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什么是對稱加密和非對稱加密?兩者之間的區(qū)別是什么?

  • 標(biāo)簽:
  • 對稱加密
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  • 數(shù)據(jù)加密
  • 數(shù)據(jù)安全
  • 數(shù)字證書

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作者:銳成網(wǎng)絡(luò)整理時間:2024-05-14 10:24:00

加密無處不在。這并非虛言。從發(fā)送電子郵件到在線購物再到金融等行業(yè)敏感數(shù)據(jù)的處理,加密在確保數(shù)字世界中各行各業(yè)的數(shù)據(jù)安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。關(guān)于加密技術(shù),當(dāng)下主要存在有兩種加密技術(shù)——對稱加密與非對稱加密。那么,什么是對稱加密和非對稱加密?非對稱加密與對稱加密它們各有哪些優(yōu)缺點,又有何不同?在不同的應(yīng)用場景中哪個更安全?針對上述問題,我們將一一展開探討。

什么是對稱加密和非對稱加密?兩者之間的區(qū)別是什么?

一、關(guān)于對稱加密

1、什么是對稱加密?

對稱加密是最基本的加密形式,它使用一個密鑰而不是兩個密鑰來執(zhí)行加密操作?;旧?,發(fā)送者和接收者擁有相同的密鑰副本,并自行保存。這就是為什么對稱加密也被稱為私鑰加密、私鑰密碼術(shù)等。

凱撒密碼是其中的一個典型例子。它使用共享的秘密密鑰來加密和解密數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)的安全性。這個密鑰可以是一個單詞、短語或字符的組合,發(fā)送者和接收者都知道它,可以安全地鎖定和解鎖信息。

對稱加密通常被銀行使用,因為它可以高效地保護(hù)個人身份信息(PII),而且資源成本相對較低。這有助于降低日常支付交易所涉及的風(fēng)險。

2、對稱加密如何工作? 

正如上面所說,對稱加密使用單一的秘密密鑰來加密和解密信息,因此過程相對簡單。在計算機A上,使用秘密密鑰對消息進(jìn)行加密。然后將其傳輸?shù)接嬎銠CB,使用相同的密鑰進(jìn)行解密。

由于加密和解密過程使用相同的密鑰,對稱加密比起非對稱加密更快,這也是為什么它通常用于需要進(jìn)行大規(guī)模加密的大文件(如數(shù)據(jù)庫)。

試著想象一下,A想要使用對稱加密給B發(fā)送一條機密消息。以下是它的工作流程:

  • 密鑰生成——A和B達(dá)成共識,使用一個共享的秘密密鑰。假設(shè)他們都同意使用密鑰"COIND77"。 
  • 加密——A拿出她的明文消息,比如"HELLO",并應(yīng)用一個加密算法(比如AES)和共享密鑰"COIND77"。加密算法將明文轉(zhuǎn)換為密文,即消息的加密形式。 
  • 密文傳輸——A通過安全信道或任何通信媒介將密文發(fā)送給B。 
  • 解密——B也擁有共享密鑰"COIND77",他接收到密文后會應(yīng)用相同的加密算法和共享密鑰來解密密文。結(jié)果,密文被轉(zhuǎn)換回原始的明文消息,這個例子中就是"HELLO"。

什么是對稱加密和非對稱加密?兩者之間的區(qū)別是什么?

3、對稱加密的方法

現(xiàn)代對稱加密方法包括AES(高級加密標(biāo)準(zhǔn)),3DES(三重數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn))和Blowfish。雖然這并不是全部,但它們是最常見的。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所推薦的算法是AES。因此,最流行的是AES-128、AES-192和AES-256。

4、對稱加密的優(yōu)勢

(1)速度

由于對稱加密使用單一密鑰,加密和解密的過程比非對稱加密更快,因為非對稱加密涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算。這種速度對于對時間要求敏感的應(yīng)用非常有益,比如安全通信或高速數(shù)據(jù)處理。

