03-密码学基础：如何让你的密码变得“不可见”？
上⼀ 讲 ，我们学习了⻩⾦法则的三部分核⼼内容：认证、授权、 审计。 它们描述了⽤⼾在使⽤应⽤的各个环节 ，我们需要采取的安全策略。
可以说 ，密码学是“⻩⾦法则”的基础技术⽀撑。失去了密码学的保护 ，任何认证、授权、 审计机制都 是“可笑”的鸡肋。
在实际的⽣活⼯作中经常会有这样的场景发⽣： 多个用户共⽤⼀ 个Wi-Fi来上⽹ 、共⽤⼀ 个服务器来跑任 务； 多个进程共⽤⼀ 个数据库来完成数据存储。在这些场景中 ，多⽅交互都通过⼀ 个共同的通道来进⾏ ，那 我们该如何保障其中内容的CIA呢？这就需要⽤到各种加密技术了。今天 ，我们就⼀ 起来学习密码学相关的知识。
接下来 ，我来介绍⼀ 些经典的密码学算法：对称加密算法、⾮对称加密算法和散列算法。
对称加密算法
⾸先 ，我们来看对称加密算法。所谓对称加密 ，代表加密和解密使⽤的是同⼀ 个密钥。概念很简单 ，但是也 很不具体、直观。为了帮助你理解 ，我把具体的加解密过程 ，画了⼀ 张图 ，你可以看⼀ 下。
我们常⻅的经典对称加密算法有DES、 IDEA、AES、 国密SM1和SM4。下⾯我们⼀ 起来具体看看。 第⼀ 种对称加密算法是DES (数据加密标准 ，Data Encryption Standard) 。
DES应该是最早的现代密码学算法之⼀ 。 它由美国政府提出 ，密钥⻓度为56位。 ⽬前 ， 它暴⼒破解56位密码的时间 ， 已经能控制在24⼩时内了。DES实际上是⼀ 个过时的密码学算法 。
第⼆种对称加密算法是IDEA (国际数据加密算法 ，International Data Encryption Algorithm) 。IDEA由瑞⼠研究⼈员设计 ，密钥⻓度为128位。对⽐于其他的密码学算法 ，IDEA的优势在于没有专利的限 制。相⽐于DES和AES的使⽤受到美国政府的控制 ，IDEA的设计⼈员并没有对其设置太多的限制 ，这让IDEA 在全世界范围内得到了⼴泛地使⽤和研究。
第三种需要了解的对称加密算法是AES (⾼级加密标准 ，Advanced Encryption Standard) 。
在DES被破解后 ，美国政府推出了AES算法 ，提供了128位、 192位和256位三种密钥⻓度。通常情况下 ，我 们会使⽤128位的密钥 ，来获得⾜够的加密强度 ，同时保证性能不受影响。 ⽬前 ，AES是国际上最认可的密 码学算法。 在算⼒没有突破性进展的前提下 ，AES在可预期的未来都是安全的。
最后⼀种是国密SM1 (SM1 Cryptographic Algorithm) 和SM4 (SM4 Cryptographic Algorithm) 。
我们知道 ， 密码学作为安全的基础学科 ， 如果全部依靠国外的技术 ， 对于国家安全可能产⽣不利影响。 因此 ， 中国政府提出了⼀ 系列加密算法。 其中 ， 国密算法SM1和SM4都属于对称加密的范畴。 SM1算法不公开 ，属于国家机密 ，只能通过相关安全产品进⾏使⽤ 。⽽SM4属于国家标准 ，算法公开 ，可⾃⾏实现使⽤ 。 国密算法的优点显⽽易⻅： 受到国家的⽀持和认可。
借助下⾯的对⽐情况表 ，相信你会对这⼏种对称加密算法有更清晰的认识。
现在你应该对⼏种经典的对称加密算法有了初步地了解。接下来 ，我们来看⼀ 看它们是如何应⽤的。
