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各种类型的加密算法及其作用 加密算法可分为三大类，涉及机密性、身份验证（验证消息来源）、不可抵赖性（证明发送方创建了加密或签名的消息）和完整性等基本安全原则： - 对称密钥算法，即算法或加密法使用相同的密钥，将人类可读的（明文）消息加密为受保护的版本（密文），之后再将密文解密为明文。对称密钥加密法通常用于确保机密性。常见的对称加密算法包括：
- Triple DES（一种数据加密标准），又称为 3DES，或由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 正式命名的三重数据加密算法 (TDEA)。
- 高级加密标准 (AES)[2] 算法，例如使用 256 位密钥的 AES-256。
- 非对称密钥算法，即加密法使用一组成对的私钥和公钥对消息进行加密和解密，通常作为密钥协议和数字签名安全扩展协议的一部分。非对称加密法通常用于确保机密性、身份验证或不可抵赖性。公钥加密算法包括：
- 使用有限域加密 (FFC) 的算法，包括：
- 联邦信息处理标准 (FIPS) 数字签名算法 (DSA)
- 互联网工程任务组 (IETF) Diffie-Hellman (DH)[3] 密钥交换
- 使用整数分解加密 (IFC) 的算法，包括：
- Rivest-Shamir-Adleman (RSA)[4] 算法
- 使用椭圆曲线加密 (ECC) 的算法，包括：
- 椭圆曲线 Diffie-Hellman (ECDH)[5] 密钥交换
- 椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA)[6]
- 哈希算法，此算法将原始消息缩减为一个很短且长度固定的唯一值，常称为哈希值、摘要或签名。这种单向转换函数在验证消息是否遭到窜改（完整性）方面扮演重要角色，可应用于涉及消息验证码 (MAC)、密钥哈希消息验证码 (HMAC) 或密钥派生函数 (KDF) 等的多种协议。加密哈希算法包括：
- 消息摘要 5 (MD5)
- 安全哈希算法 (SHA)[7]，例如将消息转换成 256 位哈希值的 SHA-256。
与所有有效的加密算法一样，上述算法的设计也需遵循多个关键要求，本文碍于篇幅，无法详细列出。但从广义角度来看，基于密钥的算法需要生成的密文几乎无法在无密钥的情况下解密（至少从经济角度来说不可行）。哈希算法必须快速生成哈希值：将相同的输入消息转换成相同的哈希值，但对于哪怕只是有细微变化的输入消息，也要生成截然不同的哈希值；并且，绝不会将两条不同消息转换成相同的哈希值，也不会因给定了特定的哈希值而生成原始消息。 尽管这些算法及其他加密算法在细节上有极大差异，但都仰赖一系列专门设计的低级操作、转换和其他数**算，以便达成整体目标。例如，AES 加密法使用一系列“回合”将明文转换为密文，每个“回合”都会由用户原始密钥产生唯一的“回合密钥”，并将其与原矩阵合并（清单 1）。
Cipher(byte in[4*Nb], byte out[4*Nb], word w[Nb*(Nr+1)])
begin
byte state[4,Nb]
state = in
AddRoundKey(state, w[0, Nb-1])
for round = 1 step 1 to Nr–1
SubBytes(state)
ShiftRows(state)
MixColumns(state)
AddRoundKey(state, w[round*Nb, (round+1)*Nb-1])
end for
SubBytes(state)
ShiftRows(state)
AddRoundKey(state, w[Nr*Nb, (Nr+1)*Nb-1])
out = state
end
清单 1：这段伪代码说明了消息加密中涉及的操作序列，此序列使用一组由发送方私钥派生的值 (w)，将明文 (in) 转换为密文 (out)。（代码来源：NIST） 在一个回合中，SubBytes() 转换使用替换表 (S-box) 替换每个字节，替换表本身也是一系列转换的结果（图 1）。
图 1：在 AES 加密法中，SubBytes() 阶段使用替换表 (S-Box) 替换每个字节。（图片来源：NIST） 在序列的下一步中，ShiftRows() 转换将后三行中的字节移位，且每行移动不同的字节数（图 2）。
图 2：AES 加密法执行序列中的 ShiftRows() 阶段通过增加偏移量来对行进行移位。（图片来源：NIST） 在序列的最后步骤中，MixColumns() 对每一列进行转换，用多项式的结果替换列中的每个字节；然后 AddRoundKey() 使用专为此目的创建的回合密钥，与各混合列中的字节进行按位异或 (XOR) 运算以转换结果。 回合总数因密钥大小而异。AES-128 使用 128 位密钥，需要 10 个回合，而 AES-192（密钥大小为 192 位）及 AES-256（256 位）分别需要 12 和 14 个回合。解密遵循相同的模式，只是反向执行各过程步骤及其各自的转换。 用于密钥交换的 ECDH 和用于数字签名的 ECDSA 等最新加密法依赖于更复杂的数**算，例如由以下公式广泛定义的椭圆曲线代数结构：  公式 1通过慎重选择曲线参数 a 和 b 并使用其他约束条件，该曲线将显示出有用的加密属性（同样，本文无法详述）。虽然概念简单，但特定的参数组合至关重要：曲线参数选择不当会导致算法仍然无法抵御复杂的攻击。为了帮助消除这种可能性，NIST 提供了一组具有强鲁棒性的标准加密曲线，包括 P-192、P-224、P-256 和鲁棒性更强的其他曲线。曲线名称与曲线的底层素域中元素的素数 p 的位长相对应。 开发人员可使用这些属性结合 ECDSA，利用确定的曲线对部分消息进行签名，并将公钥和签名（一对标示为 r 和 s 的数字）提供给接收方。实际的签名过程包含以下步骤： - 首先，算法在曲线上选取某个点，称为基点 G(x,y)，再将基点与开发人员的私钥 (d) 模 p 相乘，以生成公钥 Q(x,y)：
 公式 2- 然后，在值域 [1 ... n-1] 中选取随机数 k 以产生另一个坐标点 (x1,y1)：
 公式 3- 这样，即可生成消息 m 的 SHA 哈希值 H(m)
- 最后，使用随机数 k 的模逆元 k-1，生成数字签名的最终 r 和 s 分量，如下所示：
 公式 4 公式 5最终结果可以互换，用于验证消息、确认消息完整性，并确保不可抵赖性。
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