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解决HTTP安全的方法就是采用HTTPS，而HTTPS本质上就是对密码学算法的组合，因此我们必须掌握最基本的密码学基础知识。

还记得上篇文章说密码学的几个目标吗？（请记住这三个目标，将是贯串后续几篇文章的主题）

• （1）机密性

• （2）完整性

• （3）身份验证和不可抵赖性

第一个目标是机密性，这是基本目标，本篇文章首先学习经典的密码学算法：对称加密算法和公开密钥算法。

一、对称加密算法-简介

什么是数据加密？

将一段数据处理成无规则的数据，除非有关键的密钥，否则谁也无法得知无规则数据的真实含义。

对称加密算法用一个密钥来加密信息，同样地，也是用这一个密钥来解密。注意，全程只有一个密钥。

因此，不难理解，对称加密中“对称”的意思就是指加密和解密使用的是同一个密钥。

加密和解密操作是一个互逆的过程，算法的背后是复杂的数学知识，不在本系列研究和谈论范围。

对称加密算法有很多种实现，其中AES算法比较出名，该算法是对称加密算法的标准算法。

在对称加密算法中，密钥长度是非常关键的一个概念，密钥长度决定了算法的安全性，比如AES的密钥长度有128、192、256比特长度可选。

这个密钥长度是有讲究的，代码中一般是会指定使用的key是多少字节的，若约定使用16字节（128比特长度）长度的密钥，一旦密钥使用17个字节的密钥则会报错：

java.security.InvalidKeyException: Invalid AES key length: 17 bytes

二、对称加密算法-块密码算法原理

对称加密算法分为两大类型，分别是块密码算法和流密码算法，AES则是典型的块密码算法。

这里简单介绍下块密码算法的工作原理。

块密码算法在运算（加密或者解密）的时候，不是一次性完成的，每次对固定长度的数据块（ block ）进行处理，也就是说完成一次加密或者解密可能要经过多次运算。

数据块的长度就称为分组长度（ block size ），由于大部分明文的长度远远大于分组长度，所以要经过多次迭代运算才能得到最终的密文或明文，块密码算法有多种迭代模式( Block cipher modes of operation ) , 迭代模式也被称为分组模式。

迭代模式有ECB模式、CBC模式和CTR模式等，这里简单介绍下ECB模式，抛砖引玉，其他模式读者朋友们可自行了解，本文不详细介绍了。

ECB模式的加密过程：

• 将明文拆分成多个数据块，每个数据块的长度等于分组长度，如果最后一个数据块长度小于分组长度，需要进行填充保证最后一个数据块长度等于分组长度。

• 依次对每个数据块进行迭代得到每个数据块的密文分组，将所有密文分组组合在一起就得到最终的密文，密文长度等同于明文长度。

ECB模式的加密过程：

• 将密文拆分成多个数据块，每个数据块长度等于分组长度。

• 依次对每个数据块进行迭代得到每个数据块的明文分组，最后一个明文分组要去除填充值，最终将明文分组组合在一起就得到最终的明文。

对应到代码，比如JAVA AES工具类中，往往会看到这么一句定义：

private static final String DEFAULT_CIPHER_ALGORITHM = "AES/ECB/PKCS5Padding";//默认的加密算法

ECB就是迭代模式，但是PKCS5Padding又是什么呢？

三、对称加密算法-填充机制

基于明文需要切分为多个数据块（分组长度）处理，因此明文需要是分组长度的整数倍，如果不是倍数，必须有一种填充的机制，填充某些数据保证明文长度是分组长度的倍数。

举个例子，假设分组长度为64比特，明文最后的一个分组长度为24比特，此时需要填充，可选择比如补充40比特的0字符。

解密后，可去掉末尾的0字符即可，可这样的方式有个问题：不知道有多少个0字符是作为填充的，万一原始分组的最后也存在0字符呢？

我们可以使用PKCS#7填充标准，它也很简单：假设分组长度为8字节，最后一个明文分组长度为1字节，则需要填充7字节的0x07：

待加密数据原长度为1字节：
0x41
填充后：
0x410x070x070x070x070x070x070x07

假设最后一个明文分组长度为3字节，则需要填充5字节的0x05：

待加密数据原长度为3字节：
0x410x410x41
填充后：
0x410x410x410x050x050x050x050x05

解密时，读取最后一个字节的值，比如读到的是5，则说明明文最后一个分组加密前填充了5个字节，则去掉最后5个字节的数据得到原文。

所以，这样就很容易得到：填充值的最后一个字节代表的就是实际填充的长度。

这里我们主要关注PKCS#5和PKCS#7两种，他们处理填充机制的方式其实是一样的，只是PKCS#5处理的分组长度只能是8字节，而PKCS#7的分组长度可以是1到255任意字节，从这个角度看，可以认为PKCS#5是PKCS#7标准的子集。

