现代加密技术入门

现代加密技术是保障信息安全的基石，主要包括三种核心技术：哈希函数、对称加密和非对称加密。

本文结合 openssl 命令，通过实际操作来介绍这三种技术的工作原理和使用场景，帮助你建立对现代加密技术的完整认识。

对称加密

对称加密比较容易理解，就是加密和解密使用同一个秘钥。

最古老的对称加密算法是凯撒密码（Caesar Cipher）：

我们用英文字母交流，但是每个字母都向后移动 3 位，这样就能一定程度上隐藏明文内容。

比如 hello 加密后变成了 khoor。在这个例子中，hello 是明文，khoor 是密文，秘钥是 3。

古老的凯撒密码很容易被破解，现代有很多更安全的对称加密算法，比如 AES、DES 等，它们更加复杂，但依然需要加密方和解密方共享秘钥。

我们可以用 openssl 命令快速体验一下 AES 加密：

# 创建一个测试文件
echo "This is a secret message" > secret.txt

# 使用 AES-256-CBC 算法加密，密码是 mypassword
openssl enc -aes-256-cbc -salt -in secret.txt -out secret.enc -k mypassword

# 解密文件
openssl enc -aes-256-cbc -d -in secret.enc -out decrypted.txt -k mypassword

# 查看解密后的内容
cat decrypted.txt

• enc -aes-256-cbc: 使用 AES-256-CBC 算法进行加密。
• -salt: 添加随机盐值，增加安全性。
• -k mypassword: 指定加密密码为 mypassword。
• -d: 执行解密操作。

加密和解密使用的是同一个密码 mypassword，这就是对称加密的特点。

对称加密的优势有：

• 速度快：对称加密算法的计算效率很高，适合加密大量数据。
• 实现简单：相比其他加密方式，对称加密的算法相对简单。

一些本地加密的场景，比如磁盘加密，文件加密等，常使用对称加密算法。

对称加密的缺点是：

• 密钥分发问题：这是对称加密最大的问题。加密方和解密方必须共享同一个秘钥，但在信道不安全的情况下，我们无法将密文和秘钥同时安全地传递给解密方。窃听者完全可以同时截获密文和秘钥，使得加密形同虚设。
• 密钥管理困难：如果有 $N$ 个人需要两两加密通信，就需要管理 $N \times (N-1)/2$ 个不同的秘钥，管理成本很高。

密钥分发问题催生了非对称加密技术，但在介绍非对称加密之前，我们先看另一个重要的密码学工具：哈希函数。

哈希与数据指纹

哈希函数虽然不是加密算法，但它是密码学中的重要工具，特别是在数字签名中起关键作用。

哈希函数（Hash Function）可以把任意长度的数据转换成一个固定长度的字符串，这个字符串就是数据的指纹（也叫哈希值）。

哈希函数有几个重要特性：

1. 单向性：从数据可以轻松计算出哈希值，但无法从哈希值反推出原始数据。
2. 固定长度：无论原始数据多大，哈希值长度都固定。比如 SHA256 算法生成的哈希值永远是 256 位（64 个十六进制字符）。
3. 雪崩效应：原始数据哪怕只改动一个字节，哈希值也会完全不同。
4. 唯一性：不同的数据几乎不可能产生相同的哈希值（虽然理论上存在 哈希冲突 的可能，但概率极低）。

我们用 openssl 来计算一个文件的 SHA256 哈希值：

# 创建一个测试文件
echo 'Hello World' > test.txt

# 计算 SHA256 哈希值
openssl dgst -sha256 test.txt

输出为：

SHA256(test.txt)= d2a84f4b8b650937ec8f73cd8be2c74add5a911ba64df27458ed8229da804a26

这个 64 位的十六进制字符串就是 test.txt 的 SHA256 指纹。如果你修改文件内容，哪怕只改一个字母：

echo 'Hello World!' > test.txt
openssl dgst -sha256 test.txt

你会发现哈希值完全变了：

SHA256(test.txt)= 03ba204e50d126e4674c005e04d82e84c21366780af1f43bd54a37816b6ab340

哈希函数在密码学和软件工程中有广泛应用：

• 数据完整性验证：下载软件时，网站会提供文件的 SHA256 哈希值，你下载后计算哈希值对比，就能确认文件是否被篡改。
• 数字签名：对一个大文件进行签名时，通常先计算哈希值，然后对哈希值签名，这样效率更高（后面会详细讲解）。
• 密码存储：一般后端数据库不会直接明文存储用户密码，而是存储密码的哈希值。一方面，可以通过比对哈希值来验证密码是否正确；另一方面，如果数据库不幸泄露，攻击者也无法直接获取原始密码。
• 版本控制：Git 使用 SHA-1 哈希值作为 commit ID，确保代码历史的完整性。
• 数据去重：通过比较文件的哈希值快速判断文件是否重复。

需要注意的是，哈希函数只能用来计算指纹，不能加密数据，也不能防止数据被篡改。

比如你把一个文件和它的哈希值一起发送给别人，攻击者可以同时篡改文件和哈希值，接收方无法发现问题。

要解决这个问题，需要结合非对称加密的数字签名功能。

非对称加密

非对称加密的思路就是，加密和解密使用不同的秘钥。

类比生活中的场景：

对称加密就像使用密码锁的保险箱，密码和锁是一体的，发送方给接收方寄出密码保险箱，也必然要寄出密码，在信道不安全的情况下就等于没有加密。

非对称加密的思路是，改用使用锁 + 钥匙的保险箱，加密（锁）和解密（钥匙）并不是一体的。接收方可以先自制一把锁和对应的钥匙，然后把锁寄给发送方，发送方用这把锁锁住保险箱，把保险箱寄回。

