体算法相关，比如AES的分组长度固定是128bits(16Bytes)。
在某些分块加密算法模式下，如果明文的长度除以块长度，不是整数倍，需要对明文进行填充，保证数据长度是分块的长度的整数倍。
分块算法不是一次性运算完毕的，需要进行多次迭代才能完成。

ECB(Electronic CodeBook)模式

ECB模式是最简单的一种迭代模式，该模式存在安全性问题，不建议使用。

加密

将明文分成多个数据块，每个数据块长度相等，且长度等于分组长度。最后一个分块长度不足时，需填充为分块长度相同。
分块数据独立，可以并行的进行加密，然后再将分块密文组合在一起即为最终的密文。
分块密文与分块明文数据长度相等。

解密

将密文拆分为多个数据块，每个数据块的长度等于分组长度，并行的进行解密，再将解密后的明文组合在一起即为原始明文。

注意： 相同的明文和秘钥每次加密的结果都是相同的，这存在很多的安全问题。不建议使用。

CBC(Cipher Block Chaining)模式

CBC模式是一种比较常见的模式，且也是一个安全的对称分块加密模式。

加密

将明文分成多个数据块，每个数据块长度相等。最后一个分块长度不足时，需填充为分块长度相同。
第一个分块加密前，需要生成一个随机的初始化向量IV(Initialization Vector，长度与分组长度相等)。这个初始化向量与第一个分块进行异或XOR运算，在结合秘钥使用加密算法对异或XOR的运算结果进行加密，从而得到第一个分块的密文。
后续分块n，使用n-1块的密文替代IV与第n块明文进行异或，再使用秘钥加密，从而得到第n块的密文。因此，加密过程是一个串行加密的过程。
将所有分块密文组合在一起即为最终的密文。
分块密文与分块明文数据长度相等。
初始化向量IV会随着密文一起发送给接收者，且不会被加密。

解密

将密文拆分为多个数据块，每个分块的长度与分组长度相等。
将每块分块密文数据块，结合秘钥进行解密；第一个解密后的数据块与IV进行异或XOR运算；将密文与解密后的后级数据块进行异或XOR运算。每个解密和异或运算都能并行的运行。
将解密后分组明文组合在一起就是完整的明文。

注意：

初始化向量IV是一个随机数，需要保证是一个真随机，且长度与分组长度相等。
初始化向量IV必须每次都不一样，保证同样的明文和秘钥最终加密的密文都是不一样的，这样才能避免ECB模式面临的安全问题。
数据分块的加密过程，分块之间有关联关系，只要有个数据块稍有变化，就会导致最终结果不一样。
加密只能串行，解密可并行。

CTR(Counter)模式

CTR模式是流密码和块密码的结合，也是一个安全的对称分块加密模式。

加密

将密文分块，但是在最后一个分块时，可不填充。
生成一个秘钥流Nonce(随机值)+计数(根据分块个数以此累加)，先通过算法对其进行加密，生成相应的密文。
用每个秘钥流生成的密文与每个分块明文进行异或XOR运算，得到分块的密文。
秘钥流Nonce(随机值)随密文一起发送给接收者，且不加密。
加密和异或XOR运算都可并行。

解密

将密文分块，但是在最后一个分块时，可不填充。
先根据发送者给的秘钥流Nonce(随机值)+计数，结合秘钥进行加密，生成每个分块的秘钥流的密文。
对每个分块密文与相应分块的秘钥流进行异或XOR运算，得到分块明文，组成完整的明文。
解密和异或XOR运算都可并行。

**注意：**每次的秘钥流都要生成不一样的，保证同样明文和秘钥加密的密文都不同，提高CTR的安全性。

总结

模式	特点	说明
ECB模式	加解密可并行；需要填充	不安全，不推荐
CBC模式	加密串行，解密并行；加解密分块间有关联性；需要填充	安全，推荐
CTR模式	加解密可并行；加解密分块间无关联性；无需填充	安全，推荐

非对称加密

非对称加密，使用公钥-私钥进行加解密。有两种：

公钥加密，只能使用对应的私钥解密：秘钥交换；
私钥加密，只能使用对应的公钥解密：数字签名和数字证书。

私钥： 其实就是一个极其大且很随机的一个数，只能被持有者秘密保存，不能被泄漏，因此称为私钥。

公钥： 是由私钥推算出来的一个很大的数。只能从私钥推算出公钥，单向的推算。公钥可以公开为大家所熟知，因此称为公钥。

公钥加密，私钥解密

发送者使用公开的公钥进行加密，接收者将密文用私钥进行解密。因为公钥是可以公开分发的，这就解决了对称加密中秘钥分发困难的问题 。

私钥加密，公钥解密

发送者使用私有的私钥进行加密，接收者将密文用公钥进行解密。

因为公钥是大家所熟知的，因此发送者使用私钥加密的密文，公钥持有者都能解密。在这一过程中，加解密不是其主要用途，因为私钥只有相应私钥的持有者才能使用，因此私钥也代表了一种身份，只要是公钥能解密的信息，那就可以明确是由私钥持有者发送的信息。

基于以上所述，私钥加密，公钥解密主要用于数字签名和数字证书(后续章节介绍)。