Question

对称加密和非对称加密的 优缺点

还有其工作原理是什么？

Answer 1

密码学中两种常见的密码算法为对称密码算法（单钥密码算法）和非对称密码算法（公钥密码算法）。

对称密码算法有时又叫传统密码算法，就是加密密钥能够从解密密钥中推算出来，反过来也成立。在大多数对称算法中，加密解密密钥是相同的。这些算法也叫秘密密钥算法或单密钥算法，它要求发送者和接收者在安全通信之前，商定一个密钥。对称算法的安全性依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都能对消息进行加密解密。只要通信需要保密，密钥就必须保密。对称算法的加密和解密表示为：

Ek(M)=C

Dk(C)=M

对称算法可分为两类。一次只对明文中的单个位（有时对字节）运算的算法称为序列算法或序列密码。另一类算法是对明文的一组位进行运算，这些位组称为分组，相应的算法称为分组算法或分组密码。现代计算机密码算法的典型分组长度为64位――这个长度大到足以防止分析破译，但又小到足以方便作用。

这种算法具有如下的特性：

Dk(Ek(M))=M

常用的采用对称密码术的加密方案有5个组成部分（如图所示）

l）明文：原始信息。

2)加密算法：以密钥为参数，对明文进行多种置换和转换的规则和步骤，变换结果为密文。

3)密钥：加密与解密算法的参数，直接影响对明文进行变换的结果。

4)密文：对明文进行变换的结果。

5)解密算法：加密算法的逆变换，以密文为输入、密钥为参数，变换结果为明文。

对称密码术的优点在于效率高（加／解密速度能达到数十兆／秒或更多），算法简单，系统开销小，适合加密大量数据。

尽管对称密码术有一些很好的特性，但它也存在着明显的缺陷，包括：

l）进行安全通信前需要以安全方式进行密钥交换。这一步骤，在某种情况下是可行的，但在某些情况下会非常困难，甚至无法实现。

2)规模复杂。举例来说，A与B两人之间的密钥必须不同于A和C两人之间的密钥，否则给B的消息的安全性就会受到威胁。在有1000个用户的团体中，A需要保持至少999个密钥（更确切的说是1000个，如果她需要留一个密钥给他自己加密数据）。对于该团体中的其它用户，此种倩况同样存在。这样，这个团体一共需要将近50万个不同的密钥！推而广之，n个用户的团体需要N2/2个不同的密钥。

通过应用基于对称密码的中心服务结构，上述问题有所缓解。在这个体系中，团体中的任何一个用户与中心服务器（通常称作密钥分配中心）共享一个密钥。因而，需要存储的密钥数量基本上和团体的人数差不多，而且中心服务器也可以为以前互相不认识的用户充当“介绍人”。但是，这个与安全密切相关的中心服务器必须随时都是在线的，因为只要服务器一掉线，用户间的通信将不可能进行。这就意味着中心服务器是整个通信成败的关键和受攻击的焦点，也意味着它还是一个庞大组织通信服务的“瓶颈”

非对称密钥算法是指一个加密算法的加密密钥和解密密钥是不一样的，或者说不能由其中一个密钥推导出另一个密钥。1、加解密时采用的密钥的差异：从上述对对称密钥算法和非对称密钥算法的描述中可看出，对称密钥加解密使用的同一个密钥，或者能从加密密钥很容易推出解密密钥；②对称密钥算法具有加密处理简单，加解密速度快，密钥较短，发展历史悠久等特点，非对称密钥算法具有加解密速度慢的特点，密钥尺寸大，发展历史较短等特点。

Answer 2

（一）对称加密（Symmetric Cryptography）
对称加密是最快速、最简单的一种加密方式，加密（encryption）与解密（decryption）用的是同样的密钥（secret key）,这种方法在密码学中叫做对称加密算法。对称加密有很多种算法，由于它效率很高，所以被广泛使用在很多加密协议的核心当中。
对称加密通常使用的是相对较小的密钥，一般小于256 bit。因为密钥越大，加密越强，但加密与解密的过程越慢。如果你只用1 bit来做这个密钥，那黑客们可以先试着用0来解密，不行的话就再用1解；但如果你的密钥有1 MB大，黑客们可能永远也无法破解，但加密和解密的过程要花费很长的时间。密钥的大小既要照顾到安全性，也要照顾到效率，是一个trade-off。
2000年10月2日，美国国家标准与技术研究所（NIST--American National Institute of Standards and Technology）选择了Rijndael算法作为新的高级加密标准（AES--Advanced Encryption Standard）。.NET中包含了Rijndael算法，类名叫RijndaelManaged，下面举个例子。
加密过程：

private string myData = "hello";
private string myPassword = "OpenSesame";
private byte[] cipherText;
private byte[] salt = { 0x0, 0x1, 0x2, 0x3, 0x4, 0x5, 0x6, 0x5, 0x4, 0x3, 0x2, 0x1, 0x0 };

private void mnuSymmetricEncryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
var key = new Rfc2898DeriveBytes(myPassword, salt);
// Encrypt the data.
var algorithm = new RijndaelManaged();
algorithm.Key = key.GetBytes(16);
algorithm.IV = key.GetBytes(16);
var sourceBytes = new System.Text.UnicodeEncoding().GetBytes(myData);
using (var sourceStream = new MemoryStream(sourceBytes))
using (var destinationStream = new MemoryStream())
using (var crypto = new CryptoStream(sourceStream, algorithm.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Read))
{
moveBytes(crypto, destinationStream);
cipherText = destinationStream.ToArray();
}
MessageBox.Show(String.Format("Data:{0}{1}Encrypted and Encoded:{2}", myData, Environment.NewLine, Convert.ToBase64String(cipherText)));
}
private void moveBytes(Stream source, Stream dest)
{
byte[] bytes = new byte[2048];
var count = source.Read(bytes, 0, bytes.Length);
while (0 != count)
{
dest.Write(bytes, 0, count);
count = source.Read(bytes, 0, bytes.Length);
}
}