(2)效率 

對稱加密算法在計算上效率高,適用于快速加密和解密大量數(shù)據(jù)。這種高效性使得對稱加密適用于實時通信、文件加密和數(shù)據(jù)存儲。

(3)簡易性

對稱加密相對來說比較容易實施和使用。它只涉及一個密鑰進(jìn)行加密和解密,相比非對稱加密需要管理密鑰對的過程更簡單。

(4)數(shù)據(jù)完整性

除了保密性,對稱加密還可以確保數(shù)據(jù)的完整性。使用共享密鑰對數(shù)據(jù)加密后,在解密過程中,任何未經(jīng)授權(quán)的修改都將使密文無法破譯,以便檢測到潛在篡改或未經(jīng)授權(quán)的更改。

(5)兼容性

對稱加密算法在各種平臺、設(shè)備和編程語言上得到廣泛支持和兼容。這種兼容性有助于不同系統(tǒng)和應(yīng)用之間的無縫集成和互操作性。

(6)資源效率 

對稱加密需要的計算資源較少,比非對稱加密更適合資源受限的環(huán)境,如移動設(shè)備或嵌入式系統(tǒng)。

(7)安全通信渠道

對稱加密經(jīng)常用于建立安全通信渠道,如虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)或安全套接字層(SSL)/傳輸層安全性(TLS)協(xié)議。它確保在各方之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保持機密,并受到竊聽或未經(jīng)授權(quán)訪問的保護(hù)。

5、對稱加密的缺點

(1)密鑰分發(fā)(或交換)、管理和更新 

對稱加密中的一個重大挑戰(zhàn)是將共享密鑰安全地分發(fā)給所有授權(quán)方。如果密鑰在分發(fā)過程中被泄露或落入錯誤的手中,可能導(dǎo)致未經(jīng)授權(quán)的訪問和解密敏感數(shù)據(jù)。

對稱加密本身并沒有提供在兩個從未通信過的方之間安全交換密鑰的機制。確立初始密鑰交換的安全通道可能很困難,特別是當(dāng)各方地理分散或缺乏預(yù)先建立的信任關(guān)系時。

此外,隨著用戶數(shù)量和系統(tǒng)的增加,管理和安全存儲共享密鑰變得更加復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)越大,密鑰暴露或丟失的風(fēng)險越大,需要強大的密鑰管理實踐。

同時,更改或更新對稱加密的共享密鑰可能很復(fù)雜。這需要重新建立安全通信渠道,并使用新密鑰重新加密所有現(xiàn)有數(shù)據(jù),這可能耗時且需要大量資源。

(2)可擴展性 

當(dāng)多個參與方在網(wǎng)絡(luò)中需要進(jìn)行安全通信時,對稱加密面臨可擴展性問題。由于每對用戶需要一個唯一的共享密鑰,隨著用戶數(shù)量的增加,所需密鑰的數(shù)量呈指數(shù)增長,使得密鑰管理和分發(fā)更加困難。

(3)受限的身份驗證 

對稱加密不提供固有的身份驗證機制。它只確保消息的保密性,但不驗證發(fā)件人的身份,也無法防止消息篡改。需要實施額外的協(xié)議或機制來解決身份驗證和完整性方面的問題。

(4)信任假設(shè) 

對稱加密假設(shè)雙方共享并信任同樣的密鑰。如果信任被破壞,比如存在惡意內(nèi)部人員或受到攻擊的一方,加密數(shù)據(jù)的安全性可能會受到損害。

二、關(guān)于非對稱加密

1、什么是非對稱加密?

