漫畫：什麼是加密演演算法？

來自：程式員小灰（微訊號：chengxuyuanxiaohui）

加密演演算法的歷史

加密演演算法最早誕生在什麼時候？是在計算機出現之後嗎？不不不，早在古羅馬時期，加密演演算法就被應用於戰爭當中。

 

 

在大規模的戰爭中，部隊之間常常需要信使往來，傳遞重要的軍事情報。

 

可是，一旦信使被敵軍抓獲，重要的軍事情報就完全暴露給了敵方。

甚至，狡猾的敵人有可能篡改軍事情報，並收買信使把假情報傳遞給我方部隊。

 

這樣一來，我方部隊就完全落入到了敵方的陷阱之中。這種攔截並篡改資訊的手法，在網路安全領域被稱為中間人攻擊。

怎樣防止這種情況的發生呢？不讓信使被敵人抓獲？這個肯定是無法絕對避免的。

那麼我們不妨換個角度，讓敵人即使截獲了軍事情報，也看不懂裡面的內容，這就是對資訊的加密。

 

如何進行加密呢？古人想出了一種非常樸素的加密方法，被稱為凱撒密碼。加密的原理就像下圖這樣：

如圖所示，圖中第一行的字母代表資訊的“明文”，第二行字母代表資訊的密文。這個加密演演算法十分簡單，就是選擇一個偏移量（這裡的偏移量是2），把明文當中的所有字母按照字母表的順序向後偏移兩位，從而生成密文。比如：

原文的字母A，對應的密文是字母C。

原文的字母D，對應的密文是字母F。

原文的單詞Java，對應的密文是Lcxc。

這樣一來，敵方看到信使的情報內容，就徹底蒙逼了。相應的，我軍事先約定好了密文通訊的偏移量，當友軍收到情報以後，把密文的所有字母向前偏移兩位，就還原成了明文，這個過程叫做解密。

但是，這種加密方法真的百分百保險嗎？並不是。

在英語的26個字母中，出現頻率最高的字母是e。如果敵人截獲了情報，發現這段看不懂的密文當中出現頻率最高的字母是g，由於e和g相差兩個字母，就可以猜測出我軍的密文通訊很可能選擇2作為偏移量。這樣一來，我軍的密碼就被破解了。

最不濟，敵人可以把每一種偏移量都嘗試一遍（26個字母，最多25種偏移），終究可以試出符合正常語法的偏移量。這種方式被稱為暴力破解。

 

加密演演算法的種類

在如今的資訊保安領域，有各種各樣的加密演演算法凝聚了電腦科學家門的智慧。從宏觀上來看，這些加密演演算法可以歸結為三大類：雜湊演演算法、對稱加密演演算法、非對稱加密演演算法。

1、雜湊演演算法

 

從嚴格意義上來說，雜湊演演算法並不屬於加密演演算法，但它在資訊保安領域起到了很重要的作用。

雜湊演演算法能做什麼用呢？其中一個重要的作用就是生成資訊摘要，用以驗證原資訊的完整性和來源的可靠性。

讓我們來舉個慄子：

在某個網際網路應用上，有使用者下單買了東西，於是應用需要通知支付寶，並告訴支付寶商戶ID、支付金額等等資訊。

支付寶怎麼知道這個請求是真的來自該應用，並且沒有被篡改呢？

請求的傳送方把所有引數，外加雙方約定的Key（例子中Key=abc）拼接起來，並利用雜湊演演算法生成了一段資訊摘要：

 

Hash（1234_100_abc） = 948569CD3466451F

而請求的接收方在接到引數和摘要之後，按照同樣的規則，也把引數和Key拼接起來並生成摘要：

Hash（1234_100_abc） = 948569CD3466451F

 

如果最終發現兩端資訊摘要一致，證明資訊沒有被篡改，並且來源確實是該網際網路應用。（只要引數修改了一點點，或者Key不一樣，那麼生成的資訊摘要就會完全不同）

生成資訊摘要的過程叫做簽名，驗證資訊摘要的過程叫做驗簽。

 

雜湊演演算法包含哪些具體的演演算法呢？其中最著名的當屬MD5演演算法。後來，人們覺得MD5演演算法生成的資訊摘要太短（128位），不夠安全，於是又有了SHA系列演演算法。

 

2、對稱加密演演算法

雜湊演演算法可以解決驗簽的問題，卻無法解決明文加密的問題。這時候，就需要真正的加密演演算法出場了。

什麼是對稱加密呢？這個概念很好理解：

 

如圖所示，一段明文透過金鑰進行加密，可以生成一段密文；這段密文透過同樣的金鑰進行解密，可以還原成明文。這樣一來，只要雙方事先約定好了金鑰，就可以使用密文進行往來通訊。

除了通訊過程中的加密以外，資料庫儲存的敏感資訊也可以透過這種方式進行加密。這樣即使資料洩露到了外界，洩露出去的也都是密文。

對稱加密包含哪些具體的演演算法呢？在早期，人們使用DES演演算法進行加密解密；後來，人們覺得DES不夠安全，發明瞭3DES演演算法；而如今，最為流行的對稱加密演演算法是AES演演算法。

不知道讀者中有多少人曾經接觸過歐盟的GDPR法案，為了遵從該法案，有的企業就曾經將資料庫中的敏感資訊使用3DES進行加密。

總而言之，對稱演演算法的好處是加密解密的效率比較高。相應的，對稱演演算法的缺點是不夠安全。為什麼呢？通訊雙方約定的金鑰是相同的，只要金鑰本身被任何一方洩露出去，通訊的密文就會被破解；此外，在雙方建立通訊之初，服務端把金鑰告訴給客戶端的時候，也有被攔截到的危險。

為瞭解決這一痛點，非對稱加密就登場了。

 

3、非對稱加密演演算法

 

什麼又是非對稱加密呢？在剛剛接觸到的時候，或許你會覺得這種演演算法有些古怪：

 

如圖所示，在非對稱加密中存在一對金鑰，其中一個叫做公鑰，另一個叫做私鑰。在加密解密的過程中，我們既可以使用公鑰加密明文，使用私鑰解密密文；也可以使用私鑰加密明文，使用公鑰解密密文。

這樣設計有什麼好處呢？看看通訊的過程就知道了：

1、在雙方建立通訊的時候，服務端只要把公鑰告訴給客戶端，自己保留私鑰。

2、客戶端利用獲得的公鑰。加密另外一個金鑰X（可以是對稱加密的金鑰），傳送給服務端。

3、服務端獲得訊息後，用自己的私鑰解密，得到裡面隱含的金鑰X。

4、從此以後，雙方可以利用金鑰X進行對稱加密的通訊了。

 

在這個過程中，即使公鑰被第三方截獲，甚至後續的所有通訊都被截獲，第三方也無法進行破解。因為第二步利用公鑰加密的訊息，只有私鑰才能解開，所以第三方永遠無法知道金鑰X是什麼。

非對稱加密演演算法的代表有哪些呢？最著名的當屬RSA演演算法。

既然非對稱加密這麼強大，是不是沒有缺點呢？也不是。非對稱加密最大的問題，就是效能較差，無法應用於長期的通訊。