漫画:什么是加密算法?

来自:程序员小灰(微信号:chengxuyuanxiaohui),作者:小灰






加密算法的历史


加密算法最早诞生在什么时候?是在计算机出现之后吗?不不不,早在古罗马时期,加密算法就被应用于战争当中。



在大规模的战争中,部队之间常常需要信使往来,传递重要的军事情报。



可是,一旦信使被敌军抓获,重要的军事情报就完全暴露给了敌方。



甚至,狡猾的敌人有可能篡改军事情报,并收买信使把假情报传递给我方部队。



这样一来,我方部队就完全落入到了敌方的陷阱之中。这种拦截并篡改信息的手法,在网络安全领域被称为中间人攻击


怎样防止这种情况的发生呢?不让信使被敌人抓获?这个肯定是无法绝对避免的。


那么我们不妨换个角度,让敌人即使截获了军事情报,也看不懂里面的内容,这就是对信息的加密



如何进行加密呢?古人想出了一种非常朴素的加密方法,被称为凯撒密码。加密的原理就像下图这样:




如图所示,图中第一行的字母代表信息的“明文”,第二行字母代表信息的密文。这个加密算法十分简单,就是选择一个偏移量(这里的偏移量是2),把明文当中的所有字母按照字母表的顺序向后偏移两位,从而生成密文。比如:


原文的字母A,对应的密文是字母C

原文的字母D,对应的密文是字母F

原文的单词Java,对应的密文是Lcxc


这样一来,敌方看到信使的情报内容,就彻底蒙逼了。相应的,我军事先约定好了密文通信的偏移量,当友军收到情报以后,把密文的所有字母向前偏移两位,就还原成了明文,这个过程叫做解密


但是,这种加密方法真的百分百保险吗?并不是。


在英语的26个字母中,出现频率最高的字母是e。如果敌人截获了情报,发现这段看不懂的密文当中出现频率最高的字母是g,由于e和g相差两个字母,就可以猜测出我军的密文通信很可能选择2作为偏移量。这样一来,我军的密码就被破解了。


最不济,敌人可以把每一种偏移量都尝试一遍(26个字母,最多25种偏移),终究可以试出符合正常语法的偏移量。这种方式被称为暴力破解





加密算法的种类


在如今的信息安全领域,有各种各样的加密算法凝聚了计算机科学家门的智慧。从宏观上来看,这些加密算法可以归结为三大类:哈希算法、对称加密算法、非对称加密算法。


1.哈希算法

从严格意义上来说,哈希算法并不属于加密算法,但它在信息安全领域起到了很重要的作用。


哈希算法能做什么用呢?其中一个重要的作用就是生成信息摘要,用以验证原信息的完整性和来源的可靠性。


让我们来举个栗子:


在某个互联网应用上,有用户下单买了东西,于是应用需要通知支付宝,并告诉支付宝商户ID、支付金额等等信息。



支付宝怎么知道这个请求是真的来自该应用,并且没有被篡改呢?


请求的发送方把所有参数,外加双方约定的Key(例子中Key=abc)拼接起来,并利用哈希算法生成了一段信息摘要:


Hash(1234_100_abc) = 948569CD3466451F


而请求的接收方在接到参数和摘要之后,按照同样的规则,也把参数和Key拼接起来并生成摘要:


Hash(1234_100_abc) = 948569CD3466451F


如果最终发现两端信息摘要一致,证明信息没有被篡改,并且来源确实是该互联网应用。(只要参数修改了一点点,或者Key不一样,那么生成的信息摘要就会完全不同)


生成信息摘要的过程叫做签名,验证信息摘要的过程叫做验签


哈希算法包含哪些具体的算法呢?其中最著名的当属MD5算法。后来,人们觉得MD5算法生成的信息摘要太短(128位),不够安全,于是又有了SHA系列算法



2.对称加密算法


哈希算法可以解决验签的问题,却无法解决明文加密的问题。这时候,就需要真正的加密算法出场了。


什么是对称加密呢?这个概念很好理解:



如图所示,一段明文通过密钥进行加密,可以生成一段密文;这段密文通过同样的密钥进行解密,可以还原成明文。这样一来,只要双方事先约定好了密钥,就可以使用密文进行往来通信。


除了通信过程中的加密以外,数据库存储的敏感信息也可以通过这种方式进行加密。这样即使数据泄露到了外界,泄露出去的也都是密文。


对称加密包含哪些具体的算法呢?在早期,人们使用DES算法进行加密解密;后来,人们觉得DES不够安全,发明了3DES算法;而如今,最为流行的对称加密算法是AES算法


不知道读者中有多少人曾经接触过欧盟的GDPR法案,为了遵从该法案,有的企业就曾经将数据库中的敏感信息使用3DES进行加密


总而言之,对称算法的好处是加密解密的效率比较高。相应的,对称算法的缺点是不够安全。为什么呢?通信双方约定的密钥是相同的,只要密钥本身被任何一方泄露出去,通信的密文就会被破解;此外,在双方建立通信之初,服务端把密钥告诉给客户端的时候,也有被拦截到的危险。


为了解决这一痛点,非对称加密就登场了。



3.非对称加密算法


什么又是非对称加密呢?在刚刚接触到的时候,或许你会觉得这种算法有些古怪:



如图所示,在非对称加密中存在一对密钥,其中一个叫做公钥,另一个叫做私钥。在加密解密的过程中,我们既可以使用公钥加密明文,使用私钥解密密文;也可以使用私钥加密明文,使用公钥解密密文。


这样设计有什么好处呢?看看通信的过程就知道了:


1.在双方建立通信的时候,服务端只要把公钥告诉给客户端,自己保留私钥。

2.客户端利用获得的公钥。加密另外一个密钥X(可以是对称加密的密钥),发送给服务端。

3.服务端获得消息后,用自己的私钥解密,得到里面隐含的密钥X。

4.从此以后,双方可以利用密钥X进行对称加密的通信了。



在这个过程中,即使公钥被第三方截获,甚至后续的所有通信都被截获,第三方也无法进行破解。因为第二步利用公钥加密的消息,只有私钥才能解开,所以第三方永远无法知道密钥X是什么。


非对称加密算法的代表有哪些呢?最著名的当属RSA算法


既然非对称加密这么强大,是不是没有缺点呢?也不是。非对称加密最大的问题,就是性能较差,无法应用于长期的通信。




关于加密算法,小灰之前曾经写过一部分相关漫画,没看过的小伙伴可以看看哦:


漫画:什么是MD5算法?

漫画:如何破解MD5算法?

什么是AES算法?(整合版)



来自:程序员小灰(微信号:chengxuyuanxiaohui),作者:小灰

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