密碼學 - 加密演算法

加密演算法將資訊轉換為密文。該演算法使用加密金鑰以可預測的方式轉換資料，並將資料轉換為看起來隨機的密文，但可以使用解密金鑰將其轉換回明文。在上一章中，我們瞭解了資料加密是什麼，本章我們將瞭解加密演算法。

加密演算法分類

根據加密演算法的操作、金鑰長度和用途，可以將其分為不同的類別。主要分類如下：

• 對稱加密 - 這種加密使用同一個金鑰進行加密和解密。例如，使用同一個金鑰對 zip 檔案進行加密和解密。由於金鑰需要對外部保密，對稱加密有時被稱為“秘密金鑰”加密。常用的對稱加密演算法包括 DES、AES 和 Blowfish。
• 非對稱加密（公鑰加密） - 公鑰加密或非對稱加密使用公鑰-私鑰對，其中使用公鑰加密的資料只能使用私鑰解密。非對稱加密部分由 TLS（或 SSL）協議使用，該協議支援 HTTPS。常見的非對稱加密演算法包括 RSA 和 ECC。
• 雜湊函式 - 雜湊函式是從給定資料生成特定字元集（雜湊值）的工具。這些雜湊值是不可逆的，因此無法從雜湊值恢復原始資訊。雜湊函式通常用於驗證資料完整性。常用的例子包括 SHA-256 和 MD5。
• 分組密碼和流密碼 - 對稱金鑰方法提供兩種主要形式：分組密碼和流密碼。兩種密碼都使用相同的金鑰來加密和解密資料。流密碼逐位處理資料，而分組密碼則處理固定大小的資料塊。
• 金鑰長度 - 金鑰長度通常以位元數的對數形式給出。例如，3 位金鑰長度可以使用 8 個不同的金鑰 (2 x 2 x 2 = 8)。金鑰長度越大，資料通常被認為越安全。金鑰長度是一個加密安全標準，它根據協議和演算法而有所不同。
• 用途 - 加密演算法的用途可以根據其具體的應用進行分類，例如保護網際網路上的資料傳輸 (SSL/TLS)、保護儲存資料（磁碟加密）以及保護各種程式中的通訊（例如用於加密電子郵件的 PGP）。

加密演算法型別

下圖顯示了一些根據分類列出的加密演算法型別名稱：

對稱加密演算法

如上圖所示，常用的對稱加密演算法包括資料加密標準 (DES)、高階加密標準 (AES)、三重 DES (3DES)、Blowfish、Twofish、IDEA（國際資料加密演算法）和 RC4（Rivest 密碼 4）。下面我們將簡要討論這些加密技術。

• 資料加密標準 (DES) - 資料加密標準 (DES) 是一種使用單個金鑰來保護數字資料的加密型別。雖然由於其 56 位的短金鑰長度，它可能不如當前方法安全，但它在密碼學的發展中發揮了至關重要的作用。
• 高階加密標準 (AES) - 高階加密標準 (AES) 是一種對稱分組密碼，美國政府使用它來保護機密資料。AES 在全球範圍內廣泛用於軟體和硬體中，用於加密重要資訊。它在政府計算機安全、網路安全和電子資料保護中發揮著至關重要的作用。
• 三重 DES (3DES) - 三重資料加密標準 (3DES) 是密碼學中的一種標準，它使用固定長度的金鑰，並涉及三次 DES 演算法的傳遞。它是一種基於對稱分組密碼的加密方法，這意味著傳送方和接收方共享相同的金鑰進行加密和解密。
• Blowfish - Blowfish 是一種加密方法，旨在取代 DES。它將訊息分成 64 位塊並相應地進行加密。Blowfish 以其速度、靈活性和優異的安全效能而聞名，使其成為保護電子商務網站、銀行交易和密碼管理應用程式的流行選擇。Blowfish 在開發者中非常流行，部分原因是它是公共領域的並且可以免費使用。
• Twofish - Twofish 是 Blowfish 的繼任者，它也使用對稱加密來解密 128 位資料塊，無需許可證。與其他演算法不同，Twofish 始終以 16 輪加密資料，而不管金鑰大小如何。這使得它適用於軟體和硬體環境，並且以其快速效能而聞名。許多組織使用 Twofish 來進行安全的資料通訊和保護。
• RC4 - RC4 是一種具有可變長度金鑰演算法的流密碼。該演算法一次加密一個位元組（或更大的資料單元）。金鑰輸入是一個偽隨機位生成器，它建立一個 8 位數字流，在不知道輸入金鑰的情況下是不可預測的。生成器的輸出，稱為金鑰流，使用 X-OR 運算與明文流密碼逐位元組混合。
• IDEA - 國際資料加密演算法 (IDEA) 是對稱金鑰分組密碼加密的一個例子。IDEA 使用 128 位金鑰，並處理 64 位塊。基本上，它將 64 位的明文塊轉換為 64 位的密文塊。

