附加章二：数据加密
复习
- 数据表示：数据以比特的形式存放在存储介质上，可以被复制、读取
- 网络传输：网络传输中的数据，可能被第三方截获
TL;DR
- 加密把明文变成密文，只有掌握密钥的人才能还原
- 对称加密速度快，但密钥怎样安全分发是难题
- 非对称加密用公钥加密、私钥解密，解决了密钥分发
- 实际系统常把两者结合，各取所长
正文
数据一旦离开你的机器，就踏上了一条不太安全的旅途：它可能被复制、被截获、被偷看。想让它即使被看到也读不懂，就得加密（encryption）。
加密做的事很简单：把能看懂的明文，按一套规则变成看不懂的密文；只有掌握正确密钥的人，才能把它还原。
从凯撒到现代密码
最早的加密朴素得可爱：把每个字母往后挪几位。凯撒密码把 “A” 挪成 “D”，把 “B” 挪成 “E”。挪几位，就是那把钥匙。
这种思路叫替换，问题也很明显：只要字母出现的规律还在，统计一下频率，就有可能把规则猜出来。现代加密则在替换之外大量叠上混淆与扩散，让密文和明文之间的关系统统打乱，使这种“看规律”的办法失去用武之地。
对称加密与它的软肋
对称加密（symmetric encryption）的特点，是加密和解密用同一把钥匙。它速度很快，适合加密大批数据。
但它有一个绕不开的软肋：钥匙怎么交到对方手里？ 你和对方相隔千里，总不能把钥匙写在明信片上寄过去——因为盯着这封信的人，很可能把钥匙一起看走。加密再强，钥匙泄露，一切白费。
非对称加密：把钥匙分成两把
于是有了非对称加密（asymmetric encryption）：每个人生成一对钥匙——
- 公钥：可以大大方方公开，谁都能拿
- 私钥：只有自己保存，绝不外泄
别人用你的公钥加密，只有你的私钥能解开；你用私钥签名，别人用你的公钥验证。这样，分发不再保密，却依然安全——因为公开的只是公钥，用它推不出私钥。
把公钥想象成一个任何人都能投递的邮筒：谁都能往里塞信，但只有拿着钥匙的你能打开。它解决了对称加密最头疼的钥匙分发问题。
为什么不干脆全用非对称
非对称很优雅，但计算代价高、速度慢，不适合直接加密大量数据。
所以实际系统通常采用混合加密：先用非对称方式，安全地协商出一把临时的对称密钥；之后的数据，就都用这把快速的对称密钥来加密。用非对称解决“怎么安全地约定”，用对称解决“怎么高效地加密”，各取所长。
加密不是万能药
最后提醒一句：加密保护的是“内容不被读懂”，并不自动保证数据没被篡改、没被删除，也不解决“对方到底是不是他自称的人”。这些分别要靠校验、备份和身份认证去补充。安全从来不是单一技术，而是一整套配合。
思考题
为什么公钥可以公开、私钥必须保密？如果私钥泄露，会发生什么？
小结
知识点
- 加密把明文变为密文，密钥是还原的关键
- 对称加密快，但密钥分发困难
- 非对称加密用一对密钥解决分发问题
- 混合加密结合两者，兼顾安全与效率
参考资料
- Wikipedia(zh)：密码学：研究保密通信的学科
- Wikipedia(zh)：对称密钥加密：加密解密使用同一密钥
- Wikipedia(zh)：公开密钥加密：使用公私钥对的加密方式
思考题答案（仅供参考）
因为非对称加密的数学性质保证：从公钥极难反推出私钥。公钥只用于加密或验证，即使人人皆知也不影响安全；而私钥用于解密或签名，一旦泄露，别人就能冒充你解密信息或伪造签名，安全性随之崩溃。
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设计师 | 南国微雪