密碼學常用名詞深度解析：從基礎概念到實戰應用
密碼學是信息安全的基石，但其專業術語常令人望而生畏。本文系統梳理密碼學領域的核心名詞，結合技術原理、實際應用與攻擊場景，幫助開發者快速構建密碼學知識框架。文中代碼示例基于Python和OpenSSL，可直接用于工程實踐。
一、對稱加密（Symmetric Cryptography）
定義：加密與解密使用相同密鑰的算法，核心優勢是速度快，適用于大數據量加密。
1. AES（Advanced Encryption Standard）
- 原理：基于置換-置換網絡（SPN），支持128/192/256位密鑰，分組長度固定128位。
- 模式：
- ECB模式：相同明文生成相同密文，易被模式攻擊（如圖像加密后輪廓可見）。
- CBC模式：引入初始化向量（IV），通過異或運算破壞明文規律。
- Python示例：
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers import Cipher, algorithms, modes key = os.urandom(32) # 256-bit密鑰 iv = os.urandom(16) cipher = Cipher(algorithms.AES(key), modes.CBC(iv)) encryptor = cipher.encryptor() ciphertext = encryptor.update(b"Secret Data") + encryptor.finalize()
2. DES與3DES
- DES：56位密鑰已被暴力破解（1998年EFF的Deep Crack僅用56小時）。
- 3DES：三重DES加密（加密-解密-加密），密鑰長度168位，但速度僅為AES的1/10。
攻擊場景：
- 中間人攻擊（MITM）：竊聽密鑰交換過程（如未使用TLS的HTTP）。
- 側信道攻擊：通過功耗、電磁輻射推測密鑰（需物理接觸設備）。
二、非對稱加密（Asymmetric Cryptography）
定義：使用公鑰加密、私鑰解密的算法，解決密鑰分發難題。
1. RSA（Rivest-Shamir-Adleman）
- 數學基礎：大整數分解難題（n = p*q，已知n難以反推p和q）。
- 密鑰生成：
openssl genpkey -algorithm RSA -out private.pem -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048 openssl rsa -pubout -in private.pem -out public.pem - 弱點：
- 密鑰長度需≥2048位（3072位推薦用于高安全場景）。
- 量子計算機威脅（Shor算法可快速分解大整數）。
2. ECC（Elliptic Curve Cryptography）
- 優勢：相同安全強度下，密鑰長度比RSA短（256位ECC ≈ 3072位RSA）。
- 曲線選擇：NIST P-256、Curve25519（避免使用非標準曲線如NSA的Dual_EC后門事件）。
應用對比：
| 場景 | 推薦算法 | 理由 |
|---|---|---|
| HTTPS證書 | RSA/ECC | 兼容性與性能平衡 |
| 物聯網設備 | ECC | 低功耗、小存儲需求 |
| 區塊鏈地址 | ECDSA | 短簽名長度，適合UTXO模型 |
三、哈希函數（Hash Function）
定義：將任意長度輸入映射為固定長度輸出的單向函數。
1. SHA-256
- 特性：抗碰撞性（無法找到兩個不同輸入產生相同哈希）。
- 區塊鏈應用：比特幣的PoW機制依賴SHA-256計算難度。
2. HMAC（Hash-based MAC）
- 原理：帶密鑰的哈希，防止篡改（如API簽名驗證）。
import hmac key = b'secret' message = b'data' digest = hmac.new(key, message, digestmod='sha256').hexdigest()
攻擊防御：
- 彩虹表攻擊：通過加鹽（Salt）增加預計算難度。
- 長度擴展攻擊：使用HMAC替代裸哈希。
四、核心協議與擴展概念
1. Diffie-Hellman密鑰交換
- 數學原理：基于離散對數難題，雙方通過公開交換生成共享密鑰。
- 前向安全性：使用臨時DH參數（Ephemeral Diffie-Hellman），即使長期密鑰泄露，歷史通信仍安全。
2. 數字簽名（Digital Signature）
- 流程：
- 發送方用私鑰對消息哈希值加密生成簽名。
- 接收方用公鑰解密簽名，與消息哈希比對驗證完整性。
- 算法選擇：EdDSA（Ed25519）比RSA簽名速度快10倍以上。
3. 零知識證明（Zero-Knowledge Proof）
- 經典案例：zk-SNARKs在Zcash中的應用，證明交易有效而不泄露地址與金額。
- 三要素：完備性、可靠性、零知識性。
五、前沿技術：后量子密碼學
威脅：量子計算機可破解RSA/ECC/DH等現行算法。
應對方案：
- NIST后量子標準候選算法：
- CRYSTALS-Kyber（基于格的密鑰封裝）
- Falcon（基于格的數字簽名）
- 量子密鑰分發（QKD）：BB84協議利用光子偏振態實現信息論安全的密鑰交換。
六、開發者安全實踐清單
- 密鑰管理：使用硬件安全模塊（HSM）或KMS服務，禁止硬編碼密鑰。
- 算法選擇：優先選用AES-GCM、ChaCha20-Poly1305、Ed25519等現代算法。
- 協議更新：禁用SSLv3、TLS 1.0，強制使用TLS 1.3。
- 隨機數生成：避免使用偽隨機種子（如時間戳），使用
/dev/urandom或CSPRNG。
結語
密碼學名詞背后是復雜數學與工程實踐的結晶。理解這些術語不僅有助于閱讀技術文檔，更能指導安全系統的設計與漏洞排查。在量子計算與AI攻擊的新時代，持續關注密碼學演進將成為開發者的必修課。
延伸閱讀：
- NIST后量子密碼標準化項目
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