加密技术与 TLS 安全体系：从对称 / 非对称加密到量子通讯协议解析

一、对称加密的工作原理

对称加密是加密、解密使用同一密钥 的加密方式，核心特点是速度快、适合大流量数据，但存在 "密钥安全分发" 的难题。

1. 基础对称加密：XOR（异或）加密

XOR 是最简单的对称加密，基于 "按位异或" 运算（规则：0⊕0=0，1⊕1=0，0⊕1=1，1⊕0=1）：

加密过程：明文（二进制）与密钥（二进制）逐位异或，得到密文。
解密过程：密文与同一密钥逐位异或，还原明文。
示例：明文：1010（对应十进制 10）密钥：0110（对应十进制 6）加密：1010 ⊕ 0110 = 1100（密文）解密：1100 ⊕ 0110 = 1010（还原明文）
缺点：安全性极低（密钥长度等于明文时才相对安全，但实际无法实现），仅用于理解对称加密逻辑，无工业应用。

2. 工业级对称加密：AES 算法

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是目前全球通用的对称加密算法，支持 128/192/256 位密钥长度（密钥越长，安全性越高），属于分组密码（将明文分成固定长度的 "分组"，逐组加密）。

AES 的核心流程（以 128 位密钥为例）：

AES 的加密过程包含1 轮初始轮密钥加 + 9 轮主轮函数 + 1 轮最终轮函数，每轮操作由 4 个步骤组成：

字节代换（SubBytes）：通过 S 盒（预定义的置换表）将每个字节替换为另一个字节，实现非线性混淆。
行移位（ShiftRows）：将数据块的行进行循环移位（第 1 行不移，第 2 行移 1 位，第 3 行移 2 位，第 4 行移 3 位），实现扩散。
列混合（MixColumns）：将数据块的列按线性变换混合，进一步扩散数据。
轮密钥加（AddRoundKey）：将当前数据块与轮密钥（由原始密钥生成）逐位异或，注入密钥信息。

AES 的工作模式（解决分组拼接安全问题）：

ECB（电子密码本）：每个分组独立加密，相同明文分组会得到相同密文，易被破解（不推荐）。
CBC（密码分组链接）：前一个密文分组与当前明文分组异或后再加密，需初始化向量（IV），安全性较高，但不支持并行加密。
GCM（伽罗瓦 / 计数器模式）：同时提供加密和消息认证（MAC），支持并行加密 / 解密，是 TLS1.2 + 的主流选择。

二、非对称加密的工作原理

非对称加密（公钥加密）使用一对密钥（公钥 + 私钥）：公钥公开，用于加密 / 验签；私钥保密，用于解密 / 签名。核心解决 "对称密钥的安全分发" 问题，但速度远慢于对称加密。

1. RSA 算法（基于大数分解难题）

RSA 是最经典的非对称加密算法，安全性基于 "大整数分解为两个素数的计算难度"。

RSA 的密钥生成流程：

选素数 ：随机选择两个大素数p和q（实际需数百位）。
算模数 ：计算n = p × q（公钥和私钥的公共模数）。
欧拉函数 ：计算φ(n) = (p-1) × (q-1)（表示 1~n 中与 n 互质的数的数量）。
选公钥 ：选整数e，满足1 < e < φ(n)且e与φ(n)互质（常用e=65537）。
算私钥 ：计算d，满足(e × d) mod φ(n) = 1（d是e的模逆元）。

最终：公钥为(e, n)，私钥为(d, n)。

RSA 的加密 / 解密流程：

加密（公钥加密）：明文M（需M < n）→ 密文C = M^e mod n。
解密（私钥解密）：密文C→ 明文M = C^d mod n。

示例（简化版，实际用大素数）：

选p=3，q=5→n=15，φ(n)=8。
选e=3（与 8 互质）→ 算d=3（因为3×3=9 mod 8=1）。
公钥(3,15)，私钥(3,15)。
加密明文M=2→C=2^3 mod15=8。
解密密文C=8→M=8^3 mod15=512 mod15=2。

