加密数据的目的是防止发给对方的隐私信息被他人看到；发布签名的目的是向对方证明这段消息确实是你发的。
一、加密算法
加密算法分为 对称密钥算法(Symmetric Key Algorithm) 和 公开密钥算法(Public Key Algorithm)。对称加密，是一种比较传统的加密方式，其加密运算、解密运算使用的是同样的密钥，信息的发送者和信息的接收者在进行信息的传输与处理时，必须共同持有该密码（称为对称密码）；公开密钥算法也称为 非对称密钥算法 ，就是使用不同的加密密钥与解密密钥，是一种“由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行的”密码体制。加密密钥（即公开密钥）PK是公开信息，而解密密钥（即秘密密钥）SK是需要保密的，加密算法E和解密算法D也都是公开的，虽然解密密钥SK是由公开密钥PK决定的，但却不能根据PK计算出SK。
1.1 DES(Data Encryption Standard, 数据加密标准)
DES是一种对称加密算法。
加密原理：DES 使用一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位，产生最大 64 位的分组大小。这是一个迭代的分组密码，使用称为 Feistel 的技术，其中将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能，然后将输出与另一半进行“异或”运算；接着交换这两半，这一过程会继续下去，但最后一个循环不交换。DES 使用 16 个循环，使用异或，置换，代换，移位操作四种基本运算。
三重 DES：使用 168 位的密钥对资料进行三次加密的一种机制。因DES的密钥长度太短，很容易被暴力破解，故利用三重加密来有效地增加密钥长度。
不过 ，DES 现在仅用于旧系统的鉴定，而更多地选择新的加密标准。
1.2 AES(Advanced Encryption Standard, 高级加密标准)
AES是一种对称加密算法。这个标准用来替代原先的DES，2006年AES已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
加密原理：AES加密数据块分组长度必须为128比特，密钥长度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一个（如果数据块及密钥长度不足时，会补齐）。AES加密有很多轮的重复和变换。大致步骤如下：1、密钥扩展（KeyExpansion），2、初始轮（Initial Round），3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最终轮（Final Round），最终轮没有MixColumns。
1.3 RSA
RSA是一种公开密钥算法。由Ron Rivest、Adi Shamir、Leonard Adleman提出，故该算法取三个人名字的首字母来命名。它通常是先生成一对RSA 密钥，其中之一是保密密钥，由用户保存；另一个为公开密钥，可对外公开。
RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大质数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。
具体解析：带你彻底理解RSA算法原理
1.4 加密算法选择
因对称加密算法在传输数据时，也需要把双方共同的密钥明文传给对方，这里就会出现安全性地问题，故现在所有的通信都会使用公开密钥算法RSA。
但RSA有几个缺点：1.产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密；速度太慢，由于RSA 的分组长度太大，为保证安全性，n 至少也要 600 bits以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式的标准化。
为了速度问题，人们广泛使用单，公钥密码结合使用的方法，优缺点互补：单钥密码加密速度快，人们用它来加密较长的文件，然后用RSA来给文件密钥加密，极好的解决了单钥密码的密钥分发问题。在对称密钥算法中应首选AES。
二、数字签名
数字签名就是为了证明发布数据者的身份。签名流程是先 认证，再 加密。
- 认证。以单向散列函数思想为基础，它接受一个任意长度的明文作为输入，然后计算出一个 固定长度 的位串，这个散列函数MD称为 消息摘要(Message Digest)。散列过程是不可逆的，即给定P很容易计算出MD(P)，但给定MD(P)，不能有效推算出P；并且输入明文中即使只有1位变化也会导致完全不同的输出。
- 加密。加密的过程也就是签名的过程，为了安全，在实际的场景中，仍然使用公开加密算法RSA，为了证明发布者的身份，发布者就会用自己的私钥加密，接收方用发布者的公钥解密来确认。
发布者对明文进行签名后，需要把明文和摘要都发给接收方，接收方只需对明文也hash计算出摘要，和接收到的摘要进行对比是否一致。
问题1：理论上用RSA直接对明文签名就可以，为什么还要先对消息进行散列得到摘要再加密？
Why hash the message before signing it with RSA?