在加密通信中 (如HTTPS、VPN、SSH等) ，通信双⽅会协商出⼀ 个加密算法和密钥 ，对传输的数据进⾏加密 ，从⽽防⽌第三⽅窃取。在类似数据库加密这种存储加密技术中 ，通信双⽅也是将存储空间中的数据进⾏ 加密 ，这样即使硬盘被物理窃取 ，也不会导致信息丢失。在公司内部 ，为了避免⽤⼾的Cookie和隐私信息 发⽣泄漏 ，也需要对它们进⾏加密存储。对于⼤部分公司来说 ，选取AES128进⾏加解密运算 ，就能获得较⾼的安全性和性能。 如果是⾦融或政府⾏业 ，在涉及国家层⾯的对抗上 ，有⼀ 定的合规需求 ，则需要应⽤国密算法。
另外 ，在选取加密算法的时候 ，存在不同的分组计算模式： ECB/CBC/CFB/OFB/CTR。你需要知道的是：选取CBC和CTR这两种推荐使⽤的模式就可以 满⾜⼤部分需求了 ，它们在性能和安全性上都有较好的保证。
非对称加密算法
有对称就⼀ 定会有⾮对称。⾮对称加密代表加密和解密使⽤不同的密钥。具体的加解密过程就是 ，发送⽅使 ⽤公钥对信息进⾏加密 ，接收⽅收到密⽂后 ，使⽤私钥进⾏解密。具体我也画了⼀ 张图 ，你可以和上⾯的对 称加密算法的图⼀ 起对照着看⼀ 下。可以看到 ，⾮对称加密和对称加密算法的最⼤区别就是 ，加密和解密使⽤的密钥是不同的。
当使⽤对称加密算法的时候 ，你不仅要跟每⼀ 个通信⽅协定⼀ 个密钥 ，还要担⼼协商过程中密钥泄漏的可能 性。⽐如 ，我当⾯告诉了你⼀ 个密码 ，怎么保证不被偷听呢？⽽在⾮对称加密算法中 ，公钥是公开信息 ，不 需要保密 ，我们可以简单地将⼀ 个公钥分发给全部的通信⽅ 。也就是说 ，我现在就可以告诉你⼀ 个公钥密码 ，即使这意味着所有阅读这篇⽂章的⼈都知道了这个密码 ，那也没关系。 因此 ，⾮对称密钥其实主要解决 了密钥分发的难题。除了加密功能外 ，⼤部分的⾮对称算法还提供签名的功能。 这也就是说 ，我们可以使⽤私钥加密 ，公钥解密。⼀ 旦接收⽅通过公钥成功解密 ，我们就能够证明发送⽅拥有对应的私钥 ，也就能证实发送⽅的⾝份 ，也就是说 ，私钥加密就是我们说的签名。
你还可以这样理解 ，⽐如我现在和你说话 ， 内容经过了我的私钥加密 ，你⽤公钥解得了明⽂。 因为私钥只有 我拥有 ，所以只有我能够发出这段话来 ，别⼈都不可能。这也就是说 ，我不可能狡辩称这段话不是我说的。
所有的⾮对称加密算法 ，都是基于各种数学难题来设计的 ， 这些数学难题的特点是： 正向计算很容易 ， 反向
推倒则⽆解。经典的⾮对称加密算法包括：RSA、 ECC和国密SM2。
好了 ，这3种⾮对称加密算法的优缺点我也总结成了⼀ 张表格 ，你可以看⼀ 看。
我们前⾯说了 ，对⽐于对称加密算法 ，⾮对称加密算法最⼤的优势就是解决密钥分发的问题。 因此 ，现在⼤ 部分的认证和签名场景 ，其实使⽤的都是⾮对称加密算法。 ⽐如 ，在SSH登录、Git上传等场景中 ，我们都 可以将⾃⼰的公钥上传到服务端 ，然后由客⼾端保存私钥。
那么 ，如果你遇到需要使⽤⾮对称加密的场景 (⽐如多对⼀ 认证) ，我推荐你使⽤ECC算法。
散列算法
散列算法应该是最常⻅到的密码学算法了。 ⼤量的应⽤都在使⽤MD5或者SHA算法计算⼀ 个唯⼀ 的id。 ⽐如是 ，如果不是⻓度受限 (32个字符) ，我还是不推荐你继续使⽤MD5的。
Git中的提交记录、 ⽂件的完整性校验、 各种语⾔中字典或者Map的实现等等。 很多场景下 ， 我们使⽤散列算法并不是为了满⾜什么加密需求 ，⽽是利⽤它可以对任意⻓度的输⼊ ，计算出⼀ 个定⻓的id。