2. OpenSSL 实战验证 RSA

OpenSSL 是开源加密工具库，可快速实现 RSA 的密钥生成、加密、解密、签名、验签：

步骤 1：生成 RSA 密钥对（2048 位）

bash 复制代码

# 生成私钥（PEM格式，加密存储，需输入密码）
openssl genrsa -aes256 -out rsa_private.key 2048

# 从私钥中提取公钥
openssl rsa -in rsa_private.key -pubout -out rsa_public.pem

步骤 2：RSA 加密 / 解密文件

bash 复制代码

# 用公钥加密明文文件plain.txt
openssl pkeyutl -encrypt -in plain.txt -inkey rsa_public.pem -pubin -out cipher.bin

# 用私钥解密密文文件cipher.bin
openssl pkeyutl -decrypt -in cipher.bin -inkey rsa_private.key -out plain_decrypted.txt

步骤 3：RSA 签名 / 验签

bash 复制代码

# 用私钥对文件plain.txt签名（SHA256哈希）
openssl dgst -sha256 -sign rsa_private.key -out sign.sha256 plain.txt

# 用公钥验证签名
openssl dgst -sha256 -verify rsa_public.pem -signature sign.sha256 plain.txt
# 验证成功会输出：Verified OK

3. 非对称加密应用：PKI 证书体系

PKI（Public Key Infrastructure，公钥基础设施）是解决 "公钥信任" 的体系，核心是CA（证书颁发机构）：

PKI 的核心组件：

CA：可信第三方，负责签发 / 吊销证书，拥有自己的根密钥对。
数字证书：包含 "用户公钥 + 用户身份信息 + CA 签名" 的文件，证明 "公钥属于该用户"。
证书链：根 CA 签发中间 CA 证书，中间 CA 签发终端用户证书，形成信任链（终端用户只需信任根 CA）。

证书验证流程：

客户端获取服务器证书，验证CA 签名（用 CA 公钥解密签名，对比证书哈希值）。
验证证书有效期 和吊销状态（通过 CRL 或 OCSP 查询）。
确认证书绑定的域名与服务器一致。

4. 非对称加密应用：DH 密钥交换

DH（Diffie-Hellman）是一种密钥协商协议，允许双方在不安全信道上协商出共享对称密钥，核心是 "离散对数难题"。

DH 密钥协商流程：

双方公开约定：大素数p、生成元g（g是p的原根）。
Alice ：选私钥a→ 算公钥A = g^a mod p，发送A给 Bob。
Bob ：选私钥b→ 算公钥B = g^b mod p，发送B给 Alice。
共享密钥计算 ：
- Alice：K = B^a mod p
- Bob：K = A^b mod p（因B^a = (g^b)^a = g^(ab) = (g^a)^b = A^b，故双方得到相同的K）

缺点：无身份认证，易受 "中间人攻击"（TLS 中通常用 "认证 DH"，如 ECDHE + 证书）。

三、ECC 椭圆曲线的特性与 DH 升级

ECC（Elliptic Curve Cryptography，椭圆曲线密码学）是基于 "椭圆曲线离散对数难题" 的非对称加密技术，核心优势是相同安全强度下，密钥更短、运算更快（256 位 ECC≈3072 位 RSA）。

1. ECC 的核心数学基础

ECC 基于有限域上的椭圆曲线方程 ：y² = x³ + ax + b（a,b是有限域中的常数）。

点运算 ：
- 点加（P+Q）：过 P、Q 两点的直线与曲线的第三个交点，关于 x 轴的对称点。
- 点乘（kP）：kP = P+P+...+P（k 次点加，k 是私钥，P 是基点）。
椭圆曲线离散对数难题 ：已知基点P和点Q=kP，求私钥k的计算难度极大（远高于 RSA 的大数分解）。

2. DH 协议升级：基于椭圆曲线的 ECDH

ECDH 是 DH 的椭圆曲线版本，用 "点乘" 代替 DH 的 "模幂运算"，流程更高效：

ECDH 密钥协商流程：

双方公开约定：椭圆曲线参数（如 secp256r1）、基点G。
Alice ：选私钥a→ 算公钥A = aG，发送A给 Bob。
Bob ：选私钥b→ 算公钥B = bG，发送B给 Alice。
共享密钥计算 ：
- Alice：K = aB = a(bG) = abG
- Bob：K = bA = b(aG) = abG（双方得到相同的共享密钥K）

ECDH 是 TLS1.2 + 的主流密钥交换算法（如 ECDHE，带 "临时" 属性，支持前向安全）。

四、TLS 协议的工作原理

TLS（Transport Layer Security，传输层安全）是运行在 TCP 之上的安全协议，为应用层（如 HTTP）提供机密性（加密）、完整性（MAC）、身份认证（证书）。