主要原因无非是 安全 和 快速。散列过程是不可逆的，故安全；散列完总是计算出一个固定的值，能加快RSA的加减密速度。
问题2：RSA的公钥和私钥到底哪个才是用来加密和哪个用来解密？
RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法。RSA的两个密钥是对称的，随便哪一个加密，可以用另一个解密，理论上你可以保留公钥，发布私钥，只不过公钥可以通过私钥轻松算出，反之不行，故实际中的做法是保留私钥发布私钥。
我们会发现实际中对数据加密时，使用的是接收方的公钥，而在数字签名时，使用的是发送者的私钥。
RSA的公钥和私钥到底哪个才是用来加密和哪个用来解密？
不要去硬记。
你只要想：既然是加密，那肯定是不希望别人知道我的消息，所以只有我才能解密，所以可得出 公钥负责加密，私钥负责解密；同理，既然是签名，那肯定是不希望有人冒充我发消息，只有我才能发布这个签名，所以可得出 私钥负责签名，公钥负责验证。
2.1 MD5(Message-Digest Algorithm 5, 信息-摘要算法5)
MD5以512位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。
MD5码可以唯一地代表原信息的特征，通常用于密码的加密存储，数字签名，文件完整性验证等。
2.2 SHA-1(Secure Hash Algorithm 1, 安全散列算法1)
SHA-1 会从一个最大 2^64 位元的讯息中产生一串 160 位元的摘要。SHA-1基于MD5，MD5又基于MD4。
论坛里提供的系统镜像文件的hash也就是微软官方提供的SHA-1值，下载后和此值对应，就说明你下载过程中文件没有被更改，属于原版。
比较：SHA-1摘要比MD5摘要长 32 比特，故SHA-1抗攻击能力更强，自然运行速度比MD5慢。需根据实际场景来选择。
三、编码转换
在进行完加密和签名后的数据时二进制的，不适合用于传输，故需要转换为字符集。目前常见的编码算法就是 Base64。
Base64是网络上最常见的用于传输8Bit字节码的编码方式之一，Base64就是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的方法。Base64编码是从二进制到字符的过程，可用于在HTTP环境下传递较长的标识信息。
四、总结
目前大多数应用通信的安全流程是：
process.png
上图是加密和签名的流程图，而解密和验签倒序进行。
五、公钥管理
为了安全地分发公钥(因为在传输的过程中可能被非法者替换)，就建立了能证明公钥所属权的 认证中心(CA, Certification Authority)。CA会给申请者颁发一个证书，用自己私钥对证书的SHA-1散列值进行签名。证书的作用就是将一个公钥与安全个体的名字绑定在一起。
实际上，CA并不是一个，为了安全和效率，而是分等级层次的，这样即使一个CA的数据库被攻破了，也不会影响全球的安全性。最顶级的CA即层次的根，它的责任是证明第二级的CA，顶级CA称为 区域管理机构(RA, Regional Authority)
Certificate chain.png
当用户不相信对方直属CA颁发的证书时，就会请求上一级CA，以此类推，请求的证书就形成了一个 证书链(Certificate chain)。总之你必须相信根CA，证书链才有效，当然根CA并非只有一个，而是有多个根，每个根都有它直接的RA和CA。实际上，现代浏览器在安装的时候预先加载了100多个根的公钥。通过这种方式，就可以避免在全球范围内使用单一的可信权威机构。
六、常见安全通信协议
6.1 GPG/PGP
PGP(Pretty Good Privacy, 良好的隐私性) 是一个完整的电子有点安全软件包，提供了私密性、认证、数字签名和压缩功能。它使用 国际数据加密算法(IDEA, International Data Encryption Algorithm) 的块密码算法来加密数据，PGP的密钥管理使用RSA，数据完整性使用MD5。
PGP使用已有的密码学算法，而不是发明新的算法。它像一个预处理器，接受明文输入，并产生签过名的密文作为输出，其输出格式为Base64。
PGP.png
但是PGP是商业软件，不能自由使用。所以自由软件基金会决定，开发一个PGP的替代品，取名为GnuPG，即 GPG(The GNU Privacy Guard)。
6.2 SSH(Secure Shell, 安全外壳协议)
SSH 为建立在应用层基础上的安全协议，它专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。SSH最初是UNIX系统上的一个程序，后来又迅速扩展到其他操作平台。SSH采用面向连接的TCP协议传输，监听 22端口。
传统的网络服务程序，如：ftp、pop和telnet在本质上都是不安全的，因为它们在网络上用明文传送口令和数据，别有用心的人非常容易就可以截获这些口令和数据。而且，这些服务程序的安全验证方式也是有其弱点的， 就是很容易受到“中间人”（man-in-the-middle）这种方式的攻击。通过使用SSH，你可以把所有传输的数据进行加密，这样"中间人"这种攻击方式就不可能实现了，而且也能够防止DNS欺骗和IP欺骗。使用SSH，还有一个额外的好处就是传输的数据是经过压缩的，所以可以加快传输的速度。
从客户端来看，SSH提供两种级别的安全验证：
- 基于口令的安全验证：通过帐号和口令登录到远程主机，所有传输的数据都会被加密。但可能会有别的服务器在冒充真正的服务器，也就是受到“中间人”这种方式的攻击。
- 基于密匙的安全验证：需要创建一对密匙，并把公用密匙放在需要访问的服务器上，通过类似RSA的方式来加密和解密数据。它不仅加密所有传送的数据，而且“中间人”这种攻击方式也是不可能的（因为他没有你的私人密匙），但是整个登录的过程可能需要10秒。
生活中应该首选SSH Keys，尽量避免使用密码方式登录SSH。
6.3 SSL(Secure Sockets Layer, 安全套接层)
现在SSL的协议已广泛被Google、Firefox、Safari和IE等浏览器采用，主要用于页面信息的通信。SSL在两个套接字之间建立一个安全的连接，主要功能有浏览器和服务器的双向认证、数据加密和数据完整性保护等。
实际上，SSL位于应用层和传输层之间的一个新层，它接受来自浏览器的请求，再将请求传递给TCP以便传输到服务器上。一旦安全的连接已经被建立起来，则SSL的主要任务时处理压缩和加密。
在SSL上使用的HTTP被称为 安全的HTTP(HTTPS, Secure HTTP)，它使用一个新端口 443，而不是标准的端口80。现在许多企业都强烈推荐使用HTTPS协议，2017.01.01苹果要求所以的APP都必须使用HTTPS。
SSL.png
SSL存在一个问题是，用户并不总是验证所用的密钥是否与证书相匹配，故产生了IETF标准haul后的 传输层安全(TLS, Transport Layer Security)。TLS是SSL的第3个版本，这就是所谓的 SSL/TLS。
参考链接：《计算机网络（第5版）》 AndrewS．Tanenbaum
RSA算法原理（一）
RSA算法原理（二）
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