作为密码学的算法 ，散列算法除了提供唯⼀ 的id ，其更⼤的利⽤价值还在于它的不可逆性。 当⽤⼾注册 ，提
交账号密码时 ，作为⼀ 个安全的应⽤ ，是绝对不能够存储明⽂密码的。 因此 ，我们对⽤⼾的密码通过散列算法进⾏计算 ， 存储最终的散列值。在后续登录的过程中 ，我们如果计算出的⽤⼾提交的密码的散列值和你存储的散列值⼀ 致 ，就可以通过验证
了。这样⼀ 来 ，任何⼈ (即使是内部员⼯) 都不知道⽤⼾真实的密码是什么 ，⽽⽤⼾也能够完成密码的校。验
除了刚才说的不可逆性 ， 在密码学上 ， 我们对散列算法的要求还有： 鲁棒性 (同样的消息⽣成同样的摘要) 、唯⼀ 性 (不存在两个不同的消息 ，能⽣成同样的摘要) 。
经典的散列算法包括MD5、SHA、 国密SM3。下⾯我们逐⼀ 来看。
我们先来看第1种 ，MD5 (消息摘要算法 ，Message-Digest Algorithm 5) 。
MD5可以⽤来⽣成⼀ 个128位的消息摘要 ，它是⽬前应⽤⽐较普遍的散列算法 ，具体的应⽤场景你可以⾃⾏
参阅。虽然 ，因为算法的缺陷 ，它的唯⼀ 性已经被破解了 ，但是⼤部分场景下 ，这并不会构成安全问题。但
第2种是SHA (安全散列算法 ，Secure Hash Algorithm) 。
SHA是美国开发的政府标准散列算法 ， 分为SHA-1和SHA-2两个版本 ， SHA-2细分的版本我们就不介绍了。
和MD5相同 ， 虽然SHA的唯⼀ 性也被破解了 ，但是这也不会构成⼤的安全问题。 ⽬前 ， SHA-256普遍被认为
是相对安全的散列算法 ， 也是我最推荐你使⽤的散列算法。
第3种是国密SM3 (SM3 Cryptographic Algorithm) 。
国密算法SM3是⼀种散列算法。其属于国家标准 ，算法公开 ，加密强度和国际标准的SHA-256相当。和国密
SM2⼀ 样 ，它的优势也在于国家的⽀持和认可。
上述算法的相关对⽐情况 ，我也总结了⼀ 下 ，如下表所⽰：
另外 ，我们在使⽤散列算法的时候 ，有⼀ 点需要注意⼀ 下 ，⼀ 定要注意加“盐”。 所谓“盐” ，就是⼀ 串随机的字符 ， 是可以公开的。 将⽤⼾的密码 “盐”进⾏拼接后 ， 再进⾏散列计算 ， 这样 ， 即使两个⽤⼾设置了相同的密码 ， 也会拥有不同的散列值。 同时 ， ⿊客往往会提前计算⼀ 个彩虹表来提升暴⼒破解散列值的效率 ， ⽽我们能够通过加 “盐”进⾏对抗。 “盐”值越⻓ ， 安全性就越⾼。
总结
好了 ，我们来总结⼀ 下这⼀ 节 ，你需要掌握的重点内容。
在这节课中 ，我对各种加密算法和应⽤场景进⾏了全⾯的介绍。 密码学是⼀ ⻔深奥的学科 ，⽽作为密码学的使⽤者 ，你只需要正确地理解各类算法的特性和功能 ， 就可以满⾜⽇常的应⽤需求了。
总的来说 ，在使⽤的时候 ，你要记住下⾯这些内容： 对称加密具备较⾼的安全性和性能 ，要优先考虑。 在⼀对多的场景中 (如多⼈登录服务器) ，存在密钥分发难题的时候 ，我们要使⽤⾮对称加密； 不需要可逆计算 的时候 (如存储密码) ，我们就使⽤散列算法。在具体算法的选取上 ，你只需要记住： 对称加密⽤AES-CTR、 ⾮对称加密⽤ECC、 散列算法⽤SHA256加盐。 这些算法就能够满⾜⼤部分的使⽤场景了 ， 并且在未来很⻓⼀ 段时间内 ，都可以保持⼀ 个较⾼的安全强度。