非對稱加密是一種在兩方之間加密數(shù)據(jù)的過程,但它不是使用單個密鑰,而是使用兩個唯一但數(shù)學(xué)上相關(guān)的密鑰來實現(xiàn)此目的。第一個密鑰稱為公鑰,在通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)之前對其進(jìn)行加密;另一個(也稱為私鑰)解密交換接收方的數(shù)據(jù)。這就是為什么非對稱加密也被稱為公鑰加密和公開加密。

顧名思義,公鑰是公開可用的密鑰,任何人都能訪問,而私鑰是保密的,只有所有者知道。

公鑰和私鑰在數(shù)學(xué)上相關(guān)但唯一配對,因此它們只能彼此匹配。

然而,加密數(shù)據(jù)并不是非對稱加密所做的全部。正如現(xiàn)在很多營銷廣告片所喜歡的廣告詞——“但是,等等,還有更多!”非對稱加密還提供:

  • 身份驗證——非對稱加密可幫助您以一種無人可以偽造或質(zhì)疑的方式驗證身份(這稱為不可否認(rèn)性),這使得此過程非常適合在彼此不認(rèn)識的第三方之間加密數(shù)據(jù)。
  • 安全密鑰交換——非對稱密鑰交換協(xié)議通過公共通道促進(jìn)對稱密鑰交換(稍后會詳細(xì)介紹),否則容易受到中間人 (MitM) 攻擊。
  • 數(shù)據(jù)完整性——確保您的數(shù)據(jù)沒有通過使用數(shù)字簽名被更改或修改。

2、非對稱加密是如何工作的? 

非對稱加密不像對稱加密只使用一個密鑰進(jìn)行解密和加密,它使用兩個密鑰。用公鑰加密的消息只能使用私鑰解密,而用私鑰加密的消息只能使用公鑰解密。

(非對稱加密系統(tǒng)通常使用不止兩個密鑰。一些算法使用五個密鑰,這極大地增加了安全性和解密消息的可能解決方案總數(shù)。)

使用兩個密鑰使加密和解密過程非常復(fù)雜,提高了它所提供的安全性。它們成為當(dāng)今密碼系統(tǒng)中重要的組成部分,提供匿名性和有效性。

為了更好地理解,再舉一個例子:

密鑰生成——B想與A進(jìn)行安全通信。B生成一個密鑰對,包括公鑰和私鑰。私鑰保密,而公鑰與A共享。

  • 加密——A想向B發(fā)送一條機密消息。她獲取了B的公鑰,并使用它來加密明文消息。加密算法以公鑰和消息作為輸入,生成密文。
  • 傳輸——A通過任何通信渠道(甚至是不安全的渠道)將加密的密文發(fā)送給B。
  • 解密——大衛(wèi)作為唯一持有相應(yīng)私鑰的人,使用該私鑰解密從A那里接收到的密文。解密算法使用私鑰和密文作為輸入,產(chǎn)生原始明文消息?,F(xiàn)在,A使用B鑰來加密消息,只有B才能使用他的私鑰解密和閱讀它。這確保了機密性,因為即使其他人攔截了密文,沒有B的私鑰,他們也無法解密它。

總言之,非對稱加密是安全通信、數(shù)據(jù)完整性和身份驗證的基石,使用戶能夠安全地交換信息。

什么是對稱加密和非對稱加密?兩者之間的區(qū)別是什么?

3、非對稱加密的方法

最早的公鑰加密系統(tǒng)之一是RSA(Rivest-Shamir-Adleman),它于1978年首次提出。今天,最廣泛使用的非對稱加密算法之一是Diffie-Hellman和數(shù)字簽名算法。

這些算法之間的主要區(qū)別在于,某些算法提供密鑰分發(fā)和匿名性,另一些算法提供數(shù)字簽名,還有一些同時提供兩者。

然而,仍然有一個問題需要解決——真實性的證明。

這就是數(shù)字證書的作用。(關(guān)于數(shù)字證書的概念和作用會在之后的文章中會作詳細(xì)介紹。)

為了使非對稱加密工作,我們需要驗證傳輸消息的真實性的方法。

一種解決方案是使用數(shù)字證書。當(dāng)一個人通過安全通道發(fā)送加密消息時,他的數(shù)字證書會自動附加在其中。這有助于識別兩個用戶/設(shè)備并建立安全通信渠道。

4、非對稱加密的優(yōu)勢

(1)安全的密鑰交換 

非對稱加密提供了一種安全的方法,用于在之前沒有通信的各方之間交換加密密鑰。發(fā)送方可以使用接收方的公鑰來加密密鑰,確保只有具有相應(yīng)私鑰的接收方才能解密和訪問它。這個特性消除了對預(yù)先共享密鑰的需求,簡化了密鑰交換過程并增強了安全性。

