對稱密碼體制和非對稱密碼體制

一、對稱加密 (Symmetric Key Encryption) 

對稱加密是最快速、最簡單的一種加密方式，加密（encryption）與解密（decryption）用的是同樣的密鑰（secret key）。對稱加密有很多種算法，由於它效率很高，所以被廣泛使用在很多加密協議的核心當中。自1977年美國頒布DES（Data Encryption Standard）密碼算法作為美國數據加密標准以來，對稱密碼體制迅速發展，得到了世界各國的關注和普遍應用。對稱密碼體制從工作方式上可以分為分組加密和序列密碼兩大類。

對稱加密算法的優點：算法公開、計算量小、加密速度快、加密效率高。

對稱加密算法的缺點：交易雙方都使用同樣鑰匙，安全性得不到保證。此外，每對用戶每次使用對稱加密算法時，都需要使用其他人不知道的惟一鑰匙，這會使得發收信雙方所擁有的鑰匙數量呈幾何級數增長，密鑰管理成為用戶的負擔。對稱加密算法在分布式網絡系統上使用較為困難，主要是因為密鑰管理困難，使用成本較高。而與公開密鑰加密算法比起來，對稱加密算法能夠提供加密和認證卻缺乏了簽名功能，使得使用范圍有所縮小。

對稱加密通常使用的是相對較小的密鑰，一般小於256 bit。因為密鑰越大，加密越強，但加密與解密的過程越慢。如果你只用1 bit來做這個密鑰，那黑客們可以先試着用0來解密，不行的話就再用1解；但如果你的密鑰有1 MB大，黑客們可能永遠也無法破解，但加密和解密的過程要花費很長的時間。密鑰的大小既要照顧到安全性，也要照顧到效率，是一個trade-off。

分組密碼：也叫塊加密(block cyphers)，一次加密明文中的一個塊。是將明文按一定的位長分組，明文組經過加密運算得到密文組，密文組經過解密運算（加密運算的逆運算），還原成明文組，有 ECB、CBC、CFB、OFB 四種工作模式。

序列密碼：也叫流加密(stream cyphers)，一次加密明文中的一個位。是指利用少量的密鑰（制亂元素）通過某種復雜的運算（密碼算法）產生大量的偽隨機位流，用於對明文位流的加密。解密是指用同樣的密鑰和密碼算法及與加密相同的偽隨機位流，用以還原明文位流。

常用對稱加密算法包括 DES、3DES、AES

1. DES（Data Encryption Standard）：數據加密標准，速度較快，適用於加密大量數據的場合。
2. 3DES（Triple DES）：是基於DES，對一塊數據用三個不同的密鑰進行三次加密，強度更高。
3. AES（Advanced Encryption Standard）：高級加密標准，是下一代的加密算法標准，速度快，安全級別高，支持128、192、256、512位密鑰的加密。

算法特征
1. 加密方和解密方使用同一個密鑰。
2. 加密解密的速度比較快，適合數據比較長時的使用。
3. 密鑰傳輸的過程不安全，且容易被破解，密鑰管理也比較麻煩。

 

二、非對稱加密(Asymmetric Key Encryption)

非對稱加密為數據的加密與解密提供了一個非常安全的方法，它使用了一對密鑰，公鑰（public key）和私鑰（private key）。私鑰只能由一方安全保管，不能外泄，而公鑰則可以發給任何請求它的人。非對稱加密使用這對密鑰中的一個進行加密，而解密則需要另一個密鑰。比如，你向銀行請求公鑰，銀行將公鑰發給你，你使用公鑰對消息加密，那么只有私鑰的持有人--銀行才能對你的消息解密。與對稱加密不同的是，銀行不需要將私鑰通過網絡發送出去，因此安全性大大提高。

非對稱加密算法的優點：安全性更高，公鑰是公開的，秘鑰是自己保存的，不需要將私鑰給別人。

非對稱加密算法的缺點：加密和解密花費時間長、速度慢，只適合對少量數據進行加密。

對稱加密算法相比非對稱加密算法來說，加解密的效率要高得多。但是缺陷在於對於秘鑰的管理上，以及在非安全信道中通訊時，密鑰交換的安全性不能保障。所以在實際的網絡環境中，會將兩者混合使用。

非對稱加密算法包括 RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC（橢圓曲線加密算法），常見的有RSA、ECC。

 

三、分組加密的四種工作模式

1、ECB (Electronic Code Book，電子編碼本) 

ECB 模式是最簡單的加密模式，明文消息被分成固定大小的塊（分組），並且每個塊被單獨加密。每個塊的加密和解密都是獨立的，且使用相同的方法進行加密，所以可以進行並行計算，但是這種方法一旦有一個塊被破解，使用相同的方法可以解密所有的明文數據，安全性比較差。適用於數據較少的情形，加密前需要把明文數據填充到塊大小的整倍數。

ECB算法優點：
簡單、孤立，每個塊單獨運算。適合並行運算。傳輸錯誤一般只影響當前塊。
ECB算法缺點：
同明文輸出同密文，可能導致明文攻擊。

Encryption：

Decryption：

 

2、CBC (Cipher Block Chaining, 密碼分組鏈接)

CBC 模式中每一個分組要先和前一個分組加密后的數據進行XOR異或操作，然后再進行加密。這樣每個密文塊依賴該塊之前的所有明文塊，為了保持每條消息都具有唯一性，第一個數據塊進行加密之前需要用初始化向量IV進行異或操作。CBC模式是一種最常用的加密模式，它主要缺點是加密是連續的，不能並行處理，並且與ECB一樣消息塊必須填充到塊大小的整倍數。 

CBC算法優點：
串行化運算，相同明文不同密文。
CBC算法缺點：
需要初始向量。

Encryption：

 

Decryption：

 

3、CFB (Cipher Feedback, 密碼反饋)
CFB 模式和CBC模式比較相似，前一個分組的密文加密后和當前分組的明文XOR異或操作生成當前分組的密文。CFB模式的解密和CBC模式的加密在流程上其實是非常相似的。

CFB算法優點：
同明文不同密文，分組密鑰轉換為流密碼。
CFB算法缺點：
串行運算不利並行，傳輸錯誤可能導致后續傳輸塊錯誤。

Encryption：

Decryption：

 

4、OFB (Output Feedback, 輸出反饋)

OFB 模式將分組密碼轉換為同步流密碼，也就是說可以根據明文長度先獨立生成相應長度的流密碼。通過流程圖可以看出，OFB和CFB非常相似，CFB是前一個分組的密文加密后XOR當前分組明文，OFB是前一個分組與前一個明文塊異或之前的流密碼XOR當前分組明文。由於異或操作的對稱性，OFB模式的解密和加密完全一樣的流程。 

OFB算法優點：
同明文不同密文，分組密鑰轉換為流密碼。
OFB算法缺點：
串行運算不利並行，傳輸錯誤可能導致后續傳輸塊錯誤。

Encryption：

 

Decryption：