加密标准：AES、RSA、ECC、SHA 和其他协议

# Web 开发# 初学者# 教程# 学习

加密是将数据编码为只有授权方才能访问的过程。目前有多种加密标准和协议用于保护动态和静态数据。一些最广泛使用和最重要的加密标准包括：

高级加密标准 (AES)

AES 是美国国家标准与技术研究院 (NIST) 于 2001 年制定的对称加密算法。它基于比利时密码学家开发的 Rijndael 密码。AES 的固定块大小为 128 位，支持 128、192 和 256 位的密钥大小。

**AES 的工作原理**

  • AES 对称为状态的 4×4 字节矩阵进行操作。
  • 对于加密，明文被复制到状态数组中。对状态数组中的数据应用四种不同的转换的几轮连续操作。这些包括： ---> SubBytes - 使用替换表进行非线性字节替换 ---> ShiftRows - 行内容的循环移位 ---> MixColumns - 使用数学函数进行逐列混合操作 ---> AddRoundKey - 使用 XOR 将轮密钥添加到状态
  • 轮数取决于密钥大小 - 128 位密钥为 10 轮，192 位密钥为 12 轮，256 位密钥为 14 轮。
  • 最后一轮之后，从状态数组中读取密文。解密以相反的顺序应用逆变换。

    • **AES 的优点**

  • 安全性极高 - 没有已知的实际攻击
  • 性能——软件和硬件实现均高效
  • 灵活的密钥大小 - 128、192 或 256 位密钥
  • 在 TLS、SSH、IPsec、WiFi 安全等协议和标准中被广泛采用和实施

    • 如今，组织和个人普遍使用 AES 来加密敏感数据。它已获得美国政府批准，可用于保护最高机密级别的机密数据。

    RSA

    RSA 是一种基于涉及素数分解的数学问题的公钥加密算法。它由 Ron Rivest、Adi Shamir 和 Leonard Adleman 于 1977 年发明。

    **RSA 的工作原理**

  • RSA 涉及公钥和私钥对。公钥公开，私钥保密。
  • 密钥对由随机选取的两个大素数生成，对素数进行数学运算生成公钥和私钥。
  • 对于加密，明文使用公钥加密，密文只能使用私钥解密。
  • 对于数字签名，私钥用于对消息进行签名。可以使用公钥来验证签名。

    • **RSA 的优势**

  • 如果使用足够大的密钥（例如 2048 位或更大），则非常安全
  • 可扩展且灵活，可与不同的密钥大小一起使用
  • 广泛用于安全数据传输和数字签名
  • 支持 PKCS、TLS、SSH、S/MIME、PGP 等标准

    • RSA 因其安全性和可扩展性而常用于加密会话密钥和数字签名。许多协议都使用 RSA 加密作为其安全措施的一部分。

    Diffie-Hellman 密钥交换

    Diffie-Hellman 是一种通过不安全通道安全地交换加密密钥的方法。它由 Whitfield Diffie 和 Martin Hellman 于 1976 年开发。

    **Diffie-Hellman 的工作原理**

  • Alice 和 Bob 就一个大素数“p”和一个生成器“g”（模 p 的原根）达成一致。
  • 爱丽丝选择一个秘密整数“a”并向鲍勃发送“ga mod p”。
  • Bob 选择一个秘密整数“b”并向 Alice 发送“gb mod p”。
  • Alice 计算 (gb)a mod p。Bob 计算 (ga)b mod p。
  • 方程的结果是它们的共享秘密“gab mod p”，可用作加密密钥。

    • **Diffie-Hellman 的优点**

  • 由于每次会话都会生成新密钥，因此可提供完美的前向保密性
  • 计算速度快且高效
  • 由于共享密钥从未传输，因此可防止中间人攻击
  • 用于 TLS、SSH、VPN 等协议建立安全通道

    • Diffie-Hellman 使得双方能够通过互联网等不安全的媒介安全地建立共享密钥。

    椭圆曲线密码术 (ECC)

    ECC 是一种基于椭圆曲线数学的公钥算法，可以创建更快、更小、更高效的加密密钥。

    **ECC 的工作原理**

  • ECC 依赖于椭圆曲线方程的性质，而不是大素数。
  • 较小的 ECC 密钥（256 位）提供与其他系统中的较大密钥（例如 2048 位 RSA）相同的安全性。
  • ECC 密钥是通过在椭圆曲线上选取一个随机点来生成的。公钥由该点派生而来，而私钥则由用于生成该点的随机数派生而来。
  • 加密时，明文用公钥加密，解密用私钥解密。数字签名也遵循类似的过程。

