密码学算法类型及协议介绍

密码学历史悠久，相关技术的应用日渐普及，从军事领域，逐 步扩展到商业领域，并渗透到现代社会的各行各业，不断发展演进， 为人们的生产和生活方式提供信息安全保障。

传统意义上，密码学 算法主要包括对称算法、非对称算法和杂凑算法等。表 1 给出了部 分经典密码算法及其国际、国密标准。 对称密码算法，又称私钥密码算法，其特点为通信双方使用相 同的密钥进行数据加密和解密，且由于对称密码加解密操作性 能高效，常用于数据加密传输、数据库加密存储等场景，保障 数据机密性。 非对称密码算法，又称公钥密码算法，其特点为通信双方使用 一对不同的密钥（公/私钥对），其中公钥用于加密信息，私钥 用于解密信息。虽然其加解密性能不及对称密码算法，但由于 其私钥无需共享，因而给传统密码学带来了更多丰富应用，常 用于生成短期的对称会话密钥、安全证书、数字签名等场景， 实现身份验证、数据保密等关键功能。 杂凑算法（杂凑函数），又称散列函数或哈希函数，指将任意 长度的数字消息映射成固定长度数字串的函数，常用于密码存 储、数据完整性校验等功能。

对称密码保障机密性和完整性。信息系统发展的早期，密码学 应用的主要关注点在于保障安全的通信[17]。敏感信息在通过公共互 联网进行传输时可能会遭到恶意攻击者的窃听，因而产生了机密性 的需求，即数据通信过程中只被合法的通信方获取，而向未经授权 的第三方隐藏。在这一背景下，密码学家设计了各种对称加密算法 （例如 AES、ZUC、SM4 等），通过将信息转化为只有授权方能解密 的形式保障了机密性 (Confidentiality)。除此之外，实现机密性并不 足以确保信息的安全，因为攻击者还可能对密文进行恶意篡改，如直接删除部分信息，且接收方可能无法察觉这一恶意行为，因此， 保障数据的完整性同样重要，其强调在通信过程中，可未经授权 的第三方不得对数据进行非法篡改或伪造。杂凑算法（例如 SHA、 SM3 等）使用密钥为数据生成固定长度的标识，由拥有相同密钥的 另一方进行完整性验证，即可保障数据的完整性 (Integrity)。

公钥密码拓展身份的可认证性。对称密码算法的密钥需要一对 一发放，因此在不安全的信道中安全传输对称密钥成为关键挑战。 公钥密码算法应运而生（例如 RSA、ECC、SM2 等），建立在一系 列数学困难问题所构成的陷门单向函数上。一方面，为对称密码学 的广泛应用提供密钥交换等重要支撑；另一方面，通过将陷门设置 为私钥，保障不掌握私钥中陷门信息的任何敌手都无法获得明文信 息，拓展了更多应用场景。由于互联网信息的匿名性，恶意的中间 人可冒充通信方身份窃取隐私，因此身份认证也同样重要。数字签 名算法与公钥加密算法的原理类似，使用私钥用于签名，公开的密 钥用于验证。结合可信的证书颁发机构（CA）提供的公钥、身份、 有效期等信息，只要通信方能提供通过验证的经过 CA 签名的各自 身份对应的证书，即可实现通信的可认证性 (Authenticity)。

综合运用上述密码算法，可以设计各种类型的密码协议（又称 安全协议），完成两方或多方参与者的特定任务并满足数据机密性、 完整性、不可否认性等安全需求。常见的密码协议，如 SSL/TLS、 SSH、PKI 等，为数据安全和系统可靠性提供了不可或缺的保障。

TLS/SSL(Secure Sockets Layer) 协议综合使用加密算法、杂 凑算法、数字签名算法等多种传统密码技术，为客户端和服务器之 间的网络通信提供数据加密与身份认证的重要功能。其自身经过多 次升级优化，最终更新并改名为 TLS (transport layer security)。TLS 传输协议位于不安全的 TCP/IP 等底层网络通信协议之上，其中握 手协议进行身份认证与共享密钥的协商，记录协议保证通信数据 的机密性与完整性。实际中，多种上层应用建立在 TLS 的服务之 上。例如，HTTPS (HTTP over TLS) 基于 TLS 协议，为 HTTP 协 议增加了安全性，已广泛应用于万维网服务器，Chrome、Internet Explorer 等常见浏览器都支持 HTTPS 协议[17]。

SSH(Secure SHell) 协议主要用于在不安全网络上实现安全 远程登录和数据传输。在 SSH 协议出现之前，常用的远程连接协 议，如 Telnet 和 Rlogin，主要使用基于口令的身份验证方式。谁拥 有正确的用户名和口令，谁就可以登录到远程主机，因此，缺乏针 对中间人攻击的有效保护。SSH 协议通过采用多种身份验证方式， 包括密码认证、基于公钥的认证和基于证书的认证，确保用户的合 法性并防止未经授权的访问。同时，它使用对称加密（如 AES）和 非对称加密（如 RSA）技术，保障数据在传输过程中的机密性和完 整性。SSH 协议一个广泛应用的开源实现是 OpenSSH，已被集成 到各种 Linux 发行版中，用于系统管理和安全文件传输。通过提供 对中间人攻击和数据篡改的防护，SSH 为远程登录和数据传输提供 了可靠的安全保障，使其成为现代网络安全不可或缺的一部分。

PKI(Public Key Infrastructure) 是一种遵循公钥密码理论和 技术为电子商务等业务提供普适性安全服务平台的基础设施。在 PKI 系统中，由 CA 签发数字证书、绑定用户的身份信息和公钥。 PKI 依赖方 (Relying Party) 在使用 PKI 时，预先存储自己信任的根 CA 的自签名证书，以便验证由该 CA 签发的证书的真实性和有效 性，可信地获得与之通信用户的公钥，用于各种安全服务。X.509 是公钥证书的格式标准。X.509 证书已应用在包括 TLS/SSL 在内 的众多网络协议里，同时它也用在很多非在线应用场景里，比如电 子签名服务。X.509 证书里含有公钥、身份信息（比如网络主机名， 组织的名称或个体名称等）和签名信息（可以是证书签发机构 CA 的签名，也可以是自签名）。