TLS 的协议分层：

记录层：将应用数据分块，进行加密、MAC 计算，封装为 TLS 记录。
握手层：协商加密套件、认证身份、生成会话密钥（核心层）。
警报层：传递错误信息（如证书无效、加密失败）。
应用数据层：承载 HTTP 等应用层数据。

TLS1.2 的完整握手流程（以 ECDHE 加密套件为例）：

客户端 Hello ：
- 客户端发送：支持的 TLS 版本（如 TLS1.2）、加密套件列表（如 ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384）、客户端随机数R1、支持的椭圆曲线参数。
服务器 Hello ：
- 服务器回复：选定的 TLS 版本、加密套件、服务器随机数R2、选定的椭圆曲线参数。
服务器证书 ：
- 服务器发送数字证书（包含服务器公钥），证明身份。
服务器密钥交换 ：
- 服务器生成 ECDH 临时私钥b→ 算临时公钥B = bG，发送B（含签名，防止篡改）。
服务器 Hello Done：服务器通知握手请求阶段结束。
客户端密钥交换 ：
- 客户端生成 ECDH 临时私钥a→ 算临时公钥A = aG，发送A；
- 客户端计算预主密钥K_pre = aB（ECDH 共享密钥）；
- 用R1+R2+K_pre生成会话密钥（对称密钥，用于后续加密）。
客户端 Finished ：
- 客户端用会话密钥加密 "Finished 消息"（包含之前握手消息的哈希），发送给服务器（验证密钥有效性）。
服务器 Finished ：
- 服务器用会话密钥加密 "Finished 消息"，发送给客户端（验证密钥有效性）。

握手完成后，双方用会话密钥加密应用数据。

五、TLS1.2 与 TLS1 的对比

TLS1 是早期版本（2000 年发布），TLS1.2（2008 年发布）是目前的主流安全版本，核心改进如下：

对比项	TLS1	TLS1.2
加密套件	仅支持 DES、3DES 等弱算法	支持 AES-GCM、ChaCha20 等强算法
哈希算法	仅支持 MD5、SHA-1（已被破解）	支持 SHA-256、SHA-384 等安全哈希
密钥交换	仅支持 RSA（无后向安全）	支持 ECDHE、DHE（带后向安全，即使私钥泄露，历史数据仍安全）
扩展性	几乎无扩展字段	支持扩展字段（如 ALPN、SNI）

六、TLS 握手的优化

TLS 握手默认需要 2~3 个 RTT（往返时间），通过以下优化可减少延迟：

1. Session 缓存（会话复用）

Session ID ：服务器缓存会话密钥，客户端下次握手时发送Session ID，服务器直接复用密钥（无需重新协商），握手仅需 1 个 RTT。
Session Ticket：服务器将会话密钥加密为 "Ticket" 发送给客户端，客户端下次握手时携带 Ticket，服务器解密后复用密钥（无需服务器缓存）。

2. False Start（假启动）

客户端在发送Finished消息后，直接发送应用数据（无需等待服务器的Finished消息），减少 1 个 RTT。

3. 0-RTT（TLS1.3 特性）

客户端复用之前的会话密钥，在首次请求时直接发送加密的应用数据，实现 "0 往返" 握手（但存在重放攻击风险，需业务层防护）。

七、TLS 与量子通讯的原理

量子计算机的 "肖尔算法" 可快速破解 RSA、ECC 等传统加密算法，因此需要量子安全的加密方案，主要包括 "量子密钥分发（QKD）" 和 "后量子加密算法"。

量子通讯 BB84 协议的执行流程

BB84 是最经典的 QKD 协议，利用量子的 "叠加态" 和 "不可克隆定理"，在不安全信道上生成安全的共享密钥（可用于 TLS 的会话密钥）：

Alice 生成量子比特：
- 选两组基：Z 基（测量结果为|0>或|1>）、X 基（测量结果为|+>或|->）；
- 随机生成明文密钥（如0101），随机选基对每个比特编码：
  - 若比特是0，选 Z 基则编码为|0>，选 X 基则编码为|+>；
  - 若比特是1，选 Z 基则编码为|1>，选 X 基则编码为|->；
- 将编码后的量子比特（如光子）发送给 Bob。
Bob 测量量子比特：
- Bob 随机选基（Z 或 X）测量每个量子比特，记录测量结果。
基比对（经典信道）：
- Alice 和 Bob 公开各自的选基信息，保留 "基相同" 的比特（基不同的比特丢弃），得到 "原始密钥"。
纠错与隐私放大：
- 双方通过经典信道验证原始密钥的误码率，纠正错误；
- 对纠错后的密钥进行 "隐私放大"（缩短密钥长度，消除窃听者可能获取的信息），得到最终共享密钥。