    • **ECC 的优势**

  • 密钥越小，计算速度越快，功耗和内存占用越低
  • 与其他算法相比，每位的安全性更高
  • 用于 TLS、SSH、比特币等协议，实现高效、安全的交易

    • ECC 允许使用更小、更高效的加密密钥，同时确保强大的安全性。这使其适用于移动设备和嵌入式系统等受限环境。

    安全哈希算法 (SHA)

    哈希函数（例如 SHA）用于从输入数据生成固定长度的消息摘要。这些摘要可保护完整性，因为对输入的任何更改都会影响哈希值。

    **SHA 的工作原理**

  • SHA 接受任意长度的输入消息并一次处理 512 位的块。
  • SHA 使用压缩函数迭代处理每个 512 位块来加密和压缩输入数据。
  • 经过多轮哈希运算和位运算来生成最终的摘要。
  • 流行的 SHA 变体是 SHA-1（160 位摘要）、SHA-2（256 位摘要）和 SHA-3，摘要大小分别为 224、256、384 或 512 位。

    • **SHA 的优势**

  • 广泛用于验证数据完整性和数字签名。
  • 抵抗原像和二次原像攻击。
  • 在软件和硬件上标准化且通用化。
  • 允许使用新出现的更高安全性的变体，如 SHA-2 和 SHA-3。

    • 安全哈希算法（如 SHA）可保护敏感数据和通信免遭未经授权的更改。它们是区块链、版本控制、IT 安全和其他应用程序中的重要组成部分。

    河豚

    Blowfish 是 Bruce Schneier 开发的对称加密密码。它具有 64 位块大小，支持 32 至 448 位的密钥长度。

    **Blowfish 的工作原理**

  • 它将消息分成 64 位块并分别加密。
  • 它使用具有16轮加密的Feistel网络。
  • 每一轮都会应用 XOR 运算、使用 S 盒的替换以及基于密钥的排列。
  • 解密采用相同的密钥，但反转排列顺序并使用逆 S 盒，应用相同的过程。

    • **Blowfish 的优势**

  • 紧凑、简单、快速且易于在软件中实现。
  • 防止差分和线性密码分析攻击。
  • 灵活的密钥长度和公开可用的算法。
  • 未获专利且无需许可，可免费使用。

    • Blowfish 为从电子商务到系​​统工具和数据库的各种应用程序提供快速、良好的加密。

    非常好的隐私（PGP）

    PGP 是一种公钥加密系统，它使用多种算法提供加密和解密。

    **PGP 的工作原理**

  • 使用公钥加密来保护电子邮件、文件、目录等。
  • 提供身份验证、保密性、数据压缩和散列功能。
  • 使用数字证书、数字签名和密钥服务器进行身份验证。
  • 结合对称密钥加密和公钥加密以提高性能。
  • 支持多种加密算法（IDEA、3DES、AES 等）和哈希函数。

    • **PGP 的优势**

  • 高度安全并提供端到端加密。
  • 开放标准，任何人都可以根据已发布的规范来实施。
  • 兼容S/MIME、LDAP、HTTPS等协议和标准。
  • 有商业版本和免费开源版本（如 GnuPG）。

    • PGP 为个人和企业提供安全的电子邮件通信和数据存储。它为电子邮件、文件、目录和磁盘卷提供全面的加密和签名功能。

    常见问题

    **哪种加密标准最安全？**

    AES 被认为是目前最安全的加密标准之一，尤其是使用 256 位密钥时。当使用足够长的密钥长度时，RSA、ECC、SHA-2 也非常安全。

    **对称加密和非对称加密有什么区别？**

    像 AES 这样的对称算法使用相同的密钥进行加密和解密，而像 RSA 这样的非对称算法则使用不同的公钥和私钥。

    **应使用哪种大小的密钥进行加密？**

    对于对称加密，具有 256 位密钥的 AES 可提供出色的安全性。对于 RSA，建议使用 2048 位或更高的密钥。对于 ECC，256 位密钥可提供足够的安全性。

    **像MD5这样被破坏的加密标准还能使用吗？**

    MD5 和 SHA-1 被认为是加密漏洞，不应将其用于安全目的。应尽可能使用 AES、SHA-2/SHA-3。

    **哪种加密标准性能最快？**

    对称算法（如 AES 和 Blowfish）在软件和硬件上都具有非常好的性能和速度。当比较同等密钥大小时，ECC 比 RSA 更快。