第一章 密码学基础：对称加密、非对称加密与哈希函数

说到密码学，很多人第一反应就是“加解密”。其实它远不止这些。我做了十年安全，最深的体会是：密码学是信任的数学基石。你想想看，互联网上两个陌生人怎么互相信任对方没改过数据？靠的就是这三类工具：对称加密、非对称加密、哈希函数。

这一章我们不讲复杂的数学公式，而是用工程师的直觉去理解它们到底解决了什么问题。

1.1 对称加密 —— 一把钥匙开一把锁

对称加密，说白了就是加密和解密用同一个密钥。你家里门锁的钥匙就是对称的——你用同一把钥匙锁门、开门。

常见的对称算法有 AES、DES、3DES、SM4（国密）。现在实际项目里几乎只用 AES-256，DES 早就不推荐了。

看一个简单的 AES 加密例子（Python 用 cryptography 库）：

from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM
import os

key = AESGCM.generate_key(bit_length=256)   # 生成 256 位密钥
nonce = os.urandom(12)                      # 随机 nonce，12 字节
aesgcm = AESGCM(key)

plaintext = b"Hello, Key Boundary!"
ciphertext = aesgcm.encrypt(nonce, plaintext, None)
print(ciphertext.hex())

1.2 非对称加密 —— 公钥私钥，各司其职

非对称加密有两个钥匙：公钥可以公开，私钥只有自己知道。你拿公钥加密的数据，只有私钥能解开；反过来，私钥签名，公钥验签。

我遇到过最惊险的一次：客户的 HTTPS 证书私钥被运维误删了。幸好备份在离线 HSM 里，不然整个电商平台都得瘫痪。所以记住：私钥一旦泄露，整个信任体系就崩了。

主流算法：

• RSA：经典但慢，2048 位起步，4096 位更安全。
• ECC（椭圆曲线）：更短的密钥达到相同安全级别，推荐 Curve25519 或 P-256。
• SM2：国密标准，基于 ECC。

举个 ECC 加密的例子（Elliptic Curve Integrated Encryption Scheme，ECIES）：

from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import ec
from cryptography.hazmat.primitives import serialization

private_key = ec.generate_private_key(ec.SECP256R1())
public_key = private_key.public_key()

# 公钥序列化后发给对方
pub_bytes = public_key.public_bytes(
    encoding=serialization.Encoding.PEM,
    format=serialization.PublicFormat.SubjectPublicKeyInfo
)

1.3 哈希函数 —— 数据的数字指纹

哈希函数把任意长度的数据变成固定长度的“摘要”。它不可逆，而且哪怕只改一个比特，摘要就完全不同。

我用哈希最多的场景是：校验文件完整性、密码存储、数字签名。

用 Python 算个 SHA-256 看看：

import hashlib

data = b"Key Boundary Blue Book"
digest = hashlib.sha256(data).hexdigest()
print(digest)
# 输出：e3b0c44298fc1c149afbf4c8996fb924...

1.4 三者的核心逻辑与关系

我习惯把这三者画成一个框架图。你跟着过一遍，以后看任何密码系统都能对号入座。

1.5 实际项目中的避坑清单

我整理了一些自己踩过的坑，你以后大概率也会遇到：

• 不要在 ECB 模式下用对称加密——相同明文块会产生相同密文块，泄露结构。我当年给客户做数据库列加密，差点用 ECB，幸好 review 时被同事发现。
• 不要用 RSA 直接加密长数据——RSA 最多加密密钥长度减 11 字节（比如 2048 位 RSA 只能加密 245 字节），更长的数据要用混合加密。
• 哈希不能代替密码存储的加盐——直接对密码做 SHA-256，撞库一秒出结果。一定要用 bcrypt/scrypt/Argon2 这些慢哈希，并且每用户随机盐。
• 不要自己实现密码算法——我见过有人手写 AES，性能差还容易出侧信道漏洞。用成熟的库（OpenSSL, libsodium, cryptography）就好。

1.6 本章知识结构速查