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楔子

现在网络的安全性已经变得越来越重要，各位程序员在开发过程中或多或少都会遇到公钥、私钥、加密、签名等一些相关名词。这些概念比较杂乱，容易混淆，下面就来梳理一下这部分的内容。

对称加密

在重要的信息的传递过程中，人们总是希望信息不会被偷看、不会被篡改，伪造等。为了达到这个要求人们一直在不断努力着。

电报加密使用的密码本，就是初代网络安全所使用的加密方式，用法为：发信时将内容翻译为密文发出，收到电报的一方，使用相同的密码本才能解密出正确的信息，否则看到的就是一堆乱码。

这种传统的加密方式就叫做对称加密。

而对称加密所使用的算法包括：DES、3DES、AES、DESX、Blowfish、RC4、RC5、RC6，这些算法就可以看成密钥、或者理解为上面的密码本。这些算法也可以称为: "对称加密算法"或者"传统加密算法"，一方使用算法进行加密，然后另一方使用相同的算法进行解密。

我们以《福尔摩斯探案集之跳舞的小人》一案中出现的小人为例

我们看到每一个小人都代表一个英文字符，至于小人手中的旗子则是用来分隔单词的、也就是表示一个单词的边界。传递信息的时候，将信息用小人来代替，然后另一方看到小人的时候，再将出现的小人解析成信息。顺便一提，剧中的女主是黑帮首领的女儿，犯人就是使用这些小人来向女主传递信息，威胁她回去。

这些小人和英文字符之间的对应关系就相当于密钥，此时就相当于一个对称加密。因为无论是发信人还是收信人，使用的是相同的密钥、即：小人代表的含义都是一样的。

但是对称算法的安全性非常依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都可以对他们发送或接收的消息解密，所以密钥的保密性对通信安全至关重要。所以福尔摩斯在解析出这些小人代表的含义之后，用这些小人发送信息将犯人引诱了出来。因此对于这种对称加密来说，密钥的安全是极其重要的。

那么对称加密有哪些优缺点呢？

优点：计算量小、加密速度快、加密效率高

缺点：1.密钥需要传递，难以确保密钥安全性。2.缺乏签名功能，即不能核对发信人身份

非对称加密

在对称加密中，密钥（也就是使用的加密算法，如上文中发电报时的密码本、小人和英文字符的对应关系）的保密性至关重要。战争时期，电报密码本需要通过人工渠道传递，这样发报双方才能放心的使用。

但如今的网络通信中，显然不可能再使用人工渠道传递密钥，只有通过网络来传递才高效快捷。这样就有了一个矛盾：密钥是用来保证网络传输安全的，这个对于网络安全至关重要的密钥又需要网络来传递给对方。

• 公钥和私钥是一个算法中两个不同、但内在又相关联的参数集合，同时生成，但可以独立使用。
• 公钥加密的数据只有对应的私钥才可以解密（公钥加密后公钥也不能解密）
• 私钥加密的数据也只有对应的公钥才可以解密。

常见的非对称加密算法：RSA、DSA、ECC、Diffie-Hellman、El Gamal 等。

RSA 算法概述

对称加密的模式我们很好理解，但非对称加密算法的上述特点让我们感觉很神奇，下面让我们先来简单看看，上述这些特点在数学上是怎样实现的吧。在非对称加密算法中 RSA 是使用最广泛的一种，下面我们介绍一下 RSA。

RSA 名字的由来

RSA 算法是 1977 年由共同在麻省理工学院工作工作的 罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。RSA 就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

RSA 加密利用了"单向函数"正向求解很简单，反向求解很复杂的特性。思想如下：

• 对两个质数相乘容易，而将其合数分解很难的这个特点进行的加密算法。n=p1*p2，已知 p1、p2 求 n 简单，已知 n 求 p1、p2 困难。

• (m^e)%n=c，已知 m、e、n 求 c 简单，已知 e、n、c 求 m 很难。

RSA 算法的安全性基于 RSA 问题的困难性，也就是基于大整数因子分解的困难性上。这种算法非常可靠，密钥越长，它就越难破解。根据已经披露的文献，目前被破解的最长 RSA 密钥是 768 个二进制位。也就是说，长度超过 768 位的密钥，还无法破解（至少没人公开宣布）。因此可以认为，1024 位的 RSA 密钥基本安全，2048 位的密钥极其安全

非对称加密的算法比对称加密要复杂且耗时，位数越多越耗时。因此在实际使用中，一般是先用非对称加密过程传递对称加密的密钥，之后再使用对称加密来保证后续的通信，这样安全性与速度就可以达到了一个平衡，HTTPS 所使用的就是这种方式，后文会详细介绍。

使用非对称加密进行通信

有了非对称加密的公私钥对，这样通信中仅需传递公钥，甚至公钥可以开放给所有人。需要发消息给我的人使用我的公钥加密后发给我，只有我可以使用私钥解密，其他人不可能获知信息的内容。

这只是单方向的加密，双向加密怎么办呢？对方也创建一个公私钥对就可以了。

• A 根据非对称加密算法生成自己的公私钥对（PUBLIC_A，PRIVATE_A）；
• B 也根据非对称加密算法生成自己的公私钥对（PUBLIC_B，PRIVATE_B）；
• A 和 B 可以公开的交换自己的公钥（私钥不需要发送，各自保存好即可）；
• A 使用 B 的公钥 PUBLIC_B 加密信息，发送给 B；
• B 接收到消息后，使用自己保存的私钥 PRIVATE_B 解密就可以看到消息内容（这条消息即使被他人获得后也是不能解密的）；
• 同样，B 要发消息给 A 时，使用 A 的公钥 PUBLIC_A 加密发出；
• A 收到消息后使用自己的私钥 PRIVATE_A 解密，这样就实现了双方加密的通信。

上面我们看到，有了公私钥对，似乎解决了加密通信的难题。但是实际使用中又出问题了，那就是 A 收到消息后如何确认发信人是 B 而不是第三方呢？其实也很简单，只要发消息前多进行一次使用自己的私钥加密的过程就可以了，这次使用自己私钥加密信息的步骤就叫做签名。

私钥只有自己持有，公钥和私钥存在一一对应关系，即使用公钥只能解密出对应私钥加密的信息，因此就可以用私钥的加密过程当做验证身份的手段了。其实公钥、私钥加密数据的方法与原理都相同，只是按照用途分别命名了而已。

公钥一般用来加密，私钥用来签名。

还使用上边的例子来看一下，使用了加密和签名之后的通信过程：

• A 先使用自己的私钥 PRIVATE_A 对消息进行一遍加密（习惯性称作签名），再使用 B 的公钥 PUBLIC_B 加密信息，然后将加密结果发送给 B。

• B 接收到消息后，使用自己保存的私钥 PRIVATE_B 解密，然后使用 A 的公钥 PUBLIC_A 再解密一遍，如果能解密成功，就可以确保这条消息不是伪造的。

• 同样，B 要发消息给 A 时先使用自己的私钥 PRIVATE_B 对消息进行一遍加密（习惯性称作签名），再使用 A 的公钥 PUBLIC_A 加密后发出。

• A 收到消息后使用自己的私钥 PRIVATE_A 解密，然后使用 B 的公钥 PUBLIC_B 再解密一遍，这样就实现了双方互相确认身份的加密通信。