那么问题来了，如果明文的最后一个分组长度恰好就是分组长度呢？

按照这个机制，如果明文的最后一个分组长度恰好就是分组长度（这里假设分组长度还是8字节），则需要再填8个字节，其内容都为0x08，这样无论是不是分组的整数倍，都统一填充，解密时可以统一处理，不会产生歧义。

四、公开密钥算法

继续介绍加密学中另一个重要的算法：公开密钥算法，也称为非对称加密算法。

公开密钥算法不是一个算法，而是一组算法，如果公开密钥算法用于加密解密运算，习惯上称为非对称加密算法。

非对称是相对于对称而言的，他两一对比就知道啦：

• 对称加密方法中，我们只用一个密钥来进行加密和解密。这也是“对称”一词的由来。

• 非对称加密方法中，我们用一个密钥来进行加密，用另一个密钥来解密。因为两个密钥不一样，所以是“非对称”。

在非对称加密中有两个密钥：

• 一个是"公钥"（Public Key），用于加密。

• 一个是"私钥"（Private Key），用于解密。

顾名思义，公钥可以在网络上以明文传输，可以被任何人获取，但是私钥则需要妥善保存，一旦泄露则需要立即更换，否则将产生严重的安全问题。

非对称加密最出名的就是 RSA 算法。

1977 年，三位数学家 Rivest、Shamir 和 Adleman 设计了一种算法，可以实现非对称加密。这种算法用他们三个人的名字的首字母命名，叫做 RSA 算法。

五、既生瑜何生亮

既然有了对称加密算法，为什么还出现了公开密钥算法呢？

我们必须了解其不同。

首先从功能定位上，对称加密算法虽然有很多的算法和加密机制，但主要用于加密和解密，而非对称加密算法的功能比较多，可以进行加密解密、密钥协商、数字签名等，这个我们后面会着重学习。

所以，公开密钥算法的诞生，并不是纯粹为了做数据加密，它有更多的神圣职责，因此针对加密这个职责，公开密钥算法并不专业。为什么这么说呢？

相对于对称加密算法，公开密钥算法尤其是RSA算法运算非常缓慢，一般情况下，需要加密的明文数据都非常大，如果使用公开密钥算法进行加密，运算性能会惨不忍睹。

非对称加密比对称加密要慢大概 100 ~ 1000 倍。

公开密钥算法在密码学中一般进行密钥协商或数字签名，因为这两者运算的数据都相对比较小。

公开密钥算法得到最广泛使用的是RSA算法，RSA算法是一个多用途的算法，可以进行加密解密、密钥协商、数字签名等，都是十分重要的概念，本篇文章核心关注其加密解密运算。

六、RSA加密算法的应用场景

在大部分场景下，比如HTTP应用中，传递的内容都很大，RSA加密算法很慢，但是它确实具有加密和解密特性，我们来介绍下RSA算法加密特性的应用场景。

（1）单步加密

公钥是公开的，很多客户端知道，而私钥必须由服务器端保密，所以一般客户端用公钥加密的方式传递一些关键数据，比如客户端可以对自己的信用卡号加密，然后传递给服务器端，服务器端解密后无须回应，这就是单步加密的模式。

下面举个例子，客户端要向服务器端发送自己的身份证号，可能的步骤如下：

• 客户端向服务器端发送连接请求，服务器返回RSA密钥对的公钥给客户端，自己保留密钥对的私钥。

• 客户端接收到服务器的公钥，使用公钥对身份证号进行RSA加密，并发送给服务器。

• 服务器端用 RSA 私钥解密接收到的数据，获取的值就是用户的身份证号。

由于只有服务器端才有私钥，所以攻击者即使获取到加密数据也不能进行反解。

（2）双向加密

在单步加密过程中，服务器端无法发送密文，如果服务器端用私钥加密数据，然后发送给客户端，由于公钥是公开的，任何人都能解密，所以这个过程是不成立的。

举个例子来解释什么是双向加密 完成的功能是用户要查询账户（身份证）下还有多少余额？

• 客户端生成 RSA 密钥对，然后连接服务器端，将自己的公钥(clientPublicKey）发给服务器端。

• 服务器端接收请求后，保存客户端的公钥，然后生成另外RSA密钥对，并将公钥（serverPublicKey）发送给客户端。

• 客户端使用服务器的公钥（serverPublicKey）加密身份证，加密的数据发送给服务器端，期待服务器端返回自己的账户余额。

• 服务器端接收到数据后，用自己的私钥（serverPrivateKey）解密客户端身份证号，然后查询出用户的余额，并用客户端的公钥（clientPublicKey）解密余额并发送给客户端。

• 客户端用自己的私钥 ClientPrivateKey）解密接收到的数据，这数据就是自己账户下的余额。

设计是不是很巧妙？可以看出来，如果不考虑性能问题，RSA确实可以完成数据加密解密的任务，但是现实中，往往数据量都比较大，RSA是不能作为大量数据加解密的算法方案的，比较现实的方案往往是考虑使用对称加密算法。

本文完，下篇见。