(2)機密性和隱私 

非對稱加密通過使用接收方的公鑰對消息進(jìn)行加密,實現(xiàn)了機密通信。只有持有相應(yīng)私鑰的接收方才能解密和閱讀消息。這確保了敏感信息的私密性,防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。

(3)身份驗證和不可否認(rèn)性 

非對稱加密應(yīng)用數(shù)字簽名,允許個人使用私鑰對消息或文檔進(jìn)行簽名。接收方可以使用發(fā)送方的公鑰驗證簽名,確保消息的真實性和完整性。此外,數(shù)字簽名提供了不可否認(rèn)性,因為發(fā)送方無法否認(rèn)對消息進(jìn)行了簽名,從而為消息的來源提供了強有力的證據(jù)。

(4)可擴展性和靈活性 

非對稱加密支持在不需要為每對參與方單獨創(chuàng)建密鑰的情況下進(jìn)行安全通信。這種可擴展性使其適用于需要在大量參與者之間進(jìn)行安全通信的場景。此外,非對稱加密可以與對稱加密結(jié)合使用,采用混合方法,充分發(fā)揮兩種加密方法的優(yōu)勢。

(5)信任和PKI(公鑰基礎(chǔ)設(shè)施)

非對稱加密構(gòu)成了PKI的基礎(chǔ),其中包括由受信任的證書頒發(fā)機構(gòu)(CA)頒發(fā)的數(shù)字證書。這些證書將個人的身份與其公鑰綁定,建立信任并實現(xiàn)跨網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的安全通信。

(6)兼容性和標(biāo)準(zhǔn) 

非對稱加密算法,如RSA和橢圓曲線密碼學(xué)(ECC),得到了廣泛采用并受到各種加密庫和系統(tǒng)的支持。這種兼容性確保了在不同平臺、設(shè)備和應(yīng)用程序之間的互操作性,使其成為安全通信的可靠選擇。

5、非對稱加密的缺點 

(1)計算復(fù)雜性 

與對稱加密算法相比,非對稱加密算法在計算上更為復(fù)雜。涉及的數(shù)學(xué)運算,如模冪運算或橢圓曲線計算,需要更多的計算資源。因此,非對稱加密可能會更慢且效率較低,特別是在加密或解密大量數(shù)據(jù)時。

(2)密鑰長度和存儲 

為了達(dá)到相同的安全級別,非對稱加密需要比對稱加密更長的密鑰長度。較大的密鑰尺寸導(dǎo)致較長的加密和解密時間,并增加了密鑰的存儲需求。在資源受限的環(huán)境中管理和安全存儲這些較長的密鑰可能具有挑戰(zhàn)性。

(3)性能影響 

非對稱加密算法的計算復(fù)雜性可能會影響系統(tǒng)性能,特別是在頻繁或?qū)崟r執(zhí)行加密和解密操作的場景中。依賴于加密的應(yīng)用程序,如安全通信或高頻交易,在使用非對稱加密時可能會遇到性能瓶頸。

(4)密鑰分發(fā)和管理 

非對稱加密依賴于公鑰的安全分發(fā)和管理。驗證接收到的公鑰的真實性和完整性可能是一個挑戰(zhàn),因為攻擊者可能會冒充預(yù)期的接收方或在傳輸過程中修改公鑰。建立可信任的PKI并實施安全的密鑰分發(fā)機制是必要的,但可能引入額外的復(fù)雜性。

(5)某些算法的密鑰大小受限 

由于其數(shù)學(xué)特性,特定的非對稱加密算法對密鑰大小有一定的限制。例如,為了保持可接受的性能,RSA加密通常限于特定的密鑰大小。這種限制可能會影響加密方法的長期安全性,因為計算能力的提升使得更短的密鑰長度更容易被破解。

