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密码学入门：从古典加密到现代网络安全

news 2025/10/13 7:41:05

什么是密码学？
密码学是保护信息安全的科学，它通过加密技术将可读的信息（明文）转换为不可读的形式（密文），只有授权方才能解密恢复原始内容。就像给信息上了一把"数字锁"，只有拥有正确"钥匙"的人才能打开。

一、古典密码学：密码学的起源

古典密码学主要靠 “替换” 和 “移位”，原理简单，适合手动计算，常见于战争、书信保密。

1.1 核心原理

① 替换法 - 用固定规则替换原文中的字符

示例：bee 
b → w, e → p
密文：wpp

分类：

单表替换：所有字符使用同一张替换表

原始：abcde
替换：swtrp

缺点：容易被破解 —— 比如英文中 “e” 出现频率最高，只要统计密文中哪个字符出现最多，大概率就是 “e” 的替换。

多表替换：使用多张替换表，按密钥轮换使用

表1：abcde → swtrp
表2：abcde → chfhk  
表3：abcde → jftou原文：bee
密钥：312（表示用表3、表1、表2）
密文：fpk

优点：比单表安全，破解难度高很多。

② 移位法 - 按字母表位置移动字符

把字母表按固定位数 “平移”，最经典的是 “凯撒加密”（凯撒大帝用来给军队发命令）。

凯撒加密示例：
原始：abcde
后移2位：cdefg
"hello" → "jgnnq"

缺点：移位位数有限（最多 25 位），暴力尝试几次就能破解。

1.2 古典密码的破解

频率分析法：利用字母出现的统计规律

英文中’e’出现频率最高（约12.7%）
‘t’, ‘a’, 'o’等也有明显特征
通过分析密文字母频率推测替换规则

历史名机：恩尼格玛密码机（二战时期德国使用，后被图灵破解）

二、现代密码学三大支柱

现代密码学不再靠人工 / 简单机器，而是靠数学算法，能应对海量数据、高并发场景，核心分 3 类：散列函数、对称加密、非对称加密。

2.1 散列函数（哈希函数）：“不可逆的指纹”

散列函数能把任意长度的明文，变成固定长度、不可逆的密文（叫 “哈希值” 或 “消息摘要”），就像给信息盖 “唯一指纹”。

核心特点：

不可逆：知道哈希值，无法反推明文（比如知道 “123” 的 MD5 是 “202cb962ac59075b964b07152d234b70”，没法反推 “123”）；
唯一性：不同明文（除非刻意构造 “碰撞”）的哈希值一定不同；
固定长度：不管明文是 1 字节还是 1GB，哈希值长度固定（比如 MD5 是 32 位十六进制，SHA-256 是 64 位十六进制）。

常见算法及用途：

算法	哈希值长度	用途	例子（明文 “123”）
MD5	32 位十六进制	文件校验、密码存储（已逐渐被淘汰，易碰撞）	202cb962ac59075b964b07152d234b70
SHA-1(Secure Hash Algorithm)	40 位十六进制	早期 Git 版本控制（已淘汰）	40bd001563085fc35165329ea1ff5c5ecbdbbeef
SHA-256	64 位十六进制	现在主流（文件校验、区块链、密码存储）	a665a45920422f9d417e4867efdc4fb8a04a1f3fff1fa07e998e86f7f7a27ae3

实战场景：

网站存密码：不会存明文 “123456”，而是存它的 SHA-256 哈希值，登录时比对哈希值（即使数据库泄露，黑客也拿不到明文密码）；
下载软件校验：官方给出安装包的 SHA-256 值，你下载后算一遍，如果一致，说明没被篡改。

Java 代码示例（计算 MD5）：

import java.security.MessageDigest;public class HashDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {String input = "123"; // 明文// 1. 获取MD5算法实例MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");// 2. 计算哈希值（字节数组）byte[] hashBytes = md.digest(input.getBytes());// 3. 转成16进制字符串（方便查看）StringBuilder sb = new StringBuilder();for (byte b : hashBytes) {sb.append(String.format("%02x", b)); // %02x表示补0成2位十六进制}System.out.println("MD5哈希值：" + sb.toString()); // 输出：202cb962ac59075b964b07152d234b70}
}

2.2 对称加密：同一把钥匙

加密和解密用同一把密钥，就像你家的门，钥匙既能锁门也能开门。特点是 “快”，适合加密大量数据。

（1）常见算法对比：

算法	密钥长度	特点	用途
DES	8 字节（64 位，含 1 位校验）	早期算法，安全性低（已淘汰）	旧系统兼容
3DES	24 字节（3 个 DES 密钥）	对 DES 三次加密，安全性提高，但速度慢	旧金融系统
AES	16/192/256 字节（推荐 16 字节）	现在主流，速度快、安全性高	手机支付、文件加密、HTTPS 数据传输

