加密算法、非对称加密算法和 Hash 算法

对称加密(Symmetric Cryptography),又称私钥加密

对称加密是最快速、最简单的一种加密方式,加密(encryption)与解密(decryption)用的是同样的密钥(secret key),这种方法在密码学中叫做对称加密算法。对称加密有很多种算法,由于它效率很高,所以被广泛使用在很多加密协议的核心当中。对称加密通常使用的是相对较小的密钥,一般小于256 bit。因为密钥越大,加密越强,但加密与解密的过程越慢。如果你只用1 bit来做这个密钥,那黑客们可以先试着用0来解密,不行的话就再用1解;但如果你的密钥有1 MB,黑客们可能永远也无法破解,但加密和解密的过程要花费很长的时间。密钥的大小既要照顾到安全性,也要照顾到效率,是一个trade-off。

常见的对称加密算法:DES、3DES、DESX、Blowfish、IDEA、RC4、RC5、RC6 和 AES

非对称加密(Asymmetric Cryptography),又称公钥加密

1976年,美国学者Dime和Henman为解决信息公开传送和密钥管理问题,提出一种新的密钥交换协议,允许在不安全的媒体上的通讯双方交换信息,安全地达成一致的密钥,这就是“公开密钥系统”。相对于“对称加密算法”这种方法也叫做“非对称加密算法”。非对称加密为数据的加密与解密提供了一个非常安全的方法,它使用了一对密钥,公钥(public key)和私钥(private key)。私钥只能由一方安全保管,不能外泄,而公钥则可以发给任何请求它的人。非对称加密使用这对密钥中的一个进行加密,而解密则需要另一个密钥。比如,你向银行请求公钥,银行将公钥发给你,你使用公钥对消息加密,那么只有私钥的持有人—银行才能对你的消息解密。与对称加密不同的是,银行不需要将私钥通过网络发送出去,因此安全性大大提高。

常见的非对称加密算法:RSA、ECC (移动设备用)、Diffie-Hellman、El Gamal、DSA (数字签名用)

对称加密和非堆成加密的使用

对称密钥加密我们从定义中应该就可以明白,它是信息的发送方和接收方都用同一个秘钥去加密和解密数据。这样做它的最大优势是加/解密速度快,适合于对大数据量进行密,但密钥管理困难。

非对称密钥加密,它需要使用“一对”密钥来分别完成加密和解密操作,一个公开发布,即公开密钥,另一个由用户自己秘密保存,即私用密钥。信息发送者用公开密钥去加密,而信息接收者则用私用密钥去解密。公钥机制灵活,但加密和解密速度却比对称密钥加密慢得多。
非对称密钥加密的使用过程:

  1. A要向B发送信息,A和B都要产生一对用于加密和解密的公钥和私钥。
  2. A的私钥保密,A的公钥告诉B;B的私钥保密,B的公钥告诉A。
  3. A要给B发送信息时,A用B的公钥加密信息,因为A知道B的公钥。
  4. A将这个消息发给B(已经用B的公钥加密消息)。
  5. B收到这个消息后,B用自己的私钥解密A的消息,其他所有收到这个报文的人都无法解密,因为只有B才有B的私钥。
  6. 反过来,B向A发送消息也是一样。

从上面大家应该可以看出对称加密和非对称加密的区别,下面稍微进行一下总结:
(1) 对称加密加密与解密使用的是同样的密钥,所以速度快,但由于需要将密钥在网络传输,所以安全性不高。
(2) 非对称加密使用了一对密钥,公钥与私钥,所以安全性高,但加密与解密速度慢。
(3) 解决的办法是将对称加密的密钥使用非对称加密的公钥进行加密,然后发送出去,接收方使用私钥进行解密得到对称加密的密钥,然后双方可以使用对称加密来进行沟通。

Hash 算法

Hash 算法特别的地方在于它是一种单向算法,用户可以通过 Hash 算法对目标信息生成一段特定长度的唯一的 Hash 值,却不能通过这个 Hash 值重新获得目标信息。因此 Hash 算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。

常见的 Hash 算法:MD2、MD4、MD5、HAVAL、SHA、SHA-1、HMAC、HMAC-MD5、HMAC-SHA1

加密算法的效能通常可以按照算法本身的复杂程度、密钥长度(密钥越长越安全)、加解密速度等来衡量。上述的算法中,除了 DES 密钥长度不够、MD2 速度较慢已逐渐被淘汰外,其他算法仍在目前的加密系统产品中使用。

加密算法的选择

由于非对称加密算法的运行速度比对称加密算法的速度慢很多,当我们需要加密大量的数据时,建议采用对称加密算法,提高加解密速度。
对称加密算法不能实现签名,因此签名只能非对称算法。
由于对称加密算法的密钥管理是一个复杂的过程,密钥的管理直接决定着他的安全性,因此当数据量很小时,我们可以考虑采用非对称加密算法。
在实际的操作过程中,通常采用的方式是:采用非对称加密算法管理对称算法的密钥,然后用对称加密算法加密数据,这样我们就集成了两类加密算法的优点,既实现了加密速度快的优点,又实现了安全方便管理密钥的优点。
如果在选定了加密算法后,那采用多少位的密钥呢?一般来说,密钥越长,运行的速度就越慢,应该根据的我们实际需要的安全级别来选择,一般来说,RSA 建议采用 1024 位的数字,ECC 建议采用 160 位,AES 采用 128 为即可。

