1. 引言
密码学（Cryptography）是密码学领域的一个分支，负责防止未经授权的访问和读取敏感信息。在当今社会，我们每天都会使用到大量敏感数据，比如在线支付、预约挂号、社交媒体等。如果这些数据被未经授权的第三方获取，可能会带来严重后果。因此，保护这些数据是系统安全中极为关键的一环。
本文将介绍密码学的基础知识，重点讨论对称加密与非对称加密的原理、特点以及实际应用。
2. 密码学概述
密码学的核心目标是将可读数据（明文）转换为不可读形式（密文），确保只有授权方才能解密并读取。这个过程依赖于加密算法和密钥的结合。即使攻击者获得了密文和算法本身，没有正确的密钥也无法还原原始数据。
除了加密与解密功能，密码学还提供以下关键特性：
- ✅ 数据完整性（Integrity）
- ✅ 身份认证（Authentication）
- ✅ 不可否认性（Non-repudiation）
虽然密码学广泛应用于电商、金融、通信等领域，但最早期和最高等级的应用集中在军事和外交领域。这些领域的加密机制通常由政府机构认证，安全性极高。
3. 对称加密（Symmetric Cryptography）
对称加密使用同一个密钥进行加密和解密。发送方用密钥加密数据，接收方用相同密钥解密。这意味着所有需要解密数据的参与者都必须拥有这个密钥。
来看一个典型的对称加密流程图：
对称加密的安全性取决于算法强度和密钥长度。例如，使用现代硬件破解一个128位的AES密钥大约需要5000亿年，而256位的AES密钥几乎不可破解。
但对称加密也有明显缺点：
- ❌ 密钥分发困难：密钥必须在通信双方之间安全传输，传输过程容易成为攻击目标。
- ❌ 密钥管理复杂：所有持有密钥的人都需妥善保管，一旦泄露，整个系统安全性将崩溃。
3.1. 常见算法
对称加密算法主要分为两类：
- 分组密码（Block Ciphers）：将数据分成固定大小的块进行加密。常用块大小为128位。AES（Advanced Encryption Standard）是最广泛使用的分组密码。
- 流密码（Stream Ciphers）：逐字节或逐位加密。常见算法包括RC4、ChaCha20、Salsa20。
4. 非对称加密（Asymmetric Cryptography）
非对称加密使用一对数学上相关的密钥：公钥（Public Key）和私钥（Private Key）。公钥用于加密数据，可以公开；私钥用于解密数据，必须严格保密。
非对称加密流程如下图所示：
非对称加密解决了对称加密中密钥分发和管理的两个核心问题：
- ✅ 公钥可公开分发，无需安全通道
- ✅ 私钥仅由接收方保管，极大提升了安全性
此外，非对称加密还广泛用于数字签名（Digital Signature）场景，支持不可否认性。
但非对称加密也有缺点：
- ❌ 性能较差：相比对称加密慢很多，不适合大量数据直接加密
- ❌ 密钥长度更长：通常至少1024位以上
因此，实际应用中常采用混合加密方式：
- 用非对称加密加密密钥
- 用对称加密加密数据
4.1. RSA 算法
RSA 是最经典的非对称加密算法，由 MIT 的 Ron Rivest、Adi Shamir 和 Leonard Adleman 于1977年提出。其核心流程如下：
- 生成公钥和私钥
- 发送方使用公钥加密消息
- 接收方使用私钥解密消息
RSA 安全性极高，但计算开销大，通常用于加密小数据（如对称密钥），而非直接加密大量内容。
5. 对称加密 vs 非对称加密
| 特性 | 对称加密 | 非对称加密 |
|---|---|---|
| 密钥数量 | 1把密钥用于加解密 | 一对密钥，公钥加密，私钥解密 |
| 密钥共享 | 所有参与者共享密钥，安全性较低 | 公钥可共享，私钥保密，安全性高 |
| 密文长度 | 与明文相近 | 比明文长 |
| 加密速度 | 快 | 慢 |
| 密钥长度 | 通常128或256位 | 通常1024位以上 |
| 是否支持数字签名 | ❌ 不支持 | ✅ 支持 |
| 可扩展性 | 较差 | 更好 |
| 是否具备不可否认性 | ❌ 无 | ✅ 有 |
6. 小结
本文系统介绍了密码学中的两种核心加密机制：对称加密与非对称加密。它们各有优劣，适用于不同场景：
- ✅ 对称加密适合加密大量数据，速度快，但密钥管理难
- ✅ 非对称加密适合密钥交换和数字签名，安全性高，但性能差
实际开发中，常常结合使用两者，形成“混合加密”方案，以兼顾性能与安全性。
密码学是我们日常使用各种服务（如支付、登录、通信）背后不可或缺的技术支撑。即使我们感知不到，它也在默默守护我们的数据安全。理解其原理，有助于我们在开发中做出更安全、更高效的设计决策。