加密、签名与编码

密码学

古典密码学

从密码学开始说起，密码学的起源是古代战争。那个时候的密码学，现在被称为"古典密码学"。

古代战争中，两个国家之间经常需要进行书信沟通。为了防止信息泄露，古人发明了密码学，来对书信内容进行加密。

加密方式主要有：

置换式加密 : 典型的代表是密码棒。

密码棒的规格就是加密和解密的关键。当需要书写密信时，就将纸条缠绕到木棒上进行书写；当需要解读密信时，就将纸条绕到同样规格的棒子上进行阅读。如果单独将纸条拿出来阅读，只会看到一串乱序的文本。

密码棒虽然简单，但已包含了密码学的两个重要元素：
- 加密算法: 缠绕到木棒上进行书写
- 密钥: 木棒的规格
替换式加密: 按照一个固定的规则，使用不同的文字替换掉原先的文字。最简单的方法就是将字母表整体移动几位，从而产生一个码表，让原文与密文形成映射关系。例如：
kotlin 复制代码
```
// 码表（向右平移5位）
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ  // 原始字符
FGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCDE  // 密码字符

// 原文
I love you.
// 密文
N qtaj dtz.
```
此时，加密算法是替换文字，而密钥则是这张码表。

现代密码学

随着计算机出现，一些复杂的数学算法被应用在了加密上，就出现了"现代密码学"。

现代密码学使用数学算法对计算机数据进行加密，不止可以加密文字，还可以加密任何的二进制数据。

现代密码学主要有两类：对称加密和非对称加密。

对称加密

原理: 使用密钥和加密算法对数据进行转换，得到密文；在使用密钥和解密算法对密文进行逆向转换，得到原数据。

与古典密码学不同，现代密码学中的密文会在网络中传输，无论如何都会被截获，所以更加注重反破解。

对称加密的经典算法有: DES、AES。

其中 DES 因密钥太短已被弃用（只有 56 位），在很短时间（一天）内就能够通过穷举法试出密钥。

非对称加密

对称加密有一个缺点：密钥无法安全地发送给对方。密钥在非安全的网络上传输，一旦泄露，加密就没有了意义。为此，就有了非对称加密。

非对称加密的原理: 创建一对密钥：公钥和私钥，分别来加密和解密。公钥是公开的，可以发送给任何人；私钥是保密的，只能自己持有。

这样一来，通信的过程也就安全了。比如 A 要给 B 发送消息，A 就可以使用 B 的公钥对消息进行加密，B 收到后再使用自己的私钥对密文进行解密。即使公钥和密文都被第三方拿到了，第三方也无法解密，因为没有 B 的私钥。

这样虽然安全，但是只能单向通信。要实现双向通信，解决办法也很简单，就是通信双方各自创建一对密钥，然后互相交换公钥即可。

非对称加密还可以用于做数字签名。这是因为非对称加密具有一个特性：公钥加密后的密文，可以使用私钥来解密；反过来，私钥加密后的密文，公钥同样能解。

这是为什么呢？因为 [原数据] 能够通过公钥得到 [密文] ，[密文] 能够通过私钥得到 [原数据] 。我们如果将 [密文] 看作 [原数据] ，将 [原数据] 看作 [密文] 。这样不就变为了: [原数据] 能够通过私钥得到 [密文] ，[密文] 能够通过公钥得到 [原数据]。

需要注意的是，虽然公钥和私钥看似可以调换位置，但从诞生时就已经决定了谁是私钥，谁是公钥。因为公钥很多时候是可以通过私钥计算出的，例如比特币的密钥算法叫做椭圆曲线算法，当选定了某个私钥后，其对应的公钥也随之确定了。如果你将私钥当作公钥公开，把公钥当私钥保存，其实每个人都可以通过你公开的所谓"公钥"计算出你手中所谓的"私钥"。

数字签名的原理：

使用私钥对数据进行加密，得到的加密数据就被称为签名数据。只要对方能够使用公钥对签名数据进行解密得到原数据，那么就验证了签名的真实性。为了方便进行验证，在使用时通常会携带上原数据。

这样验证时，只需对签名数据通过公钥进行解密，如果得到的和附带的原数据一致，那么就说明验证成功。

现在，我们回头看看之前的非对称加密通信模型。它虽然可以防止第三方得到原数据，但防不了第三方做消息伪造。第三方可以冒充 A，使用 B 的公钥加密假信息发送给 B，B 是无法辨别消息真伪的。

要解决这个问题，就需要在加密数据的同时，加上数字签名，防止信息的伪造。

不过，直接对原文进行签名是有漏洞的：别人虽然不能拿到 [对方私钥] 解开密文，但可以使用 [公钥] 验证签名数据，这样原数据就泄露了。

以上的加密、签名过程，还少了一个对数据进行 Hash 的过程。

Hash（哈希）的作用是将任何数据都变为一串固定长度的、独特的"指纹"（摘要）。这个过程是单向的，无法从指纹得到原文。

所以，正确的做法是：发送方先对原数据 进行 Hash 运算，得到一个固定长度的摘要。然后使用自己的私钥对这个摘要进行签名。再使用对方的公钥加密原数据 ，得到密文。最后将密文和签名发送给对方。

如图所示：

这样，即使第三方使用公钥验证签名，得到了也不会是原数据，而是原数据的摘要，避免了信息泄露。另外，接受方也可以通过比对 Hash 值来验证原数据的完整性。

非对称加密的经典算法有 RSA 和 DSA。其中 RSA 可用于加密和签名，而 DSA 只能用来签名。这是因为 DSA 专门为签名做了优化，在签名和验证的速度上通常比 RSA 更快。

Base64

Base64 是将二进制数据转换为由 64 个字符组成的字符串的编码算法。

这 64 个字符分别是：小写字母a-z、大写字母A-Z、数字0-9、符号"+" 和 "/"。

什么是二进制数据？

广义上来说，所有计算机数据（如文本、图片）都是二进制数据；狭义上，非文本数据（如视频、图片）就是二进制数据，这种说法也是最通用的、大家最认可的。而 Base64 针对的是任意的二进制数据。

编码的过程是将二进制数据的每 6 个比特位转成一个 Base64 码表中对应的字符。例如 "Man" 编码的结果是TWFu，其原理为：
码表为：

另外，Base64 编码是每 3 个字节（24位）一组进行处理的，如果原文数据的字节数不能被 3 整除，那么会在编码后的字符串末尾使用 = 字符进行填充，使得编码后的字符串长度是 4 的倍数。

例如：

那么 Base64 编码的作用是什么？

其实它的作用是将二进制数据转换为纯文本字符串，使其能够在只支持文本的场景下使用。比如可以将图片保存到文本文件中；可以通过邮件传输图片（之前的邮件中不能传输图片）。

最后补充一点，使用 Base64 来传输图片，一点也不高效和安全。

不安全: 因为 Base64 并不是加密算法，只是一种编码，其编码规则是公开的，任何人都可以进行解码。
不高效: 通过它编码后的数据体积会增大至少 1/3，存储和传输都会变得更低效（更慢、更耗资源）。

URL encoding

这种编码也就是我们在浏览器的地址栏中看到的编码，它会将 URL 中的保留字符（如空格、&、?）使用 % 百分号进行编码。

比如访问 http://www.example.com/这是示例 网址时，其中的 URL 实际上会变为 http://www.example.com/%E8%BF%99%E6%98%AF%E7%A4%BA%E4%BE%8B。

URL 编码的作用是消除歧义，避免解析错误 。比如要表示一个 / 字符本身，而不是当做路径分隔符时，我们就可以使用 %2F 来代替。