全面了解AES加密:入门指南(一)

简介: 全面了解AES加密:入门指南

I. 介绍

A. 什么是加密

加密是指将信息通过某些特定的算法处理,使其变得不易被其他人理解或阅读,以保护其信息安全性的过程

加密将原始信息转换为加密文本,这样只有授权人员在拥有访问权限的情况下才能够将此信息转换回来,使其变为可读状态。

加密可以在多个领域使用,包括通信、银行业务、计算机安全等,目的是防止未经授权的访问、窃取或破坏数据、信息和资产

通常,加密方式是通过给原始数据添加一个随机的密钥来进行的,这个密钥拥有者可以安全地存储和管理,以确保数据不被非法获取。这样的加密方法被称为对称加密,还有一种加密方法称为非对称加密,使用了不同的密钥来加密和解密数据

B. 为什么要加密

有很多原因需要对数据进行加密,以下是其中一些主要原因:

1. 保护数据的机密性

2. 防止数据被篡改

3. 防止数据被窃取

4. 保护数据的可信度

总之,在当今数字信息盛行的时代,数据保密和信息安全显得越来越重要,加密是一种必要的手段来保护我们的隐私和安全。

C. AES加密的概述

AES(Advanced Encryption Standard)加密是一种对称密钥加密算法,它是目前应用最为广泛的密码学标准之一。

AES算法采用的加密密钥长度有128位、192位和256位三种不同的长度。

相对于早期常用的加密算法如DES(Data Encryption Standard)算法,AES算法具有更高的安全性和更快的加密速度

AES加密的基本思路是将原始的明文分成固定长度的块(通常为128位),然后通过密钥进行加密,得到密文

在解密时,再用相同的密钥将密文解密为原始的明文

AES加密算法的核心是转换采用的SPN(Substitution-Permutation Network)结构,它包含四种子步骤:

  • 字节替代
  • 行移位
  • 列混淆
  • 轮密钥加

这些子步骤的组合可以有效地实现加密和解密过程。

AES加密具有很高的安全性和可靠性,它已经成为许多安全应用中必不可少的一部分,例如TLS(Transport Layer Security)协议、VPN(Virtual Private Network)以及硬盘和USB驱动器等存储设备的加密。当前,AES加密已成为许多国家和组织的标准加密算法,也被广泛应用于金融、电子商务、军事和政府等行业。

II. 对称加密与非对称加密

A. 对称加密的定义和特点

对称加密是一种加密方式,使用相同的密钥将明文转换为密文,以及将密文转换为明文。因为密钥相同,所以在加密和解密过程中都使用相同的密钥

对称加密的特点包括:

1. 简单快速

对称加密算法相对于其他加密算法来说比较简单,因此加密速度比较快,处理数据时占用资源较少。

2. 安全性较低

对称加密算法的密钥需要在发送方和接收方之间共享,如果密钥泄露,通信内容就会被解密。

3. 适合大量数据加密

对称加密方式适用于大量数据加密,因为加密和解密过程需要的时间、处理器能力和内存空间都很少。

4. 密钥管理困难

由于对称加密算法需要发送方与接收方共享密钥,因此密钥的管理成为一个难题。如果密钥被泄露会导致通信内容不可信。

5. 用途广泛

对称加密算法的应用范围非常广泛,包括网络加密、数据加密、文件加密等。

B. 非对称加密的定义和特点

非对称加密,也叫做公钥加密,是一种加密方式,使用公钥和私钥两个不同的密钥进行加密和解密操作。公钥和私钥是一对密钥,公钥公开,私钥保密,只有拥有私钥的人才能解密。

非对称加密的特点包括:

1. 安全性高

由于非对称加密使用不同的密钥进行加密和解密,因此更难以被破解,安全性更高。

2. 密钥管理方便

由于公钥可以公开,私钥需保密,因此密钥管理更方便,密钥传递过程不用担心泄露。

3. 处理少量数据

由于非对称加密算法的复杂性,加密处理速度相对较慢,适合少量数据加密。

4. 用途广泛

非对称加密算法广泛用于电子商务、电子邮件、网上银行等安全通信领域,是目前最常用的加密算法之一。

5. 数字签名

非对称加密算法的另一个重要应用是数字签名,它通过将私钥用于签名,可以保证信息的真实性和完整性,对抗信息篡改和伪造的攻击。

C. 对比两种加密方式

下面是对对称加密和非对称加密的比较:

特点 对称加密 非对称加密
加密速度
安全性
密钥管理 困难 简单
数据处理 适合处理大量的数据 适合处理少量的数据
应用范围 广泛 广泛
密钥数量 仅需使用同一个密钥 需要使用一对密钥
加密速度

总的来说,对称加密算法在加密速度和加密效率方面较优,但是由于存在密钥共享的问题,密钥管理和安全性会有瓶颈。而非对称加密算法由于使用不同的密钥进行加密和解密,因此安全性高,可以用于数字签名和密钥管理等安全性要求较高的场合,但速度较慢,适合处理少量数据

