现代密码学入门：对称加密、非对称加密与哈希¶

三个绕不开的问题¶

密码学听起来高深，但日常工程里只反复面对三个问题：

1. 数据怎么加密存储/传输？ —— 对称加密
2. 密钥怎么安全交换？ —— 非对称加密
3. 数据怎么验真/验完整性？ —— 哈希与签名

把这三件事搞懂，Web 安全 80% 的概念都能串起来。

一、对称加密：快，但要解决密钥分发¶

原理¶

加密和解密用同一个密钥：

明文 + 密钥 → 密文
密文 + 密钥 → 明文

常见算法¶

分组模式¶

AES 是分组密码，需要选择工作模式：

• ECB：相同明文块产生相同密文块，不安全（可被模式分析）
• CBC：每块与前一密文异或，需要随机 IV
• GCM：AEAD 模式，同时提供加密和完整性校验，推荐

# AES-256-GCM 示例（Python）
import os
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM

key = AESGCM.generate_key(bit_length=256)
aesgcm = AESGCM(key)
nonce = os.urandom(12)               # GCM 推荐 12 字节 nonce
ciphertext = aesgcm.encrypt(nonce, b"secret message", b"aad")
plaintext = aesgcm.decrypt(nonce, ciphertext, b"aad")

对称加密的死穴¶

密钥分发：通信双方怎么安全地拿到同一个密钥？如果通过不安全通道传输，密钥本身就可能被窃取。这就引出了非对称加密。

二、非对称加密：慢，但解决密钥交换¶

原理¶

一对密钥：公钥加密，私钥解密（反之亦可签名）：

明文 + 公钥 → 密文（只有私钥能解开）
密文 + 私钥 → 明文

公钥可以公开分发，私钥自己保管。解决了对称加密的密钥分发问题。

常见算法¶

经典场景：HTTPS 握手简化版¶

1. Client → Server: 你好，我要建立安全连接
2. Server → Client: 这是我的证书（含公钥）
3. Client: 验证证书 → 用服务器公钥加密一个随机密钥 K 发给 Server
4. Server: 用私钥解出 K
5. 双方用 K 做对称加密通信（快）

核心思想：非对称加密只用于传递会话密钥，实际数据传输用对称加密——兼顾安全与性能。这就是混合加密。

三、哈希：单向不可逆¶

特性¶

• 任意长度输入 → 固定长度输出
• 单向：无法从哈希反推原文
• 雪崩效应：输入改一个字节，输出面目全非
• 抗碰撞：很难找到两个不同输入得到相同哈希

常见算法¶

密码存储为什么不能用 SHA-256¶

# 错误：明文哈希，彩虹表一查一个准
hash(password)

# 错误：加固定盐，不同用户同密码仍同哈希
hash(salt + password)

# 正确：加随机盐 + 慢哈希（计算成本高，抗暴力破解）
import bcrypt
hashed = bcrypt.hashpw(b"my_password", bcrypt.gensalt(rounds=12))

慢哈希让暴力破解变慢是特性不是缺陷——攻击者跑一遍字典要几年，而你验证一次只慢几十毫秒。

四、数字签名与证书¶

签名流程¶

发送方：私钥 对 消息哈希 签名 → 发送 消息 + 签名
接收方：公钥 验签 → 确认消息未被篡改且来自发送方

证书链¶

公钥如何确认"真的是对方"？引入第三方信任锚：

浏览器信任根证书 → 根证书签发中间证书 → 中间证书签发网站证书

证书包含：域名、公钥、签发者、有效期、签名。浏览器验证证书签名是否有效，确认无误后建立 TLS 连接。这就是 PKI（公钥基础设施）的基本模型。

五、工程实践清单¶

1. 加密算法只用现代标准：AES-256-GCM、ChaCha20、ECDSA、SHA-256
2. 密码存储用 bcrypt/argon2/scrypt，永远不自己设计哈希方案
3. 密钥管理：密钥与代码分离，用 KMS/环境变量/密钥管理服务
4. IV/Nonce 必须随机且唯一：GCM 模式 nonce 重用是灾难
5. TLS 配置：只启用 TLS 1.2+，证书用 ECDSA 或 RSA-2048+
6. 不要自己造密码学：用成熟的库（OpenSSL、libsodium、cryptography.io）

结语¶

密码学的正确姿势是"会选、会用、不自己造"。对称加密管速度，非对称加密管密钥分发，哈希管完整性——三者组合起来，就是 HTTPS、文件加密、密码存储这些日常场景的全部基础。