解密过程：

private void mnuSymmetricDecryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
if (cipherText == null)
{
MessageBox.Show("Encrypt Data First!");
return;
}
var key = new Rfc2898DeriveBytes(myPassword, salt);
// Try to decrypt, thus showing it can be round-tripped.
var algorithm = new RijndaelManaged();
algorithm.Key = key.GetBytes(16);
algorithm.IV = key.GetBytes(16);
using (var sourceStream = new MemoryStream(cipherText))
using (var destinationStream = new MemoryStream())
using (var crypto = new CryptoStream(sourceStream, algorithm.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Read))
{
moveBytes(crypto, destinationStream);
var decryptedBytes = destinationStream.ToArray();
var decryptedMessage = new UnicodeEncoding().GetString(
decryptedBytes);
MessageBox.Show(decryptedMessage);
}
}

对称加密的一大缺点是密钥的管理与分配，换句话说，如何把密钥发送到需要解密你的消息的人的手里是一个问题。在发送密钥的过程中，密钥有很大的风险会被黑客们拦截。现实中通常的做法是将对称加密的密钥进行非对称加密，然后传送给需要它的人。

（二）非对称加密（Asymmetric Cryptography）
1976年，美国学者Dime和Henman为解决信息公开传送和密钥管理问题，提出一种新的密钥交换协议，允许在不安全的媒体上的通讯双方交换信息，安全地达成一致的密钥，这就是“公开密钥系统”。相对于“对称加密算法”这种方法也叫做“非对称加密算法”。
非对称加密为数据的加密与解密提供了一个非常安全的方法，它使用了一对密钥，公钥（public key）和私钥（private key）。私钥只能由一方安全保管，不能外泄，而公钥则可以发给任何请求它的人。非对称加密使用这对密钥中的一个进行加密，而解密则需要另一个密钥。比如，你向银行请求公钥，银行将公钥发给你，你使用公钥对消息加密，那么只有私钥的持有人--银行才能对你的消息解密。与对称加密不同的是，银行不需要将私钥通过网络发送出去，因此安全性大大提高。
目前最常用的非对称加密算法是RSA算法，是Rivest, Shamir, 和Adleman于1978年发明，他们那时都是在MIT。.NET中也有RSA算法，请看下面的例子：
加密过程：

private byte[] rsaCipherText;
private void mnuAsymmetricEncryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
var rsa = 1;
// Encrypt the data.
var cspParms = new CspParameters(rsa);
cspParms.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;
cspParms.KeyContainerName = "My Keys";
var algorithm = new RSACryptoServiceProvider(cspParms);
var sourceBytes = new UnicodeEncoding().GetBytes(myData);
rsaCipherText = algorithm.Encrypt(sourceBytes, true);
MessageBox.Show(String.Format("Data: {0}{1}Encrypted and Encoded: {2}",
myData, Environment.NewLine,
Convert.ToBase64String(rsaCipherText)));
}

解密过程：

private void mnuAsymmetricDecryption_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
{
if(rsaCipherText==null)
{
MessageBox.Show("Encrypt First!");
return;
}
var rsa = 1;
// decrypt the data.
var cspParms = new CspParameters(rsa);
cspParms.Flags = CspProviderFlags.UseMachineKeyStore;
cspParms.KeyContainerName = "My Keys";
var algorithm = new RSACryptoServiceProvider(cspParms);
var unencrypted = algorithm.Decrypt(rsaCipherText, true);
MessageBox.Show(new UnicodeEncoding().GetString(unencrypted));
}

虽然非对称加密很安全，但是和对称加密比起来，它非常的慢，所以我们还是要用对称加密来传送消息，但对称加密所使用的密钥我们可以通过非对称加密的方式发送出去。为了解释这个过程，请看下面的例子：
（1） Alice需要在银行的网站做一笔交易，她的浏览器首先生成了一个随机数作为对称密钥。
（2） Alice的浏览器向银行的网站请求公钥。
（3） 银行将公钥发送给Alice。
（4） Alice的浏览器使用银行的公钥将自己的对称密钥加密。
（5） Alice的浏览器将加密后的对称密钥发送给银行。
（6） 银行使用私钥解密得到Alice浏览器的对称密钥。
（7） Alice与银行可以使用对称密钥来对沟通的内容进行加密与解密了。

（三）总结
（1） 对称加密加密与解密使用的是同样的密钥，所以速度快，但由于需要将密钥在网络传输，所以安全性不高。
（2） 非对称加密使用了一对密钥，公钥与私钥，所以安全性高，但加密与解密速度慢。
（3） 解决的办法是将对称加密的密钥使用非对称加密的公钥进行加密，然后发送出去，接收方使用私钥进行解密得到对称加密的密钥，然后双方可以使用对称加密来进行沟通。