该密钥可用于 TLS 的会话密钥，实现 "量子安全" 的加密通信。

我们用 "彩色卡片 + 正反面" 的生活场景，把 BB84 协议简化成 "Alice 和 Bob 偷偷生成共享密码，同时防 Eve 偷听" 的过程：

先定义 "量子工具" 的生活类比

基（Z 基 / X 基）：类比成 "卡片颜色"------ 红色卡片 = Z 基，蓝色卡片 = X 基（不同颜色代表不同的 "观察规则"）。

比特（0/1） ：类比成 "卡片正反面"------

用 ** 红色卡片（Z 基）** 时：正面 = 0，反面 = 1；

用 ** 蓝色卡片（X 基）** 时：正面 = 0，反面 = 1；

量子比特（光子）：就是 "写了比特的彩色卡片"------ 比如 "红色正面卡"=Z 基的 0，"蓝色反面卡"=X 基的 1。

不可克隆定理：Eve（窃听者）没法 "偷偷复制卡片"，只要她碰了卡片，卡片的颜色 / 正反面会被改变。

BB84 协议简化流程（生成 2 位共享密码）

步骤 1：Alice 写卡片（生成量子比特）

Alice 要生成2 位密码，她做了 2 件事：

随机选 2 个比特（比如想生成的密码是0、1）；

给每个比特随机选 "卡片颜色（基）"，写好正反面：

第 1 位比特0：选红色卡片（Z 基），写 "正面"（对应 Z 基的 0）；

第 2 位比特1：选蓝色卡片（X 基），写 "反面"（对应 X 基的 1）。

然后 Alice 把这 2 张卡片（红色正面、蓝色反面）偷偷传给 Bob。

步骤 2：Bob 看卡片（测量量子比特）

Bob 不知道 Alice 用了什么颜色的卡片，他只能 ** 随机选颜色（基）** 看卡片：

看第 1 张卡片：Bob 选了红色（Z 基） ，看到是 "正面"，记为0；

看第 2 张卡片：Bob 选了红色（Z 基） ，但这张实际是蓝色卡片（X 基）------ 按红色规则看蓝色卡片，结果会 "不准"，他看到是 "反面"，记为1。

步骤 3：基比对（公开说颜色，不说正反面）

Alice 和 Bob 在 "公开聊天（经典信道）" 里只说卡片颜色（基），不说正反面（比特）：

Alice 说："第 1 张我用的红色，第 2 张蓝色"；

Bob 说："第 1 张我用的红色，第 2 张红色"。

他们保留颜色相同的卡片（因为颜色不同时，Bob 的结果肯定不准）：

第 1 张：Alice 和 Bob 都用了红色→保留；

第 2 张：Alice 蓝色、Bob 红色→丢弃。

此时他们的原始密码 就是第 1 张的比特：0。

步骤 4：纠错（确保结果一致）

如果他们多传几张卡片，比如传了 3 张，可能出现 "颜色相同但正反面记的不一样" 的情况（比如 Alice 记的是正面，Bob 记成反面）------ 这时候他们会在公开聊天里 "核对部分结果"，把错误的比特改掉（比如发现第 3 张颜色相同但结果不同，改成一致的）。

步骤 5：隐私放大（防 Eve 偷看）

假设 Eve 偷偷碰了第 2 张卡片（蓝色反面）：

Eve 选红色卡片看，会把 "蓝色反面卡" 改成 "红色某面卡"；

等 Bob 用红色看这张卡时，结果会和 Alice 的原始比特完全无关；

Alice 和 Bob 基比对时，发现 "颜色相同但结果对不上"，就知道 "被偷听了"，会废掉这次密码，重新生成。

如果没被偷听，他们会把原始密码缩短一点 （比如原始密码是010，缩短成01）------ 去掉可能被 Eve 偷偷获取的信息，得到最终的共享密码 （比如0）。

最终效果

Alice 和 Bob 拿到了相同的共享密码（比如0），这个密码可以用来当 TLS 的会话密钥 ------ 而且 Eve 要么没偷听到，要么一偷听就会被发现，完美实现 "量子安全" 的密钥共享。

0voice · GitHub