技术分类：

流加密：逐位加密，如RC4
123456789 → 先加密1，再加密2，再加密3…
块加密：分组加密，如AES
12345678 → 分成[1234]和[5678]分别加密
特点：
- ✅ 加密速度快
- ✅ 适合大数据量加密
- ❌ 密钥分发和管理困难
- ❌ 无法实现数字签名

（2）关键概念：加密模式 + 填充模式

对称加密按 “块” 处理数据（比如 AES 每次处理 16 字节），需要解决 “数据不够块长” 和 “相同明文出相同密文” 的问题：

① 加密模式：决定怎么处理多块数据

模式	特点	优点	缺点
ECB	每块独立加密，相同明文块出相同密文块	并行处理，速度快	不安全（容易被破解规律）
CBC	每块先和前一块密文 “异或”，再加密	相同明文出不同密文，安全	串行处理，速度稍慢（需要初始向量 IV）

例子：加密 “abcabcabc”（AES-16 字节，ECB vs CBC）

ECB：两个 “abc” 块加密后密文相同；
CBC：第一个 “abc” 用 IV 加密，第二个 “abc” 和第一个密文异或后加密，密文不同。
推荐：用 CBC 模式，更安全。

② 填充模式：解决 “数据不够块长”

如果数据长度不是块长的整数倍（比如 AES-16 字节，数据只有 10 字节），需要 “补满”：

NoPadding：不填充，要求数据必须是块长的整数倍（否则报错）；
PKCS5Padding：缺 n 字节就补 n 个 “n”（比如缺 6 字节，补 6 个 “\x06”），最常用。

（3）实战注意：结合 Base64

对称加密的密文是 “字节数组”（比如[65, -12, 34]），直接传输会乱码，所以通常用Base64 编码转成字符串（比如 “QT4i”）。
⚠️ 注意：Base64 是编码不是加密，目的是 “方便传输”，不是 “保密”！

（4）Java 代码示例（AES-CBC 加密）：

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.spec.IvParameterSpec;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.util.Base64;public class AesDemo {// AES密钥（16字节）、初始向量IV（16字节，CBC模式必须）private static final String KEY = "1234567890abcdef"; private static final String IV = "abcdef1234567890";// 加密：明文→密文（Base64字符串）public static String encrypt(String plaintext) throws Exception {// 1. 生成密钥和IVSecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(KEY.getBytes(), "AES");IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(IV.getBytes());// 2. 初始化Cipher（CBC模式+PKCS5Padding）Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 3. 加密→Base64编码byte[] cipherBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());return Base64.getEncoder().encodeToString(cipherBytes);}// 解密：密文（Base64字符串）→明文public static String decrypt(String ciphertext) throws Exception {SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(KEY.getBytes(), "AES");IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(IV.getBytes());Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/CBC/PKCS5Padding");cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec);// 4. Base64解码→解密byte[] plainBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(ciphertext));return new String(plainBytes);}public static void main(String[] args) throws Exception {String plaintext = "我是秘密消息";// 加密String ciphertext = encrypt(plaintext);System.out.println("加密后（Base64）：" + ciphertext); // 比如：xY+...（长字符串）// 解密String decrypted = decrypt(ciphertext);System.out.println("解密后：" + decrypted); // 输出：我是秘密消息}
}

3. 非对称加密：“公钥加密，私钥解密”

用一对密钥（公钥 + 私钥）：公钥可以公开（像地址一样分享给别人），私钥自己保存（绝对不能泄露）。特点是 “安全”，但速度慢，适合加密少量数据（比如密钥）。

（1）核心规则：

公钥加密的密文，只有对应的私钥能解密；
私钥加密的密文（叫 “数字签名”），只有对应的公钥能解密；
公钥由私钥生成，无法从公钥反推私钥。

（2）常见算法对比：

算法	密钥长度	特点	用途
`RSA`	1024/2048/4096 位（推荐 2048 位）	兼容性好，应用广	数字签名、密钥交换（HTTPS）
`ECC`	160/256 位	相同安全级下，密钥更短、速度更快	移动端加密、区块链（比特币用 ECC）
`DSA`	1024 位	只用于数字签名，不能加密数据	身份验证

（3）实战场景：HTTPS 的 “密钥交换”**

HTTPS 为什么安全？
因为它结合了 “对称 + 非对称” 加密：

浏览器向服务器要 “公钥”；
浏览器用公钥加密 “对称密钥”（比如 AES 密钥），发给服务器；
服务器用私钥解密，拿到对称密钥；
后续数据传输，都用对称密钥加密（快）。
—— 既解决了对称加密 “密钥难传输” 的问题，又解决了非对称加密 “慢” 的问题。

