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对称加密与非对称加密

在今天的数字化世界中，保护信息安全已经成为一个至关重要的任务。因此，了解和使用有效的加密技术是必不可少的。本文将介绍两种主要的加密类型：对称加密和非对称加密。

对称加密

1.1 定义

对称加密是一种早期的加密技术，其特点是在加密和解密过程中使用同一密钥（密码）。这就意味着，任何知道这个密钥的人都能解密被加密的信息。对称加密因其高效性和易于实施而受到广泛的欢迎。

1.2 工作原理

当发送者需要发送加密消息时，他们首先会使用一个密钥（也可以称之为密码）来转换或"加密"原始信息。接收者在收到加密消息后，需要用同一个密钥来"解密"这些信息，以获取原始的明文内容。

1.3 场景分析

假设Alice想要向Bob发送一个加密的消息，但是他们只能通过不安全的通信渠道交流。他们可以选择对称加密方法，步骤如下：

1. 密钥生成：首先，Alice需要生成一个秘密密钥。这个密钥可以是随机生成的一串字节，其长度取决于所选的加密算法。例如，如果他们使用AES-128，那么密钥就应该是128位（或16字节）。

2. 加密消息：然后，Alice使用这个密钥和加密算法（如AES）对她想要发送的消息进行加密。

3. 密钥共享：为了让Bob能够解密这个消息，Alice需要找到一种安全的方式把密钥传给他。这可能需要另外的安全通信渠道（比如直接口头告知，小声点不要被人听到，因为我们要发送的是私㊙消息，防止被人窃取），或者他们之前就已经共享过密钥。

4. 解密消息：Bob收到加密的消息和密钥后，就可以使用相同的加密算法和密钥对消息进行解密，从而获得原始的明文消息。

1.4 算法示例（以AES为例）

常见的对称加密算法有AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）、3DES、Blowfish等。其中，AES是目前最常用的对称加密算法。

# Import the AES module from Crypto.Cipher. This will be used to create the cipher objects for encryption and decryption.
# pip install pycryptodome
from Crypto.Cipher import AES# Import base64 module for encoding the encrypted text into ASCII so that it can be printed and stored easily.
import base64# The key used for encryption and decryption. It should be 16 bytes (128 bits), 24 bytes (192 bits) or 32 bytes (256 bits) long.
# Here we're using a 16-byte key, which means our AES cipher is operating in 128-bit mode.
key = b'abcdefghabcdefgh'
print("Encryption Key: ", key)# The data that we want to encrypt. In a real use case, this could be sensitive information like a password or a secret message.
data = "Hello, World!"
print("Original Data: ", data)# AES encryption requires the input to be a multiple of 16 bytes in length. If our data is not long enough, we need to pad it.
# Here we're padding the data with spaces on the right until it's 32 bytes long.
# We also need to convert our data into bytes, since AES works on bytes, not strings.
data_bytes = data.ljust(32).encode()
print("Padded and Encoded Data: ", data_bytes)# Create a new AES cipher object with our key, using ECB (Electronic Codebook) mode.
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)# Encrypt the data using our cipher, then encode the encrypted data into base64 so it can be printed and stored easily.
encrypted_text = base64.b64encode(cipher.encrypt(data_bytes))
print("Encrypted Text: ", encrypted_text)# Now let's decrypt the data. We'll create another AES cipher with the same key.
cipher2 = AES.new(key, AES.MODE_ECB)# Decrypt the data using our second cipher. First we need to decode the base64 back into bytes.
# After decryption, we strip any trailing spaces that were added during the padding process.
decrypted_text = cipher2.decrypt(base64.b64decode(encrypted_text)).strip()# Finally, print the decrypted text. We need to decode it from bytes back into a string.
print("Decrypted Text: ", decrypted_text.decode())

# 导入Crypto.Cipher模块下的AES。这将被用来创建加密和解密的密码对象。
from Crypto.Cipher import AES# 导入base64模块以将加密的文本编码为ASCII，以便可以轻松地打印和存储。
import base64# 用于加密和解密的密钥。它应该是16字节（128位）、24字节（192位）或32字节（256位）长。
# 这里我们使用了一个16字节的密钥，这意味着我们的AES密码器工作在128位模式下。
key = b'abcdefghabcdefgh'
print("加密密钥: ", key)# 我们想要加密的数据。在真实的使用场景中，这可能是敏感信息，如密码或秘密消息。
data = "Hello, World!"
print("原始数据: ", data)# AES加密要求输入的长度是16字节的倍数。如果我们的数据不够长，我们需要对其进行填充。
# 这里我们通过右边添加空格来填充数据，直到它达到32字节的长度。
# 我们还需要将数据转换为字节，因为AES处理的是字节，而不是字符串。
data_bytes = data.ljust(32).encode()
print("填充和编码后的数据: ", data_bytes)# 使用我们的密钥创建一个新的AES密码对象，使用ECB（电子密码本）模式。
cipher = AES.new(key, AES.MODE_ECB)# 使用我们的密码对数据进行加密，然后将加密的数据编码为base64，以便可以轻松地打印和存储。
encrypted_text = base64.b64encode(cipher.encrypt(data_bytes))
print("加密文本: ", encrypted_text)# 现在让我们解密数据。我们将使用相同的密钥创建另一个AES密码器。
cipher2 = AES.new(key, AES.MODE_ECB)# 使用我们的第二个密码对数据进行解密。首先我们需要将base64解码回字节。
# 解密后，我们去掉在填充过程中添加的任何尾随空格。
decrypted_text = cipher2.decrypt(base64.b64decode(encrypted_text)).strip()# 最后，打印解密的文本。我们需要将其从字节解码回字符串。
print("解密文本: ", decrypted_text.decode())