非對稱加密演算法

非對稱加密技術示例包括RSA、橢圓曲線加密（ECC）、Diffie-Hellman金鑰交換、ElGamal和數字簽名演算法（DSA）。非對稱加密，通常稱為公鑰加密，使用兩個不同的金鑰進行加密和解密。因此，讓我們討論所有流行的非對稱加密演算法：

• Rivest-Shamir-Adleman (RSA) − RSA是一種非對稱公鑰加密系統，作為網際網路的加密標準。RSA加密可靠且安全。它是一種使用金鑰對的加密型別：公鑰和私鑰分別用於加密和解密。
• 橢圓曲線加密（ECC） − 橢圓曲線加密（ECC）是一種類似於RSA的加密方法，允許公鑰加密。顧名思義，ECC是一種基於有限域橢圓曲線代數結構的非對稱加密技術。
• Diffie-Hellman金鑰交換 − Diffie-Hellman演算法用於建立共享金鑰，可在透過公共網路傳送資料時用於私密通訊。橢圓曲線用於生成點，並使用引數獲得金鑰。
• ElGamal − ElGamal加密方案是一種基於Diffie-Hellman金鑰交換的公鑰加密的非對稱金鑰加密方法。ElGamal演算法為公鑰加密提供了RSA的替代方案。RSA的安全性依賴於對大整數進行因式分解的複雜性。ElGamal演算法的安全性在於在大素數範圍內計算離散資料的複雜性。
• 數字簽名演算法 (DSA) − DSA 指的是數字簽名演算法。它用於數字簽名及其驗證。它基於模冪運算和離散對數的數學原理。美國國家標準與技術研究院 (NIST) 於 1991 年制定了該演算法。

雜湊函式

• 安全雜湊演算法 (SHA-1, SHA-256, SHA-3) − 安全雜湊演算法或 SHA 是一組固定的加密函式，旨在確保資料安全。這些演算法透過使用雜湊函式（包括位運算、模加法和壓縮功能）更改資訊來發揮作用。
• 訊息摘要演算法 (MD5) − MD5演算法通常用於建立128位雜湊值以驗證資料完整性。它是對MD4演算法的改進，並於1992年在RFC 1321中正式記錄。MD5可以作為校驗和，以確保資料完整性得到維護並免受意外損壞。
• RIPEMD (RACE完整性基元評估訊息摘要) − RIPEMD 代表 RACE 完整性基元評估訊息摘要，它是一個於 1992 年建立的雜湊函式組。它的靈感來自 MD4（一種以其漏洞而聞名的雜湊函式）的弱點。它專門設計用於最佳化 32 位處理器的效能。
• Whirlpool − Whirlpool 是一種密碼雜湊函式。該演算法的靈感來自方塊密碼和高階加密標準。Whirlpool 被設計為塊密碼雜湊函式，能夠處理小於 2^256 位的輸入長度併產生 512 位的雜湊輸出。