24 固若金汤的根本（上）：对称加密与非对称加密

在上一讲中，我们初步学习了HTTPS，知道HTTPS的安全性是由TLS来保证的。

你一定很好奇，它是怎么为HTTP增加了机密性、完整性，身份认证和不可否认等特性的呢？

先说说机密性。它是信息安全的基础，缺乏机密性TLS就会成为“无水之源”“无根之木”。

实现机密性最常用的手段是“加密”（encrypt），就是把消息用某种方式转换成谁也看不懂的乱码，只有掌握特殊“钥匙”的人才能再转换出原始文本。

这里的“钥匙”就叫做“密钥”（key），加密前的消息叫“明文”（plain text/clear text），加密后的乱码叫“密文”（cipher text），使用密钥还原明文的过程叫“解密”（decrypt），是加密的反操作，加密解密的操作过程就是“加密算法”。

所有的加密算法都是公开的，任何人都可以去分析研究，而算法使用的“密钥”则必须保密。那么，这个关键的“密钥”又是什么呢？

由于HTTPS、TLS都运行在计算机上，所以“密钥”就是一长串的数字，但约定俗成的度量单位是“位”（bit），而不是“字节”（byte）。比如，说密钥长度是128，就是16字节的二进制串，密钥长度1024，就是128字节的二进制串。

按照密钥的使用方式，加密可以分为两大类：对称加密和非对称加密。

对称加密

“对称加密”很好理解，就是指加密和解密时使用的密钥都是同一个，是“对称”的。只要保证了密钥的安全，那整个通信过程就可以说具有了机密性。

举个例子，你想要登录某网站，只要事先和它约定好使用一个对称密钥，通信过程中传输的全是用密钥加密后的密文，只有你和网站才能解密。黑客即使能够窃听，看到的也只是乱码，因为没有密钥无法解出明文，所以就实现了机密性。

TLS里有非常多的对称加密算法可供选择，比如RC4、DES、3DES、AES、ChaCha20等，但前三种算法都被认为是不安全的，通常都禁止使用，目前常用的只有AES和ChaCha20。

AES的意思是“高级加密标准”（Advanced Encryption Standard），密钥长度可以是128、192或256。它是DES算法的替代者，安全强度很高，性能也很好，而且有的硬件还会做特殊优化，所以非常流行，是应用最广泛的对称加密算法。

ChaCha20是Google设计的另一种加密算法，密钥长度固定为256位，纯软件运行性能要超过AES，曾经在移动客户端上比较流行，但ARMv8之后也加入了AES硬件优化，所以现在不再具有明显的优势，但仍然算得上是一个不错的算法。

加密分组模式

对称算法还有一个“分组模式”的概念，它可以让算法用固定长度的密钥加密任意长度的明文，把小秘密（即密钥）转化为大秘密（即密文）。

最早有ECB、CBC、CFB、OFB等几种分组模式，但都陆续被发现有安全漏洞，所以现在基本都不怎么用了。最新的分组模式被称为AEAD（Authenticated Encryption with Associated Data），在加密的同时增加了认证的功能，常用的是GCM、CCM和Poly1305。

把上面这些组合起来，就可以得到TLS密码套件中定义的对称加密算法。

比如，AES128-GCM，意思是密钥长度为128位的AES算法，使用的分组模式是GCM；ChaCha20-Poly1305的意思是ChaCha20算法，使用的分组模式是Poly1305。

你可以用实验环境的URI“/24-1”来测试OpenSSL里的AES128-CBC，在URI后用参数“key”“plain”输入密钥和明文，服务器会在响应报文里输出加密解密的结果。

https://www.chrono.com/24-1?key=123456

algo  = aes_128_cbc
plain = hello openssl
enc   = 93a024a94083bc39fb2c2b9f5ce27c09
dec   = hello openssl

非对称加密

对称加密看上去好像完美地实现了机密性，但其中有一个很大的问题：如何把密钥安全地传递给对方，术语叫“密钥交换”。

因为在对称加密算法中只要持有密钥就可以解密。如果你和网站约定的密钥在传递途中被黑客窃取，那他就可以在之后随意解密收发的数据，通信过程也就没有机密性可言了。

这个问题该怎么解决呢？

你或许会说：“把密钥再加密一下发过去就好了”，但传输“加密密钥的密钥”又成了新问题。这就像是“鸡生蛋、蛋生鸡”，可以无限递归下去。只用对称加密算法，是绝对无法解决密钥交换的问题的。

