浅谈加密算法

Part 01 什么是加密算法 

加密算法是一种密码学算法，就是指将信息变成密文的加密技术，加密算法可以实现对数据所属方的隐私保护，并在保护隐私的前提下，实现数据的匿踪共享。通过加密算法可以达到：数据保密性,防止用户数据被窃取或泄露; 数据完整性,防止用户传输的数据被篡改;通信双方身份确认,确保数据来源合法的功能。

常见加密算法分为不可逆算法和可逆算法，其中可逆算法分为对称加密和非对称加密算法，整体加密算法分类如图1所示。

Part 02 不可逆算法 

不可逆算法的加密是不可逆的，加密后的密文是无法被还原成原文。其中散列算法，就是一种不可逆算法。

散列算法是指明文通过散列算法生成散列值，散列值是长度固定的数据，和明文长度无关,算法过程如图2所示。常见散列算法的具体实现有很多种，例如MD5、SHA1、SHA-224、SHA-256等等。散列算法是不需要密钥的，当然也存在一些其他不可逆算法是需要密钥的，例如Hmac算法。

图 2

1、MD5，全称为“Message-Digest Algorithm 5”，翻译过来叫“信息摘要算法”。它可以将任意长度的数据通过散列算法，生成一个固定长度的散列值。MD5算法的输出长度为128位，通常用32个16进制数表示。MD5有一些优点，比如计算速度快、输出长度固定、应用广泛等等。但是作为一个加密算法，它有一个天大的缺点，那就是不安全。目前MD5算法已经被攻破，而且MD5算法的输出长度有限，攻击者可以通过暴力破解或彩虹表攻击等方式，找到与原始数据相同的散列值，从而破解数据。虽然可以通过加盐，也就是对在原文里再加上一些不固定的字符串来缓解，但是完全可以用更安全的SHA系列算法替代。

2、SHA（Secure Hash Algorithm）系列算法是一组密码散列函数，用于将任意长度的数据映射为固定长度的散列值。SHA系列算法由美国国家安全局（NSA）于1993年设计，目前共有SHA-1、SHA-2、SHA-3三种版本。其中SHA-1系列存在缺陷，已经不再被推荐使用。SHA-2算法包括SHA-224、SHA-256、SHA-384和SHA-512四种散列函数，分别将任意长度的数据映射为224位、256位、384位和512位的散列值。

3、上述两种算法，SHA-2算法比MD5强，主要有两个原因：

（1）散列值长度更长：例如SHA-256算法的散列值长度为256位，而MD5算法的散列值长度为128位，这就提高了攻击者暴力破解或者彩虹表攻击的难度。

（2）更强的碰撞抗性：SHA算法采用了更复杂的运算过程和更多的轮次，使得攻击者更难以通过预计算或巧合找到碰撞。

Part 03 可逆算法 

可逆算法分为对称加密算法和非对称加密算法两种。

对称加密算法

对称加密算法的加密和解密过程使用的是相同的密钥，因此密钥的安全性至关重要。如果密钥泄露，攻击者可以轻易地破解加密数据。

对称加密的原理如图3所示，通信的双方约定好使用统一的加密解密算法，以及一个salt盐作为唯一标识，发送数据前先试用加密算法和salt经过加密函数处理得到密文，接受方收到密文后使用解密算法+salt对密文解密得到明文再处理。

常见的对称加密算法包括DES、3DES、AES等。其中，AES算法是目前使用最广泛的对称加密算法之一，具有比较高的安全性和加密效率。

（1）AES（Advanced Encryption Standard）即高级加密标准，是一种对称加密算法，被广泛应用于数据加密和保护领域。AES算法使用的密钥长度为128位、192位或256位，比DES算法的密钥长度更长，安全性更高。AES算法采用的密钥长度更长，密钥空间更大，安全性更高，能够有效地抵抗暴力破解攻击。当然，因为密钥长度较长，需要的存储也更多。

（2）DES（Data Encryption Standard）算法是最早的一种广泛应用的对称加密算法之一。DES算法使用56位密钥对数据进行加密，加密过程中使用了置换、替换、异或等运算，具有较高的安全性。速度较快，但是在安全性上面并不是最优选择，因为DES算法的密钥长度比较短，被暴力破解和差分攻击的风险比较高，一般推荐用一些更安全的对称加密算法，比如3DES、AES等。

非对称加密算法

非对称加密算法需要两个密钥，这两个密钥互不相同，但是相互匹配，一个称为公钥，另一个称为私钥。使用其中的一个加密，则使用另一个进行解密。具有如下特点：

（1）使用公钥加密的数据只有私钥才能解密，公钥自己是解密不了的。

（2）使用私钥加密的数据只有公钥才能解密，私钥自己是解密不了的。

（3）服务端同时持有公钥和私钥(不会给任何人)。

（4）服务端要跟谁通信就把自己的公钥给它。

RSA算法是是目前应用最广泛的非对称加密算法，该算法的优点是安全性高，公钥可以公开，私钥必须保密，保证了数据的安全性；可用于数字签名、密钥协商等多种应用场景。缺点是加密、解密速度较慢，密钥长度越长，加密、解密时间越长；密钥长度过短容易被暴力破解，密钥长度过长则会增加计算量和存储空间的开销。