（4）Java 代码示例（RSA 生成密钥对 + 加密）：

import javax.crypto.Cipher;
import java.security.KeyPair;
import java.security.KeyPairGenerator;
import java.security.PrivateKey;
import java.security.PublicKey;
import java.util.Base64;public class RsaDemo {public static void main(String[] args) throws Exception {String algorithm = "RSA";String plaintext = "要传输的AES密钥：1234567890abcdef";// 1. 生成RSA密钥对（公钥+私钥）KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(algorithm);keyPairGen.initialize(2048); // 密钥长度2048位KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();PublicKey publicKey = keyPair.getPublic(); // 公钥（可公开）PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate(); // 私钥（自己存）// 2. 打印公钥和私钥（Base64编码，方便查看）System.out.println("公钥（Base64）：" + Base64.getEncoder().encodeToString(publicKey.getEncoded()));System.out.println("私钥（Base64）：" + Base64.getEncoder().encodeToString(privateKey.getEncoded()));// 3. 公钥加密（加密少量数据，比如对称密钥）Cipher cipher = Cipher.getInstance(algorithm);cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, publicKey);byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(plaintext.getBytes());String encrypted = Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes);System.out.println("公钥加密后：" + encrypted);// 4. 私钥解密cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, privateKey);byte[] decryptedBytes = cipher.doFinal(Base64.getDecoder().decode(encrypted));String decrypted = new String(decryptedBytes);System.out.println("私钥解密后：" + decrypted); // 输出：要传输的AES密钥：1234567890abcdef}
}

三、密码学实战指南

3.1 对称 vs 非对称：如何选择？

特性	对称加密	非对称加密
速度	快（适合大数据）	慢（适合小数据）
密钥管理	复杂（密钥分发难）	简单（公钥可公开）
签名功能	不支持	支持
典型应用	文件加密、数据库加密	密钥交换、数字签名

最佳实践：结合两者优势

用非对称加密安全传输对称加密的密钥
用对称加密快速加密实际数据

3.2 密钥长度建议

RSA：至少2048位（1024位已不安全）
ECC：256位（相当于RSA 3072位安全性）
AES：128位（平衡安全与性能）

密钥越长越安全？
不一定！AES-128 位已经足够安全（破解需要的算力远超全球总和），更长的密钥（如 256 位）会增加性能消耗，没必要。

3.3 Base64：不是加密的编码

重要认知： Base64不是加密算法！它只是 “字节→字符串” 的编码方式，目的是让二进制数据能够用文本形式安全传输，“避免传输乱码”。
原理：每3个字节（24位）转换为4个6位的Base64字符

1 字节 = 8 位，3 字节 = 24 位；
把 24 位分成 4 组，每组 6 位；
6 位最大是 63（2^6-1），对应 64 个字符（A-Z、a-z、0-9、+、/）；
如果不足 3 字节，缺 1 字节补 1 个 “=”，缺 2 字节补 2 个 “=”。

例子：编码 “ab”（2 字节 = 16 位）

16 位→补 8 位 0→24 位，分成 4 组 6 位；
对应 Base64 字符：Y、W、I、=；
最终编码结果：“YWI=”。

与Base58区别：
Base58（Base64 的 “简化版”）：Base58 去掉了容易混淆的字符（0、O、1、l）和特殊符号（+、/），适合手写或肉眼识别，比如比特币地址用 Base58 编码。

3.4 数字签名：网络世界的"手写签名"

数字签名用 “私钥签名，公钥验证”，解决 “信息被篡改” 和 “发件人抵赖” 的问题
作用：

身份认证：证明消息发送者的身份
完整性验证：确保消息未被篡改
不可否认：发送者不能否认发送过的消息

实现过程：

对消息计算哈希值
用私钥加密哈希值（这就是数字签名）
接收方用公钥解密并验证哈希值

比如软件发布：

软件开发者用私钥对 “软件哈希值” 签名（生成签名文件）；
用户下载软件后，算软件的哈希值，并用开发者的公钥验证签名；
如果验证通过，说明软件没被篡改，且确实是开发者发布的。

四、实际开发注意事项

4.1 字符串处理陷阱

加密解密后，一定要用**new String()**，别用toString()！

// ❌ 错误方式 - 会输出哈希值而不是实际内容
byte[] data = "hello".getBytes();
System.out.println(data.toString()); // 输出: [B@1540e19d// ✅ 正确方式 - 使用明确的字符编码
System.out.println(new String(data, "UTF-8")); // 输出: hello

4.2 现代密码学发展趋势

后量子密码学：抵抗量子计算机攻击的新算法
同态加密：在加密状态下直接进行计算
国密算法：中国自主研发的密码算法体系（SM2, SM3, SM4）

五、总结：现代密码学核心用法表

需求	推荐技术	关键点
密码存储、文件校验	SHA-256（散列函数）	不可逆，固定长度
大量数据加密（文件、传输）	AES-CBC（对称加密）+ Base64	密钥 16 字节，用 CBC 模式 + PKCS5Padding
密钥交换、数字签名	RSA-2048/ECC-256（非对称加密）	公钥公开，私钥保密
避免传输乱码	Base64	不是加密，是编码