所以，就出现了非对称加密（也叫公钥加密算法）。

它有两个密钥，一个叫“公钥”（public key），一个叫“私钥”（private key）。两个密钥是不同的，“不对称”，公钥可以公开给任何人使用，而私钥必须严格保密。

公钥和私钥有个特别的“单向”性，虽然都可以用来加密解密，但公钥加密后只能用私钥解密，反过来，私钥加密后也只能用公钥解密。

非对称加密可以解决“密钥交换”的问题。网站秘密保管私钥，在网上任意分发公钥，你想要登录网站只要用公钥加密就行了，密文只能由私钥持有者才能解密。而黑客因为没有私钥，所以就无法破解密文。

非对称加密算法的设计要比对称算法难得多，在TLS里只有很少的几种，比如DH、DSA、RSA、ECC等。

RSA可能是其中最著名的一个，几乎可以说是非对称加密的代名词，它的安全性基于“整数分解”的数学难题，使用两个超大素数的乘积作为生成密钥的材料，想要从公钥推算出私钥是非常困难的。

10年前RSA密钥的推荐长度是1024，但随着计算机运算能力的提高，现在1024已经不安全，普遍认为至少要2048位。

ECC（Elliptic Curve Cryptography）是非对称加密里的“后起之秀”，它基于“椭圆曲线离散对数”的数学难题，使用特定的曲线方程和基点生成公钥和私钥，子算法ECDHE用于密钥交换，ECDSA用于数字签名。

目前比较常用的两个曲线是P-256（secp256r1，在OpenSSL称为prime256v1）和x25519。P-256是NIST（美国国家标准技术研究所）和NSA（美国国家安全局）推荐使用的曲线，而x25519被认为是最安全、最快速的曲线。

ECC名字里的“椭圆”经常会引起误解，其实它的曲线并不是椭圆形，只是因为方程很类似计算椭圆周长的公式，实际的形状更像抛物线，比如下面的图就展示了两个简单的椭圆曲线。

两个简单的椭圆曲线：y^2=x3+7，y^2=x3-x

比起RSA，ECC在安全强度和性能上都有明显的优势。160位的ECC相当于1024位的RSA，而224位的ECC则相当于2048位的RSA。因为密钥短，所以相应的计算量、消耗的内存和带宽也就少，加密解密的性能就上去了，对于现在的移动互联网非常有吸引力。

实验环境的URI“/24-2”演示了RSA1024，你在课后可以动手试一下。

混合加密

看到这里，你是不是认为可以抛弃对称加密，只用非对称加密来实现机密性呢？

很遗憾，虽然非对称加密没有“密钥交换”的问题，但因为它们都是基于复杂的数学难题，运算速度很慢，即使是ECC也要比AES差上好几个数量级。如果仅用非对称加密，虽然保证了安全，但通信速度有如乌龟、蜗牛，实用性就变成了零。

