密码工具箱

上一篇介绍了消息传递存在的问题：机密性、完整性、认证、不可否认性。本篇介绍解决这些问题的方案，我们形象的把它们统称为 密码工具箱，工具箱里的 工具 列举如下：

• 对称加密： 解决 机密性 的工具；
• 公钥加密（也叫非对称加密）： 解决 机密性 的工具；
• 单向散列函数 ：解决 完整性的工具

（接上文：遨游密码世界（一））

二、密码学工具箱

1. 对称加密

1）异或运算

层叠消融

最强大脑有个 层叠消融 的项目，本质上就是属于密码学中的对称加密。

层叠消融 把两个图形重叠在一起，相同的部分会消失，不同的部分会显示。如果这么说不太理解的话，可以看下面的 异或 运算，和 加减 运算一样简单。

0 XOR 0 = 0；
0 XOR 1 = 1；
1 XOR 0 = 1；
1 XOR 1 = 0；

XOR 和 +、- 都是数学里面的运算符号，叫做 异或运算符。它的规则是相同的数字做运算之后结果为 0，不同的数字做异或运算之后结果为 1。这里即可看出 层叠消融 的本质即异或运算。

2）对称加密的核心就是异或运算

随机生成两个相同位数的数字 01001100 和 10101010，对第一个数字记做 A，第二个数字记做 B，对它两进行异或运算。

0 1 0 0 1 1 0 0        // A
1 0 1 0 1 0 1 0        // B
1 1 1 0 0 1 1 0        // 结果

将结果 11100110 在与 B 做一次异或运算。

1 1 1 0 0 1 1 0         // 结果
1 0 1 0 1 0 1 0         // B
0 1 0 0 1 1 0 0         // 第二次的结果 === A

第一次对 A 和 B 做 异或运算 可以看成是 加密行为。

// 加密过程
0 1 0 0 1 1 0 0        // A：消息
1 0 1 0 1 0 1 0        // B：密钥
1 1 1 0 0 1 1 0        // 结果：密文，加密之后看不懂的东东

第二次对第一次运算的结果再与 B 做 异或运算 可以看成是 解密行为 。

// 解密行为
1 1 1 0 0 1 1 0         // 结果：密文
1 0 1 0 1 0 1 0         // B：密钥
0 1 0 0 1 1 0 0         // A：密文通过密钥处理之后又得到密文 A

电脑里的视频，图片，文本文件等如果要做加密，都是先转化为计算机识别的二进制数据，也就是 0 和 1 组成的数据，然后再做异或运算。

密钥

这个过程 B（密钥） 及其重要，加密时候使用它进行加密，解密也要使用它进行解密，如果你的密钥泄露了，那么别人就可以轻而易举的破解你的加密信息。

3）当前使用的对称加密算法

异或运算只是对称加密的最底层，实际使用的对称加密算法都是在这基础上发展的，并且要复杂的多，这里介绍这个是为了以后吹逼的时候增加光环属性。

前面介绍了异或运算加/解密消息，那么加密算法如何理解呢。比如有个算法对消息进行 16 次异或操作，这是一种算法，另一个将消息拆分两半，只对其中一半进行加密，这又是一种加密算法。

个人总结：加密算法就是加密的具体行为。比如上面使用异或运算加密中，异或加密这个行为就是个算法。对于消息加密，只有同时知道 加密算法 和 密钥 这两个东东才能正确得到明文。

• DES 对称加密算法

DES 加密算法是 1977 年美联邦使用的标准，在那个年代被政府和银行广泛使用。

老外整出了加密算法之后，为了验证加密算法的安全性，会定期举办个密码比赛邀请全世界的密码学大师来破译加密算法。在 1999 年举办的 DES challenge 第三次比赛中被人用了 22 个小时就给破译了（在 1997 年举办的 DES challenge 第一次比赛就被人用 96 天给破译了），自此之后安全性存在严重问题，新的加密算法应运而生。

• 三重 DES 对称加密算法

由于 DES 存在安全性问题，不久 三重 DES 加密算法 就诞生了，在 DES 基础上做细微修改，并且重复三次 DES 加密，所以叫 三重。

当然，DES 底层做了 16 次异或运算，三重 DES 也就做了 48 次异或运算（不仅仅做异或运算，还有其它行为），运算次数变得更复杂，导致加/解密速度并不高。有了不爽的东西人们就会寻求替代品。

• AES 对称加密算法

1997 年的时候，米国标准化机构 NIST 对外海选新的加密算法，以求替代 DES 带来的尴尬境遇。并提前指定了新的密码算法的名称就叫做 AES。

直到 2000 年，在世界各地的密码学专家竞争中，最终筛选出 15 个最终可能选择的加密算法；这 15 个加密算法经过又一轮的生死搏杀，最终比利时密码学家带来的加密算法 Rijndael 成为 AES 的最终选择。

最在用的最多的对称加密算法还是 AES，当然没有绝对安全的算法，被破解也是时间问题，只不过这个时间来的会比较晚一点。

4）对称密码实际应用中的缺陷

办公室

你将用对称密码加密后的纸条扔给你的同事，他需要知道密钥才能解密出明文，由于你们都在一个办公室里，可以很方便的告诉他密钥是什么（这里举例好傻，都能告诉他密钥是啥了，怎么不直接告诉他明文信息，只是举例而已~~）。

如果你在上海，你的好朋友在北京，你用对称加密给他写了封信，你的好朋友需要密钥，你只好将密钥与信件一起塞进信封寄给好朋友。这样又显得很傻，信件被任何人拿到都可以通过密钥得到明文，加密失去意义。

很不爽，去叫人

最初看到这个场景的时候，我没忍住破口大骂，花了十分钟读到这里原来是个自相矛盾的东东，纯属浪费时间。对称加密的密钥传递是个老大难的问题，但可以通过其它技术弥补。

2. 公钥加密（也叫非对称加密）

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（未完待续，简书不能设置文章顺序，关于密码工具箱其它工具还需查阅资料完善，这里先发布文章占个位置，避免后续文章切断了遨游密码世界两篇文章的连续性）