【软考备考】 数据与文件的加解密种类详解和使用场景

• 数据加解密：一个广义的概念，指对任何数字信息（包括文件、网络数据包、数据库字段等）进行加密和解密。

• 文件加解密：数据加解密的一个子集，特指对存储在文件系统中的文件进行加解密。

在技术和原理上，两者是相通的。我们通常根据“加密对象”和“使用场景”来区分具体的加解密技术。

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一、 按密钥体系分类（最核心的分类）

这是理解所有加密技术的基础，主要分为对称加密和非对称加密。

1. 对称加密

• 原理：加密和解密使用同一把密钥。发送方和接收方必须预先安全地共享这把密钥。

• 模型：明文 + 密钥 -> 加密 -> 密文；密文 + 密钥 -> 解密 -> 明文

• 特点：

  • 优点：算法效率高，加解密速度快，适合处理大量数据。

  • 缺点：密钥分发和管理困难。如果有多方通信，需要为每对通信对象维护一个单独的密钥，密钥数量会呈组合数增长（n(n-1)/2）。

• 常见算法：

  • DES：已破解，不安全，现在基本不用。

  • 3DES：DES的增强版，执行三次DES，速度较慢，安全性尚可，但逐渐被淘汰。

  • AES：当前最主流、最安全的对称加密算法，速度快，安全性高，被美国政府选为标准。

  • IDEA：国际数据加密算法，在PGP邮件加密中有应用。

• 使用场景：

  • 文件加密：对硬盘上的文件、文件夹进行加密（如VeraCrypt、BitLocker等磁盘加密工具，其底层对文件数据的加密通常使用AES）。

  • 数据库加密：对数据库中某个字段或整个数据文件进行加密存储。

  • HTTPS连接中的数据传输：在SSL/TLS握手建立后，用于加密实际传输的应用层数据（如网页内容、表单数据）。

  • VPN通道加密：在IPSec VPN或SSL VPN中，用于加密隧道内传输的所有数据。

2. 非对称加密

• 原理：使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥可以公开，私钥必须严格保密。用公钥加密的数据，只能用对应的私钥解密；用私钥加密的数据（即签名），可以用对应的公钥验证。

• 模型：

  • 加密：明文 + 接收方公钥 -> 加密 -> 密文；密文 + 接收方私钥 -> 解密 -> 明文

  • 签名：明文哈希值 + 发送方私钥 -> 加密 -> 数字签名；数字签名 + 发送方公钥 -> 解密 -> 哈希值（用于验证）

• 特点：

  • 优点：解决了密钥分发问题，无需预先共享秘密。

  • 缺点：算法复杂，加解密速度非常慢（比对称加密慢1000倍以上），不适合加密大量数据。

• 常见算法：

  • RSA：最经典、应用最广泛的非对称加密算法。

  • ECC：椭圆曲线加密算法，与RSA同等安全强度下，密钥更短，计算更快，资源消耗更少，常用于移动设备。

  • DSA：主要用于数字签名，不用于加密。

• 使用场景：

  • 数字签名与身份认证：验证软件发布者、文档签署者的身份，确保数据完整性和不可否认性。

  • 安全密钥交换：在HTTPS的TLS握手阶段，用于安全地交换对称加密的会话密钥（如RSA密钥交换）。

  • 小数据量加密：例如，加密对称加密的密钥本身。

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二、 按加密目标/场景分类

1. 文件级加密

对整个文件或文档进行加密。

• 技术实现：通常使用对称加密（如AES）。

• 使用场景：

  • 压缩文件加密：WinRAR、7-Zip在压缩时提供的密码保护功能。

  • 办公文档加密：Microsoft Word、Excel、PDF文件可以设置打开密码和修改密码。

  • 磁盘/分区加密：BitLocker (Windows)、FileVault (macOS)、VeraCrypt (跨平台) 对整个磁盘或分区进行实时加解密，对用户透明。

2. 数据库加密

• 透明存储加密：数据库引擎层面自动对数据文件进行加密，应用程序无感知。主要用于防止数据库文件被直接窃取后的数据泄露。

  • 场景：Oracle TDE, SQL Server TDE, MySQL企业版TDE。

• 列级加密：对数据库中特定的敏感列（如身份证号、信用卡号）进行加密。可以是透明的，也可以由应用程序控制。

  • 场景：加密存储用户的敏感个人信息。

3. 通信链路加密

对网络传输过程中的数据进行加密，防止窃听。

• 技术实现：通常采用混合加密体系（见下文），即用非对称加密协商对称会话密钥，再用对称加密加密实际数据。

• 使用场景：

  • HTTPS/SSL/TLS：保护网站与浏览器之间的通信安全。

  • SSH：保护远程登录会话的安全。

  • IPSec VPN：在两个网络网关之间建立加密隧道。

  • Wi-Fi加密 (WPA2/WPA3)：保护无线局域网的安全。

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三、 混合加密体系：对称与非对称的结合

这是现代安全通信的基石，它结合了两种加密方式的优点。

以HTTPS访问https://www.example.com为例：

1. 密钥交换（使用非对称加密）：

   • 浏览器连接到服务器。

   • 服务器将其SSL证书（包含公钥）发送给浏览器。

   • 浏览器生成一个随机的对称会话密钥。

   • 浏览器使用服务器的公钥加密这个会话密钥，并发送给服务器。

   • 服务器使用自己的私钥解密，得到会话密钥。

2. 数据传输（使用对称加密）：

   • 此时，双方都安全地拥有了同一把对称会话密钥。

   • 后续所有的HTTP请求和响应数据，都使用这把会话密钥（如AES算法）进行高速的加密和解密。

为什么这么做？

• 利用非对称加密解决了对称密钥的安全分发问题。

• 利用对称加密对实际数据进行处理，保证了高效性。

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四、 其他重要概念

1. 哈希算法

虽然它不是加密（因为不可逆），但在数据安全场景中与加解密密不可分。

• 原理：将任意长度的输入通过散列算法变换成固定长度的输出（哈希值）。它是一种单向密码体制。

• 特点：单向性、抗碰撞性（很难找到两个不同的输入得到相同的输出）。

• 常见算法：MD5（已不安全）、SHA-1（已不安全）、SHA-256、SHA-3。

• 使用场景：

  • 数据完整性校验：下载文件后，计算其哈希值与官网提供的对比，验证文件是否被篡改。

  • 数字签名：对数据的哈希值进行签名，而非对数据本身。

  • 密码存储：网站数据库不存储用户明文密码，只存储其哈希值。

2. 数字证书与PKI

• 数字证书：相当于网络世界的“身份证”，由权威的证书颁发机构签发。它将一个实体（如网站）的身份信息与其公钥绑定在一起。

• PKI：公钥基础设施，是创建、管理、分发、使用、存储和撤销数字证书所需的一系列硬件、软件、策略和流程的总和。

• 作用：解决“公钥信任”问题。确保你拿到的公钥确实是你要通信的那一方的，而不是攻击者伪造的。

软考备考要点总结

1. 必考：对称加密 vs 非对称加密的原理、优缺点、代表算法。

2. 重点：混合加密体系的流程和设计思想（为什么结合使用）。

3. 重点：数字签名和哈希函数的流程和作用（完整性、不可否认性）。

4. 理解：不同使用场景下应选择何种加密技术（如大量数据用对称，密钥分发用非对称）。

5. 记忆：常见算法的归属（AES是对称，RSA/ECC是非对称，SHA-256是哈希）。