实验环境的URI“/24-3”对比了AES和RSA这两种算法的性能，下面列出了一次测试的结果：

aes_128_cbc enc/dec 1000 times : 0.97ms, 13.11MB/s

rsa_1024 enc/dec 1000 times : 138.59ms, 93.80KB/s
rsa_1024/aes ratio = 143.17

rsa_2048 enc/dec 1000 times : 840.35ms, 15.47KB/s
rsa_2048/aes ratio = 868.13

可以看到，RSA的运算速度是非常慢的，2048位的加解密大约是15KB/S（微秒或毫秒级），而AES128则是13MB/S（纳秒级），差了几百倍。

那么，是不是能够把对称加密和非对称加密结合起来呢，两者互相取长补短，即能高效地加密解密，又能安全地密钥交换。

这就是现在TLS里使用的混合加密方式，其实说穿了也很简单：

在通信刚开始的时候使用非对称算法，比如RSA、ECDHE，首先解决密钥交换的问题。

然后用随机数产生对称算法使用的“会话密钥”（session key），再用公钥加密。因为会话密钥很短，通常只有16字节或32字节，所以慢一点也无所谓。

对方拿到密文后用私钥解密，取出会话密钥。这样，双方就实现了对称密钥的安全交换，后续就不再使用非对称加密，全都使用对称加密。

这样混合加密就解决了对称加密算法的密钥交换问题，而且安全和性能兼顾，完美地实现了机密性。

不过这只是“万里长征的第一步”，后面还有完整性、身份认证、不可否认等特性没有实现，所以现在的通信还不是绝对安全，我们下次再说。

小结

加密算法的核心思想是“把一个小秘密（密钥）转化为一个大秘密（密文消息）”，守住了小秘密，也就守住了大秘密；
对称加密只使用一个密钥，运算速度快，密钥必须保密，无法做到安全的密钥交换，常用的有AES和ChaCha20；
非对称加密使用两个密钥：公钥和私钥，公钥可以任意分发而私钥保密，解决了密钥交换问题但速度慢，常用的有RSA和ECC；
把对称加密和非对称加密结合起来就得到了“又好又快”的混合加密，也就是TLS里使用的加密方式。

课下作业

加密算法中“密钥”的名字很形象，你能试着用现实中的锁和钥匙来比喻一下吗？
在混合加密中用到了公钥加密，因为只能由私钥解密。那么反过来，私钥加密后任何人都可以用公钥解密，这有什么用呢？

欢迎你把自己的学习体会写在留言区，与我和其他同学一起讨论。如果你觉得有所收获，也欢迎把文章分享给你的朋友。

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精选留言（15）

xiaolin777 👍（78） 💬（3）
老师，今天面试官问我非对称加密为什么慢，非对称加密除了慢外还有什么缺点，您能帮我解答一下吗？
2019-09-19

TerryGoForIt 👍（57） 💬（2）
简单来说，SSL 就是通信双方通过非对称加密协商出一个用于对称加密的密钥。
2019-07-22

-W.LI- 👍（41） 💬（3）
混合加密:用非对称加密，加密对称加密的私钥。对称加密的私钥又是会话级的随机数=一次会话一个私钥。就算别人baoli破解也只是破解了一个会话。
2019-07-22

鱼向北游 👍（38） 💬（2）
私钥加密用公钥解是为了做身份认证，不可抵赖，因为默认私钥只有持有人知道
2019-07-22

啦啦啦 👍（30） 💬（7）
今天刚看了另外一个课程的老师讲的，密钥，在这个词里念mi yue
2019-12-12

前端西瓜哥 👍（26） 💬（1）
思考题第1题：（这里举个比较勉强的例子）假设 a 持有私钥，b 持有公钥，然后他们用一个加了锁的盒子进行通信。 1. a 把信件放到盒子里，然后用一排连接为锁链的锁将盒子锁起来，然后寄给 b。只要公钥能解开其中一个锁，那对方就能拿到信件。（可能换成能识别具有某些特征密码的密码锁的比喻会更好一些） 2. b 用公钥开锁拿到了信件，然后他写了一封回信，同样放到盒子里，然后挂上一个只有私钥才能打开的锁，寄给 a。 3. 只有 a 有有对应的钥匙（私钥），于是 a 拿到了回信。思考题第2题不是很清楚题意，大概是问只要有公钥就能解密，私钥有什么意义？答：虽然任何公钥都可以对私钥加密的数据解密，但这个解密后的数据如果是某个公钥持有人用自己私有的密钥加密（对称加密）后的加密数据，那其他人拿到是加密后的数据，无法得到真正的数据，于是可以保证机密性。
2019-07-25

青莲居士 👍（20） 💬（5）
老师，你好，我不明白对称加密为啥会有密钥交换的过程，对称加密就一个密钥，客户端服务端各保存一份就可以了，为啥要传输交换呢？
2019-08-02

蚂蚁内推+v 👍（20） 💬（1）
加密的分组模式，是怎么实现的，具体怎么做，这块不是很理解。方便老师指导下不
2019-07-22

Geek_66666 👍（19） 💬（2）
在实际传输过程中，大家（包括其他人）怎么知道双方通信用的哪个公钥，是传输过程公开的，大家都可以获取看到的吗？如果大家都知道了，用私钥加密的内容都能被别人用公钥解密，这部分内容是不是不安全？
2019-08-25

