对称加密、非对称加密与哈希

人们常常说“它被加密了”,仿佛这就解决了一个安全问题。其实并没有,因为加密并不是单一的一件事。这一课讲的是几乎所有数字保护说法背后的三块基石:对称加密、非对称加密和哈希。它们各自保证不同的东西,而知道正在使用的是哪一种,才能真正弄清楚被保护的到底是什么。

对称加密:一把共享的密钥

Cloudflare 的学习中心对对称加密的描述很简洁:“只有一把密钥,所有通信方都用同一把(秘密的)密钥来加密和解密。”今天的标准范例是高级加密标准(AES),它取代了更早的数据加密标准(DES)——DES 因密钥长度太短而能被暴力破解。对称加密速度快,真正对你大部分数据进行打乱的正是它,不管是磁盘上的一个文件,还是通过 HTTPS 加载的一个网页的正文。它的核心难题在于分发:双方都需要同一把密钥,而在不让任何其他人看到的情况下把这把密钥传给对方,正是非对称加密要解决的问题。

非对称加密:成对工作的两把密钥

在非对称加密——也就是公钥加密——中,存在两把在数学上相互关联的密钥:据 Cloudflare 所说,“一把密钥用于加密,另一把不同的密钥用于解密。”加密密钥可以公开给任何人——因此叫“公钥”——而与之配对的解密密钥则保持私密。用公钥锁住的数据,只能用私钥解开。这正是让两个素未谋面的人能够通过一条公开网络就共享秘密达成一致的原理,而这恰恰是每一次 HTTPS 连接一开始发生的事情(下一课会详细讲解这个握手过程)。如今支撑它的常见算法是 RSA 和椭圆曲线密码学。

哈希:一枚指纹,不是一把锁

哈希函数和上面两者都不一样:它不锁住任何东西,也没有密钥能解开它。美国国家标准与技术研究院(NIST)把它定义为一种“把任意长度的比特串映射为固定长度比特串”的函数——通俗地说,它把任何文件或消息转换成一段简短、固定大小的指纹。NIST 规定了一个被认可的哈希函数必须具备的性质:必须在计算上不可行地找到能产生给定输出的输入(单向性),也必须在计算上不可行地找到能产生相同输出的两个不同输入(抗碰撞性)。这正是哈希能用来检查完整性——这个文件有没有被改动过?——并保护存储的密码的原因:一个服务可以拿一个密码去和存储的哈希值比对,而完全不需要保留真正的密码本身。像 MD5 和 SHA-1 这样更老的哈希函数,在面对有决心的攻击者时已不再被视为安全,这就是现代系统改用 SHA-2 或 SHA-3 系列的原因。

每一种工具实际保证的是什么

它们在实践中如何组合

几乎没有什么系统只用到这三者中的一种。一次典型的安全连接会短暂地使用非对称加密来就一个共享秘密达成一致,然后转为速度更快的对称加密来处理实际数据,而哈希则贯穿全程,确保所发送的内容在途中没有被改动过。认识到这三种角色,能让本课程接下来的内容——签名、证书、TLS 和端到端加密——被理解为同一小组工具的不同组合,而不是各自独立的魔法。