(6)依賴可信任的公鑰帶來的潛在風(fēng)險

非對稱加密假設(shè)用于加密和驗證的公鑰的真實性和完整性。如果攻擊者篡改或替換公鑰,他們可以解密攔截的消息或欺騙接收方。驗證公鑰的可信度對于確保安全通信至關(guān)重要。

三、差異在哪?——對稱加密和非對稱加密

對稱和非對稱加密之間的差異是什么?主要有以下幾點——

1、密鑰的數(shù)量、性質(zhì)和大小

對稱密鑰是相同的,而非對稱公鑰和私鑰在數(shù)學(xué)上相關(guān)但仍然是唯一的。對稱密鑰的長度通常也比非對稱密鑰短。對稱密鑰通常為128位、192位和256位,而非對稱密鑰建議為2048位或更高。

例如,以下是base64編碼的AES-256對稱加密密鑰的示例:

QnqAb/Q+TosXWD8OxIiaBjriAJNqYs4VNtvGc87kmsY=

而RSA2048位非對稱加密密鑰是這樣的——

公鑰:

-----BEGIN PUBLIC KEY-----

MIIBITANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ4AMIIBCQKCAQBwviVpz7WKp2jXTpRZB0QO

yDwa7KTVBT/2XLRLHDaLL+lO/DrJRN1IY8EaoaSO8LDp/Kxoe/U4HI/98Lzmabm/

9o/sGN6LH2rqNQET+c1WsMPTAz6+WFpnbbMataoAH6vzDfVFRy6GnF/AsnnpgF15

wqmwLq7T5s+Vq8qo+nT/MOYUyR81CY0FQurfc58aPwSg6yC5OLOGdz7eiAvOMysC

zOJZy0n8BIRXn7Yrh7wo9HdSAGEb1rzFxLAyoEthN+GFvH7uN1P76l5g8E3k6Z5M

4FXsk7uqIO8gdD8nuM1jH0YK1OxWl8UdQpVMx306pNM5npHhI0pbXn5D9XThAKgt

AgMBAAE=

-----END PUBLIC KEY-----

私鑰:

-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----

MIIEogIBAAKCAQBwviVpz7WKp2jXTpRZB0QOyDwa7KTVBT/2XLRLHDaLL+lO/DrJ

RN1IY8EaoaSO8LDp/Kxoe/U4HI/98Lzmabm/9o/sGN6LH2rqNQET+c1WsMPTAz6+

WFpnbbMataoAH6vzDfVFRy6GnF/AsnnpgF15wqmwLq7T5s+Vq8qo+nT/MOYUyR81

CY0FQurfc58aPwSg6yC5OLOGdz7eiAvOMysCzOJZy0n8BIRXn7Yrh7wo9HdSAGEb

1rzFxLAyoEthN+GFvH7uN1P76l5g8E3k6Z5M4FXsk7uqIO8gdD8nuM1jH0YK1OxW

l8UdQpVMx306pNM5npHhI0pbXn5D9XThAKgtAgMBAAECggEAcGp4nbf5eaaRmFYG

/3qKNv8bR3F8rddNPtaTA22/SSvdw98msreSuXKWAnr4vXprvPQv6QLosSlxvjCD

+m+jQjCUs0Lc6/XIwn1VdNiZEX6x076hmmQ4yHaOpuxK9VKfPnxFeu2OC7TymQ6d

FuHi0tzyG/WAZ1P22nNwYOtTK3v2+56QcWpshNWgtPRHC4Y7Cbqn3dEnrQAVhqiY

Xd/wzizzcXbn/49JCTypxgQ8Ru5a7/PvRtKiRAUd1Y7nGX5wKAgkVz9RqSe8y/lD

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XnABFQKBgQDXvLn3CXrTjxlEpNeXLkiVmQxMjYlZ+gvrGkHNW8eeUfJHptTAh+0Y

oZTI/IOyxArbn3r0VmrpDOlOlt3atiRAPqNFcsp53TgDviNyrGlRMZlXvNrHKVS6

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yskOW0OG5io0/bmydqpElMSLLxkekPXXDQD3lSPZei9ZOuyWALWb9kXb/U/cxaMh

