什么是密码学？

密码学是一种通过使用编码算法、哈希和签名来保护信息的实践。此信息可以处于静态（例如硬盘驱动器上的文件）、传输中（例如两方或多方之间交换的电子通信）或使用中（在对数据进行计算时）。密码学有四个主要目标：

密码学使用许多低级密码算法来实现这些信息安全目标中的一个或多个。这些工具包括加密算法、数字签名算法、哈希算法和其他功能。下面将介绍一些最常用的低级加密算法。

密码学起源于在军事和政治人物之间发送敏感信息。可以对消息进行加密，使它们对除预期收件人之外的任何人来说都看起来像是随机文本。

今天，原始的加密技术已被彻底破解。它们被破解到只出现在一些报纸的益智题版块中。幸运的是，该领域在安全性方面取得了重大进展，今天使用的算法依赖严格的分析和数学来保证其安全性。

随着安全性的进步，密码学领域已经扩展到包括更广泛的安全目标。这包括消息身份验证、数据完整性、安全计算等。

密码学是现代社会的基础。它是通过安全超文本传输协议（HTTPS）、安全文本和语音通信，甚至数字货币实现的无数互联网应用程序的基础。

加密算法是将纯文本消息转换为加密文字的过程。现代算法使用高级数学以及一个或多个加密密钥。这些内容使加密消息变得相对容易，但在不知道密钥的情况下几乎不可能解密。

根据密钥的功能，加密技术分为对称和非对称两类。

对称密钥加密算法使用相同的加密密钥来加密明文和解密密文。对称加密要求所有预期的消息接收者都可以访问共享密钥。

下图显示了加密和解密如何使用对称密钥和算法，假设各方共享相同的密钥。

在第一个图示中，对称密钥和算法用于将明文消息转换为密文。第二个图示显示了用于将密文转回明文的相同密钥和对称算法。

最流行的分组密码之一是高级加密标准（AES）。此分组密码支持 128、192 或 256 位密钥。AES 通常与伽罗瓦计数器模式（GCM）结合使用，称为 AES-GCM，以生成经过身份验证的加密算法。

AES 是在全球范围内执行加密的行业标准。它的安全性是众所周知的，高效的软件和硬件实施也很普遍。

非对称（或公钥）密码学由一组广泛的算法组成。这些都是基于在一个方向上相对容易执行但不容易逆转的数学问题。

此类问题的一个著名示例是因式分解问题：对于精心选择的素数 p 和 q，我们可以快速计算乘积 N=p*q。但是，仅给定 N，很难恢复 p 和 q。

基于因式分解问题的常见公钥密码算法是 Rivest-Shamir-Adleman (RSA) 函数。当与适当的填充方案结合使用时，RSA 可用于多种用途，包括非对称加密。

如果加密方案使用一个密钥（公钥）加密数据，并使用不同但在数学上相关的密钥（私钥）来解密数据，则称为非对称加密方案。

必须无法在只知道公钥的情况下通过计算确定私钥。因此，公钥可以广泛分发，而私钥需要保密和安全。这些密钥一起称为密钥对。

一种热门的非对称加密方案是 RSA-OAEP，它是 RSA 功能与最优非对称加密填充（OAEP）填充方案的组合。RSA-OAEP 通常仅用于加密少量数据，因为它速度慢并且具有比明文大得多的密文。

像 RSA-OAEP 这样的公钥算法效率低于对称算法，因此不常用于直接加密数据。然而，它们通过提供一种密钥交换方式，在加密生态系统中发挥了重要作用。

为了使用对称加密，各方必须共享一个密钥。虽然这个密钥可以通过现有的加密通道发送，但如果我们已经有一个安全通道，我们就不需要新密钥了。相反，我们使用公钥密码学解决了密钥交换问题。

以下是交换对称密钥的两种常用方法。

非对称加密。一方生成对称密钥，然后使用 RSA-OAEP 等算法将密钥加密为另一方的公钥。接收者可以使用他们的私钥解密密文以恢复对称密钥。
Diffie-Hellman 密钥交换 –（DH）。Diffie-Hellman 是一种不同类型的公钥加密算法，专门设计用于帮助各方在没有安全通道的情况下就对称密钥达成一致。Diffie-Hellman 基于与 RSA 函数不同的数学问题，并且不如 RSA 灵活。但是，它确实具有更有效的结构，这使其在某些使用场景中更受欢迎。

这种用于密钥交换的公钥加密和用于批量数据加密的对称加密的组合称为混合加密。

混合加密使用公钥密码学的独特属性，可以在不受信任的通道上交换秘密信息，并且效率与对称加密相当。这为数据隐私实现了实用的端到端解决方案。

混合加密广泛用于 Web 的数据传输协议，例如传输层安全性协议（TLS）。当您连接到使用 HTTPS（使用 TLS 的 HTTP 安全）的网站时，您的浏览器将协商保护您的连接的加密算法。其中包括用于密钥交换、对称加密和数字签名的算法。