钱 👍（14） 💬（3）
1：加密算法中“密钥”的名字很形象，你能试着用现实中的锁和钥匙来比喻一下吗？没有锁的大门是不安全的，谁想进就进，谁想拿的啥就拿点啥，就好像在网络中奔跑的HTTP报文。为了安全性需要给明文加密，同样为了安全性需要给大门上锁，加密的明文变成了密文，没有没有解密是看不懂的，没有钥匙的人打不开锁是进不了门的。一把钥匙一把锁，其他钥匙开不了，这就是对称加密。一把钥匙锁门，N把其他的钥匙都能打开，这就是非对称加密，那那把锁门的钥匙有啥用呢？可以证明这个院子是我的，证明锁是我上的。 2：在混合加密中用到了公钥加密，因为只能由私钥解密。那么反过来，私钥加密后任何人都可以用公钥解密，这有什么用呢？第一眼感觉好像没啥用，后来发现可以凭支票去银行取钱。数字签名和身份认证，也是相当有用。这节很有意思。对称加密、非对称加密、混合加密，对于加密二字很容易理解，对于明文都能看懂，加密就是通过一些步骤把明文变密文，让人看不懂，只有使用密钥解密一下，密文变明文了大家又都能看懂了。那啥是对称？啥是非对称？啥是混合？对称强调A钥匙加密只有A钥匙能解码非对称强调A钥匙加密后只有B钥匙能解密，B钥匙加密后只有A钥匙能解码。这个感觉好神奇，就好像我上锁后谁都能打开，上锁是没用的只能证明锁是我上的。混合强调非对称和对称的组合使用，非对称用于密钥交换，对称用于数据的安全传输。
2020-03-30

allen 👍（14） 💬（3）
非对称加密通信的时候是不是会互相把自己的公钥发给对方？
2019-08-23

Demon.Lee 👍（12） 💬（1）
非对称加密可以解决“密钥交换”的问题。网站秘密保管私钥，在网上任意分发公钥，你想要登录网站只要用公钥加密就行了，密文只能由私钥持有者才能解密。而黑客因为没有私钥，所以就无法破解密文。 ------------------------ 有留言说：非对称加密通信的时候是互相把自己的公钥发给对方 ------------------------- 老师，有点糊涂，到底这个非对称加密是一个有公钥一个有私钥，还是都有公私钥？
2019-10-19

周曙光爱学习 👍（10） 💬（1）
老师你好，看到回复中有同学说每次https请求都需要走一次完整流程，即先通过非对称加密获取对称加密的秘钥，然后再用对称加密秘钥解密数据，这种说法不准确吧？因为是长链接，只要这个链接不断，不管多少次请求，这个对称加密应该都是同一个吧？只有链接断开重新建连才需要走一遍完整流程？求老师解答
2019-12-16

Geek_steven_wang 👍（10） 💬（2）
分组模式：DES和AES都属于分组密码，它们只能加密固定长度的明文。如果需要加密任意长度的明文，就需要对分组密码进行迭代，而分组密码的迭代方法就称为分组密码的“模式”。主要模式： ECB模式：Electronic Code Book mode（电子密码本模式） CBC模式：Cipher Block Chaining mode（密码分组链接模式）（推荐使用） CFB模式：Cipher FeedBack mode（密文反馈模式） OFB模式：Output FeedBack mode（输出反馈模式） CTR模式：CounTeR mode（计数器模式）（推荐使用）
2019-08-24

首富手记 👍（6） 💬（2）
我又总结了下。HTTPS加密过程，HTTPS采用混合加密算法，即对称加密、和非对称加密通信前准备工作：申请域名对应的证书，并将其部署在Nginx服务器中。 1) 第一步客户端向服务端发送 Client Hello 消息，这个消息里包含了一个客户端生成的随机数 Random1、客户端支持的加密套件和客户端支持TLS协议版本等信息。 2) 服务端会向客户端发送 Server Hello 消息。返回自己的公钥证书、挑选一个合适的加密套件、另外还会生成一份随机数 Random2推送给客户端。至此客户端和服务端都拥有了两个随机数（Random1+ Random2） 3) 客户端收到服务端传来的公钥证书后，先从 CA 验证该证书的合法性（CA公钥去解密公钥证书），验证通过后取出证书中的服务端公钥，再生成一个随机数 Random3，再用服务端公钥非对称加密 Random3。 4) 服务端用自己的私钥解出客户端生成的 Random3。至此，客户端和服务端都拥有 Random1 + Random2 + Random3，两边根据同样的算法生成一份秘钥，握手结束后的应用层数据都是使用这个秘钥进行对称加密。
2021-05-18