H2bnVTgEcBNGdFCYXy4u1AAkVICajJ7Vkd4jGPReuYuF452w+34=

-----END RSA PRIVATE KEY-----

2、加密算法的類型和復(fù)雜度

對稱加密與非對稱加密之間的最大區(qū)別之一是每個過程中使用的加密算法的類型。對稱加密算法是塊密碼或流密碼,包括DES、TDEA/3DES、AES等算法。非對稱加密算法包括RSA、DSA、ECC等算法。(可參考:一篇文了解SSL證書中的RSA 算法、 ECC算法

3、每個流程的耗時和資源密集程度

對稱加密速度更快且僅使用一把密鑰,因此非常適合需要加密大量數(shù)據(jù)的大型組織和企業(yè)。非對稱加密在加密和解密過程中使用兩個獨立的密鑰和更復(fù)雜的算法,這使得加密和解密大量數(shù)據(jù)的速度較慢。

4、更適合在公共/私人渠道中使用

對稱加密本身最適合非公共渠道,而非對稱加密最適合公共渠道。這是考慮非對稱加密與對稱加密差異的快速方法。

四、哪個更安全——對稱加密還是非對稱加密?

這是一個難以回答的問題。

大多數(shù)人認(rèn)為非對稱加密更安全,因為它具有公鑰和私鑰。但是,比較對稱和非對稱加密的強度和抵御攻擊能力并不容易。

重要的是要考慮上下文,也就是取決于你如何定義“更安全”以及加密發(fā)生在什么背景下——

例如:

  • 當(dāng)使用較小的密鑰大?。ɡ?56位密鑰)時,對稱加密比非對稱加密更安全。這是因為在使用較小密鑰的非對稱加密中,擁有公鑰實際上使私鑰更容易計算。(這就是為什么我們在非對稱加密中使用更大的密鑰。)
  • 當(dāng)使用較大的密鑰大小(例如2048位密鑰)時,非對稱加密會更安全。這是因為它涉及使用更復(fù)雜的加密過程和兩個單獨的密鑰,而不是單個密鑰的兩個相同副本。

因此,如果并排比較非對稱密鑰對和相同大小(以位計)的對稱密鑰,能夠更輕松地計算非對稱對的私鑰。

然而,非對稱密鑰越大,它們需要的處理能力就越強。這就是為什么在建立加密的網(wǎng)站連接時,我們首先使用非對稱密鑰交換,然后切換到對稱加密來保護(hù)會話。因此,通過這種方式,非對稱加密有助于使對稱加密更加安全。

當(dāng)然,這個答案也取決于當(dāng)時使用的技術(shù)。例如,像RSA這樣的非對稱加密方法非常安全(但也會消耗資源)。使用現(xiàn)代計算機需要非常漫長的時間才能破解這個算法。但是當(dāng)計算機變得更智能、更快、能力更強時會發(fā)生什么呢?

(這便涉及到量子計算帶來的擔(dān)憂了,關(guān)于量子計算對加密產(chǎn)生的一系列影響,后續(xù)我們也將持續(xù)關(guān)注。)

五、寫在最后

當(dāng)然,在實際應(yīng)用中,關(guān)于對稱加密和非對稱加密并不是非此即彼的關(guān)系。他們經(jīng)常以互補的方式存在,這也構(gòu)成了PKI的核心,從而使得通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交換成為可能。

參考資料——
1、《Symmetric vs. Asymmetric – Encryption Made Simple》,來源:Coindoo;
2、《Asymmetric vs Symmetric Encryption: Definitions & Differences》,來源:Hshed Out;
3、《What types of encryption are there?》,來源:Ico ;
4、《The Ultimate Guide to Symmetric Encryption》,來源:Simplilearn;

來源|公開資料
圖源|preyproject
編輯|公鑰密碼開放社區(qū)

重要聲明:本文來自公鑰密碼開放社區(qū),經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載,版權(quán)歸原作者所有,不代表銳成觀點,轉(zhuǎn)載的目的在于傳遞更多知識和信息。

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