这样一来，由于钥匙本身始终在接收方手里，也就可以保证其他人无法打开保险箱窃取信息了。

非对称加密算法能生成一个秘钥对（Key Pair），包含一个公钥（Public Key）和一个私钥（Private Key）。

其中公钥可以发布到任何地方，而私钥则需要自己保留。这样互联网上的任何人都可以用公钥加密数据，但只有持有私钥的人才能解密数据。

除了加密场景外，非对称秘钥的另一个重要用途是数字签名。私钥可以用来对数据生成签名，公钥可以用来验证签名。

如果私钥持有者想发布一份声明，那么他可以用私钥对声明进行签名，然后同时发布声明和签名。其他人可以用公钥验证签名，从而确定声明确实是由私钥持有者发布的。

这样说可能还是有点抽象，我们来实操一把。

openssl 生成秘钥对

我们使用 openssl 命令来生成秘钥对，主流的操作系统应该都会预装这个工具。

我们首先要生成一个独一无二的私钥，公钥是从私钥中提取出来的。

# 生成私钥
openssl genpkey -algorithm RSA -out private_key.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048

• genpkey: 生成密钥的命令。
• -algorithm RSA: 指定使用 RSA 算法，这是最经典的非对称加密算法。
• -out private_key.pem: 将生成的私钥保存到名为 private_key.pem 的文件中。
• -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048: 指定密钥长度为 2048 位，这是当前推荐的安全长度。

执行后，当前目录下会多出一个 private_key.pem 文件。这个就是私钥文件，一定要保管好，不能泄露！

接下来，我们从私钥中生成对应的公钥：

# 生成公钥
openssl rsa -pubout -in private_key.pem -out public_key.pem

• rsa: 处理 RSA 密钥的命令。
• -pubout: 表示要输出公钥。
• -in private_key.pem: 指定输入的私钥文件。
• -out public_key.pem: 将生成的公钥保存到名为 public_key.pem 的文件中。

现在，你拥有了 public_key.pem 文件，这个就是你的公钥，你可以把它分发给任何人。

场景一：加密与解密

数据发送方想发给你一条机密消息：

echo "My name is Bob." > message.txt

那么他可以用你的公钥来加密消息：

# 公钥加密
openssl pkeyutl -encrypt -pubin -inkey public_key.pem -in message.txt -out encrypted_message.bin

• -encrypt: 执行加密操作。
• -pubin -inkey public_key.pem: 使用公钥 (public_key.pem) 进行加密。
• -in message.txt: 对 message.txt 文件加密。
• -out encrypted_message.bin: 将加密后的内容输出到 encrypted_message.bin 文件。

现在目录中多了一个 encrypted_message.bin 文件，其内容是乱码，这就是加密后的密文。

你可以用私钥解密密文：

# 私钥解密
openssl pkeyutl -decrypt -inkey private_key.pem -in encrypted_message.bin -out decrypted_message.txt

• -decrypt: 执行解密操作。
• -inkey private_key.pem: 使用私钥 (private_key.pem) 进行解密。
• -in encrypted_message.bin: 对加密文件进行解密。
• -out decrypted_message.txt: 将解密后的明文输出到 decrypted_message.txt 文件。

检查解密后的内容：

cat decrypted_message.txt

你会看到，原始消息 My name is Bob. 完美地还原了！

场景二：签名与验证

假设你要发布一份公开声明，例如一份合同条款：

echo "I agree." > contract.txt

为了证明这份合同确实是你本人签署的，可以使用你的私钥对 contract.txt 生成一个数字签名。

# 私钥签名
openssl dgst -sha256 -sign private_key.pem -out signature.bin contract.txt

• dgst -sha256: 表示先用 SHA256 算法对文件内容计算指纹（哈希值），然后再对这个指纹进行签名。
• -sign private_key.pem: 使用你的私钥 (private_key.pem) 进行签名。
• -out signature.bin: 将生成的签名保存到 signature.bin 文件。
• contract.txt: 要签名的原始文件。

接下来，你可以把 contract.txt（原文）和 signature.bin（签名）这两个文件一起公开发布。任何拥有你的公钥 (public_key.pem) 的人，都可以验证这份声明的真伪：

# 公钥验证签名
openssl dgst -sha256 -verify public_key.pem -signature signature.bin contract.txt

• -verify public_key.pem: 使用你的公钥 (public_key.pem) 进行验证。
• -signature signature.bin: 指定要验证的签名文件。
• contract.txt: 指定要验证的原始文件。

如果命令成功执行，终端会输出：

Verified OK

验证成功说明了：

• 身份真实性：这个签名确实是由与该公钥配对的私钥生成的。
• 数据完整性：contract.txt 的内容从签名之后，一个字都没有被改动过。

你可以尝试修改 contract.txt 文件的内容，或使用其他的私钥文件来生成 signature.bin，重新执行验证命令，就会得到验证失败的提示：

Verification Failure

总结

现在我们已经了解了现代密码学的三种核心技术，让我们做一个简单的对比：

加下来，我们将介绍一些常见的认证和鉴权技术，这些技术就是依托于这些密码学算法实现的。