运行结果：
（可以看到，每次结果都一样，不带随机的）

1.5 对称加密的优点与缺点

优点

• 效率高：对称加密算法比非对称加密算法快得多。
• 简单易用：对称加密很容易实施，只需要管理一个密钥。

缺点

• 密钥分发问题：对称加密的最大问题是如何安全地将密钥传输给接收者。如果密钥在传输过程中被截获，那么加密的信息就可能被解密和滥用。

非对称加密

2.1 定义

非对称加密，也被称为公钥加密，它使用一对密钥进行加密和解密操作。这两个密钥通常被称为公钥和私钥。其中，公钥可以公开给任何人，而私钥必须保持秘密。

2.2 工作原理

发送者使用接收者的公钥对消息进行加密，只有使用匹配的私钥才能解密这些消息。因此，即使攻击者截获了加密消息，他们也无法解密它，除非他们有接收者的私钥。

注意：每次生成的RSA密钥对都会不一样

每次生成的RSA密钥对都会不一样。这是因为在生成密钥对的过程中，涉及到了随机数的产生。

具体来说，RSA密钥对的生成包括以下步骤：

1. 随机选择两个大素数p和q。
2. 计算n = p * q和φ(n) = (p - 1) * (q - 1)。
3. 选择一个整数e，使得1 < e < φ(n)，且e和φ(n)互质。
4. 计算d，使得d * e ≡ 1 (mod φ(n))。

其中，公钥就是(e, n)，私钥就是(d, n)。

因为步骤1中的素数p和q是随机选择的，所以每次生成的密钥对都会不同。这也是为什么RSA加密算法能够提供高安全性的原因之一：即使攻击者知道了你的公钥和加密算法，他们也无法预测你下一次生成的密钥对会是什么。

2.3 场景分析

非对称加密的过程比对称加密稍微复杂一些。假设Alice想要安全地向Bob发送一个消息，他们选择非对称加密方法，步骤如下：

1. 密钥对生成：首先，Bob需要生成一对公钥和私钥。私钥必须保密，而公钥可以公开。

2. 公钥共享：然后，Bob把他的公钥发送给Alice。因为即使公钥被别人获取，没有对应的私钥，他们也无法解密经过公钥加密的信息，所以这个步骤不需要额外的安全通信渠道。

3. 加密消息：Alice收到Bob的公钥后，就可以用它来加密她想要发送的消息。

4. 解密消息：Alice将加密的消息发送给Bob，只有Bob可以使用他的私钥对消息进行解密。

2.4 算法示例（以RSA为例）

RSA和ElGamal是最常见的非对称加密算法。以下是一个使用RSA进行加密和解密的Python示例：

from Crypto.PublicKey import RSA
from Crypto.Cipher import PKCS1_OAEP
import base64# 创建密钥对
# RSA.generate函数用于生成新的RSA密钥对。2048是密钥长度，单位是比特。
key = RSA.generate(2048)
print("Raw Key: ", key)# 使用export_key方法将原始密钥转换为可以存储或传输的格式
private_key = key.export_key()
print("Private Key: ", private_key)public_key = key.publickey().export_key()
print("Public Key: ", public_key)# 将消息用公钥加密
# RSA.import_key方法用于从字符串形式的密钥恢复为原始的密钥格式
recipient_key = RSA.import_key(public_key)# PKCS1_OAEP是一种填充方案，用于将明文扩展到合适的长度以便进行RSA加密
cipher_rsa = PKCS1_OAEP.new(recipient_key)# 加密后的数据通常包含不可打印的字符，所以我们用base64编码将其转换为可打印的字符串形式
encrypted_data = base64.b64encode(cipher_rsa.encrypt(b"Hello, World!"))
print("Encrypted Text: ", encrypted_data)# 使用私钥解密消息
private_key = RSA.import_key(private_key)
cipher_rsa = PKCS1_OAEP.new(private_key)# 解密时，首先要将数据从base64编码的字符串形式恢复为原始的字节串形式
decrypted_data = cipher_rsa.decrypt(base64.b64decode(encrypted_data))# 最后，我们将解密得到的字节串转换为字符串形式以便阅读和处理
print("Decrypted Text: ", decrypted_data.decode())

运行结果：

（每次结果都不一样的）

2.5 非对称加密的优点与缺点

优点

• 安全性高：由于公钥可以公开分发，因此不需要像对称加密那样安全地传输密钥。

缺点

• 效率低：相比对称加密，非对称加密的速度较慢。
• 复杂性高：非对称加密需要更复杂的管理和实施。

结论

对称加密和非对称加密都有各自的优点和缺点。在选择加密方法时，需要考虑到数据安全性、性能、可用性等因素。在许多情况下，这两种加密技术会结合使用，以充分利用各自的优点，例如SSL/TLS协议就是一个很好的例子。