第二讲 密码学基础回顾：对称加密，非对称加密，哈希函数

密码学听起来离我们很远，但核心就那么几块。说白了，密钥边界设计就是研究“钥匙该放哪、怎么用、谁来管”，绕不开这些老伙计。

我这些年做密钥管理，踩过最大的坑就是：把密码学工具当成黑盒，读完文档就往上堆。结果呢？线上爆过内存泄露，也出过密钥混淆。嗯，今天咱们先打好底。

2.1 对称加密：一把钥匙开一把锁

对称加密，加解密用的是同一把密钥。就好比你用同一把钥匙锁门和开门。速度极快，适合加密大量数据。

常见的对称算法大致分两类：

• 分组密码：AES、SM4、DES。把明文切成固定大小的块，一块一块加密。AES 的密钥长度可选 128/192/256，现在行业最低标准是 AES-128。
• 流密码：ChaCha20、RC4。逐字节或逐位加密，适合数据流场景。我曾在物联网项目中用过 ChaCha20，资源消耗比 AES 小很多。

用 Python 写个 AES-CBC 的例子，感受一下：

from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Util.Padding import pad, unpad
import os

key = os.urandom(32)  # 256 位密钥
iv = os.urandom(16)   # 初始向量

cipher = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
plaintext = b"密钥边界设计实战"
ciphertext = cipher.encrypt(pad(plaintext, AES.block_size))

# 解密
cipher2 = AES.new(key, AES.MODE_CBC, iv)
decrypted = unpad(cipher2.decrypt(ciphertext), AES.block_size)
print(decrypted.decode())  # 密钥边界设计实战

2.2 非对称加密：公钥私钥两把锁

非对称加密，一对密钥：公钥公开，私钥保密。公钥加密的，只有对应的私钥能解；反过来，私钥签名，公钥验证。

你想想看，如果两个人初次通信，怎么安全地交换对称密钥？用非对称加密来传输密钥就解决了。这就是密钥分发的经典场景。

RSA 的密钥生成过程我简单写一下，让你有手感：

from Crypto.PublicKey import RSA

# 生成 2048 位 RSA 密钥对
key = RSA.generate(2048)

private_key = key.export_key()
public_key = key.publickey().export_key()

print(private_key.decode()[:100] + "...")  # 打印前 100 字符示意

这里有个避坑点。我曾经在金融项目里用 RSA-OAEP 加密，结果忘了检查密钥对的匹配性。上线后有一部分数据用错了公钥，恢复不了。后来我强制在存储前做一次加解密自检。

2.3 哈希函数：不可逆的数字指纹

哈希函数不是加密算法，它没有密钥。输入任意长度，输出固定长度（比如 SHA-256 输出 256 位）。关键性质：

1. 单向性：从哈希值几乎不可逆推原消息。
2. 抗碰撞性：极难找到两个不同输入产生相同哈希值。
3. 雪崩效应：输入改一个比特，输出翻转一半以上。

哈希在密钥边界设计里经常用在几个地方：

• 完整性校验：验证数据在传输或存储中是否被篡改。
• 口令存储：服务端不存明文密码，存哈希值。注意要用加盐（salt）的慢哈希（如 bcrypt、Argon2）。
• 密钥派生：通过 PBKDF2、HKDF 从密码学上安全的种子派生出多个子密钥。

看个简单的 SHA-256 例子：

import hashlib

data = "密钥边界设计"
hash_obj = hashlib.sha256(data.encode())
print(hash_obj.hexdigest())
# 输出类似 d2e8...（64 位十六进制）

我参与过一个审计系统，用了 SHA-1 做日志完整性校验。后来安全团队扫描发现风险，我们全部替换为 SHA-256。那段时间加班调接口，真是教训。

2.4 混合加密：三者协作

实际项目里不会只用一种，而是混合使用。典型流程：

1. 发送方用 非对称加密 传递一次性的会话密钥。
2. 双方用这个会话密钥做 对称加密 加密业务数据。
3. 同时用 哈希函数 计算数据摘要，实现完整性校验。

HTTPS 的 TLS 握手就是这么干的。你想想看，没有哈希保证完整性，攻击者可以篡改密文然后在应用层搞破坏。