加密算法

RSA

RSA介绍

什么是RSA

RSA是一种非对称加密算法，加密和解密使用的是使用的是一对密钥：公钥和私钥，主要用于数据加密/解密、数字签名/验证，密钥交换。

密钥长度

RSA密钥长度有1024位(128Byte)、2048位(256Byte)、3072位(384Byte)、4096位(512Byte)。

密钥越长，运算越慢。

RSA数学基础

RSA数学基础：

  • 基于大数质因数分解困难问题。即：如果选取两个非常大的素数相乘，得到的结果很难被分解回原来的两个素数。
  • 密钥生成过程：随机选取两个大素数，计算它们的乘积和一些相关参数，得到公钥和私钥。

RSA几种使用方式

1.数据加密/解密

  • 加密：用公钥加密数据，只有持有私钥的人能解密。
  • 解密：只能使用私钥才能解密别人用公钥加密的数据

示例：

  • Alice公布自己的公钥，Bob用Alice的公钥加密消息，然后发送给Alice，只有Alice用自己的私钥解密才能看到数据内容

2.数字签名/验签

  • 签名：用私钥对数据生成签名，证明数据确实由私钥拥有者发出
  • 验证：任何人用公钥验证签名，确保数据未被篡改

示例：

  • Alice用自己的私钥对内容进行签名，任何人用Alice的公钥都能验证合同是Alice签发的

3.密钥交换

  • RSA常用于安全地进行交换对称密钥(AES)，而不是直接加密数据
  • 过程：用接收方地公钥加密对称密钥，接收方用私钥解密，双方共享这个对称密钥进行后续通信

RSA优缺点

优点：

  • 安全性高（基于数学难题）
  • 支持身份认证和数字签名
  • 适合安全密钥交换

缺点：

  • 加密/解密速度慢（不适合大数据量直接加密）
  • 通常配合对称加密算法（如AES）用于实际数据加密

RSA加密

RSA数字签名

什么是数字签名？

​ 数字签名是一种利用非对称加密算法（如RSA）实现的数据完整性和身份认证机制。它确保数据来自于签名者本人且未被篡改。

RSA数字签名的流程

签名流程

​

1.消息摘要

  • 首先对原始消息使用哈希算法(SHA-256等)，生成一个固定长度的摘要

2.私钥加密摘要

  • 用RSA私钥加密这个消息摘要，得到”数字签名”

3.将签名与原消息一起发送

  • 一般将原消息和数字签名一起发送给接收方

为什么需要对原消息进行哈希后再用RSA加密得到数字签名，而不是直接使用RSA私钥加密原始数据得到数字签名？

1. 效率原因

  • RSA加密/解密速度慢
    • RSA是一种非对称加密算法，用于加密/解密的数据块有限制，而且运算速度远远慢于对称算法(AES)
  • 原数据可能很大
    • 如果使用RSA私钥加密原数据，数据越大，签名/验证速度越慢，甚至无法处理大文件(比如几十兆的数据，RSA直接加密会非常慢甚至不可行)

2. 摘要长度固定且小

  • 哈希算法(如SHA-256)能把任意长度的数据变成固定长度的消息摘要
    • 比如：无论原数据长度如何，用SHA256输出总是256位
  • 用RSA私钥加密这个摘要，数据量小，效率高
    • 这样签名只需要处理一个很短的哈希值，而不是整个文件

安全性原因：

  • 哈希算法具备抗碰撞性
    • 很难找到两份不同数据，经过哈希运算后, 得到相同的哈希值(摘要)
  • 签名只针对摘要，验证时只需比较摘要即可判断内容是否被篡改
    • 如果原数据有很小变化，哈希值变化巨大，签名验证会失败

验签流程

1.收到原消息和数字签名

2.对原消息进行哈希运算(SHA-256)

  • 得到本地消息摘要

3.用发送者的RSA公钥解密数字签名

  • 得到签名时的消息摘要。

4.比较两个摘要是否一致

  • 一致则验证通过，说明数据未被篡改且确实是私钥持有者签发。

流程图

RSA

AES

AES介绍

什么是AES

AES是一种广泛应用的对称加密算法，加密和解密用的是同一个密钥，用于替代DES。

AES算法基于分组加密（Block Cipher），每次加密固定长度的数据块（通常为128位）。

密钥长度和安全性

AES支持128位、192位和256位密钥长度，安全性随密钥长度提升。

AES算法原理

AES对输入数据进行多轮置换、替换、混合和密钥加操作，设计上防止常见密码攻击（如差分分析、线性分析）。

加密和解密过程类似，只是轮密钥顺序不同。

AES几种使用方式

1.数据加密/解密

  • 用同一个密钥对数据进行加密和解密，适合大量数据的高效加密。

  • 常见于文件加密、通信加密、数据库加密等。

AES加密模式

  • ECB（Electronic Codebook）模式：每个数据块独立地被加密，明文相同的块会被加密成相同的密文块。简单但不安全，数据块独立加密，容易暴露明文模式。
  • CBC（Cipher Block Chaining）模式：常用，每个明文块在加密前要与前一个密文块异或（XOR），第一个块用初始向量（IV）代替。，增强安全性。
  • CFB/CTR/GCM等模式：适合流加密、并行加密、认证加密等场景。

2.密钥管理

  • 密钥必须安全保存，泄露密钥意味着加密内容完全暴露。
  • 常与RSA等非对称加密算法配合，RSA用于安全分发AES密钥。

AES优缺点

优点:

  • 加密速度快，适合大数据量。
  • 算法公开、经过广泛验证，安全性高。
  • 易于硬件加速，实现方便。

缺点:

  • 密钥管理要求高，密钥泄露即失效。
  • 不支持身份认证和签名功能（需配合非对称加密实现）。

AES加密