加密算法介绍

  1. 对称加密算法
    对称加密算法用来对敏感数据等信息进行加密,常用的算法包括:

    • DES (Data Encryption Standard):数据加密标准,速度较快,适用于加密大量数据的场合;
    • 3DES (Triple DES):是基于 DES,对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密,强度更高;
    • AES (Advanced Encryption Standard):高级加密标准,是下一代的加密算法标准,速度快,安全级别高。
  2. 非对称算法

  • RSA:由 RSA 公司发明,是一个支持变长密钥的公共密钥算法,需要加密的文件块的长度也是可变的;
  • DSA (Digital Signature Algorithm):数字签名算法,是一种标准的 DSS (数字签名标准);
  • ECC (Elliptic Curves Cryptography):椭圆曲线密码编码学。

ECC 和 RSA 相比,在许多方面都有对绝对的优势,主要体现在以下方面:

  • 抗攻击性强。相同的密钥长度,其抗攻击性要强很多倍。
  • 计算量小,处理速度快。ECC 总的速度比 RSA、DSA 要快得多。
  • 存储空间占用小。ECC 的密钥尺寸和系统参数与 RSA、DSA 相比要小得多,意味着它所占的存贮空间要小得多。这对于加密算法在 IC 卡上的应用具有特别重要的意义。

带宽要求低。当对长消息进行加解密时,三类密码系统有相同的带宽要求,但应用于短消息时 ECC 带宽要求却低得多。带宽要求低使 ECC 在无线网络领域具有广泛的应用前景。

散列算法

散列是信息的提炼,通常其长度要比信息小得多,且为一个固定长度。加密性强的散列一定是不可逆的,这就意味着通过散列结果,无法推出任何部分的原始信息。任何输入信息的变化,哪怕仅一位,都将导致散列结果的明显变化,这称之为雪崩效应。散列还应该是防冲突的,即找不出具有相同散列结果的两条信息。具有这些特性的散列结果就可以用于验证信息是否被修改。

单向散列函数一般用于产生消息摘要,密钥加密等,常见的有:

  • MD5 (Message Digest Algorithm 5):是 RSA 数据安全公司开发的一种单向散列算法,非可逆,相同的明文产生相同的密文;
  • SHA (Secure Hash Algorithm):可以对任意长度的数据运算生成一个 160 位的数值。

SHA-1 与 MD5 的比较 :
因为二者均由 MD4 导出,SHA-1 和 MD5 彼此很相似。相应的,他们的强度和其他特性也是相似,但还有以下几点不同:

  • 对强行供给的安全性:最显著和最重要的区别是 SHA-1 摘要比 MD5 摘要长 32 位。使用强行技术,产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对 MD5 是 2128 数量级的操作,而对 SHA-1 则是 2160 数量级的操作。这样,SHA-1 对强行攻击有更大的强度;
  • 对密码分析的安全性:由于 MD5 的设计,易受密码分析的攻击,SHA-1 显得不易受这样的攻击;
  • 速度:在相同的硬件上,SHA-1 的运行速度比 MD5 慢。

对称与非对称算法比较

以上综述了两种加密方法的原理,总体来说主要有下面几个方面的不同:

  • 在管理方面:公钥密码算法只需要较少的资源就可以实现目的,在密钥的分配上,两者之间相差一个指数级别(一个是 n 一个是 n2)。所以私钥密码算法不适应广域网的使用,而且更重要的一点是它不支持数字签名;
  • 在安全方面:由于公钥密码算法基于未解决的数学难题,在破解上几乎不可能。对于私钥密码算法,到了 AES 虽说从理论来说是不可能破解的,但从计算机的发展角度来看。公钥更具有优越性;
  • 从速度上来看:AES 的软件实现速度已经达到了每秒数兆或数十兆比特。是公钥的 100 倍,如果用硬件来实现的话这个比值将扩大到 1000 倍。

加密算法的选择

由于非对称加密算法的运行速度比对称加密算法的速度慢很多,当我们需要加密大量的数据时,建议采用对称加密算法,提高加解密速度。
对称加密算法不能实现签名,因此签名只能非对称算法。
由于对称加密算法的密钥管理是一个复杂的过程,密钥的管理直接决定着他的安全性,因此当数据量很小时,我们可以考虑采用非对称加密算法。
在实际的操作过程中,我们通常采用的方式是:采用非对称加密算法管理对称算法的密钥,然后用对称加密算法加密数据,这样我们就集成了两类加密算法的优点,既实现了加密速度快的优点,又实现了安全方便管理密钥的优点。
那采用多少位的密钥呢? RSA 建议采用 1024 位的数字,ECC 建议采用 160 位,AES 采用 128 为即可。