III. AES加密的历史和发展

A. AES加密的前身

AES(Advanced Encryption Standard)是一种对称加密算法,其前身是DES(Data Encryption Standard),也是一种对称加密算法。

DES于20世纪70年代开始使用,使用56位的密钥进行加密,但随着计算机实力和算法的发展,DES的安全性被逐渐破解。因此,美国国家标准与技术研究院(NIST)于20世纪90年代开始研究开发替代产品。

AES算法是由Joan Daemen和Vincent Rijmen在1998年开发的。

经过长时间的研究和评审,于2001年被NIST选为成为现在世界上最常用的对称加密算法。AES使用128、192或256位的密钥,加密速度比DES快得多,同时提供了更高的安全性。

由于AES是一种标准算法,因此在各种应用程序和系统中广泛使用,例如在网络安全、数据存储、电子商务等方面。

B. AES加密的诞生和发展

下面是AES加密算法的诞生和发展的表格说明:

时间 内容
1997 美国国家标准与技术研究院(NIST)发布AES算法的委员会,开始研究寻找一种替代DES加密算法的方案
1998 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提出了一个新的对称加密算法——Rijndael,并正式提交给NIST
2000 NIST在超过15个加密算法中选出Rijndael(AES的前身)作为新一代数据加密标准
2001 AES加密算法通过了NIST的评审并正式发布。AES使用128、192和256位密钥,加密块为128位
2002 AES算法被政府和企业采用,开始广泛应用于各类安全领域
2006 政府机构禁止使用AES-192和AES-256加密算法的硬件加速,因为这些算法需求的加密处理速度过慢,对应用程序的性能产生明显负面影响
2010 AES-NI指令集被AMD、Intel等公司支持,这大大提高了CPU使用快速硬件实现AES加密的效率
2017 该年AES加密算法已经成为全世界最流行的加密算法之一,并在各种安全通信领域广泛应用,如虚拟私人网络、短信、邮件,以及数据库和文件的加密领域

可以看出,AES作为一种对称加密算法,它的研究和发展历经多年,并最终在2001年成为新一代数据加密标准,应用范围广泛,安全性和加密速度也得到了长足的进步。同时,硬件加速的出现也进一步提高了AES算法的效率和应用场景。

C. AES加密的应用

下面是AES加密算法的应用的表格说明:

应用 内容
网络安全 在互联网上,AES常用于SSL(Secure Sockets Layer)和TLS(Transport Layer Security)等安全协议中,用于保护网站、电子邮件、移动应用程序等通信过程中的数据安全
数据存储 许多云存储和本地存储服务使用AES加密来确保数据保密性,保证文件和磁盘驱动器的安全性
移动保护 移动设备常使用AES加密来保护设备数据,例如备份、恢复和加密设备文档等
电子商务 AES加密广泛应用于电子商务领域,包括保护交易、保护客户数据以及在线支付的安全性
数据库加密 AES常常被用来加密数据库中的敏感数据,例如姓名、社会安全号、信用卡号等
文件加密 AES通常用于文件加密,包括文本文件、PDF文件、音乐文件和图像文件等
加密芯片 AES加密芯片常用于计算机和其他电子设备中,用于提供安全和加密功能

可以看出,AES在各种应用程序和系统中广泛使用,如网络安全、数据存储、电子商务等方面,对保护数据的机密性和完整性发挥着重要作用。同时,AES在各种安全通信领域的广泛应用也表明了其高可靠性和可用性。

IV. AES加密的基本原理

A. 加密算法的构成

一个加密算法由以下几个部分组成:

1. 明文:需要被加密的信息,也称为原始数据。

2. 密钥:加密和解密信息所需要的秘密,是加密算法的核心部分。

3. 加密算法:对明文进行加密处理的数学公式和计算过程。

4. 密文:加密后的信息,用于传输和存储。

5. 解密算法:使用密钥对密文进行解密处理的数学公式和计算过程。

因此,当我们需要将某些信息进行加密时,我们需要先选择合适的加密算法,并使用密钥将明文加密成为密文,然后我们可以安全地传输或存储这个密文。

如果我们需要解密所传输或存储的信息以查看原始数据,则需要使用相同的密钥和解密算法来反向操作,从密文中还原出明文信息。这种算法的构成使得能够实现对信息传输过程中的安全性控制和保护。

B. 密钥的生成和分配

密钥生成和分配是实现加密算法安全性的重要步骤。

下面是一些常见的密钥生成和分配方法:

1. 随机生成

加密算法可以使用随机数生成器生成强加密密钥,以确保密钥唯一和难以猜测。

2. 密钥交换

密钥交换是协商会话密钥的一种方法,主要的协议有Diffie-Hellman密钥交换,TLS协议中的RSA密钥交换等。

3. 双重密钥

RSA等加密算法中使用的是非对称加密方式,即使用一对公私钥来实现加解密。其中RSA私钥必须由密钥持有人保管并加密,

公钥则可以由任何人使用这些公钥来加密和验证签名的数据,从而使公开的密文不直接暴露于原始消息。

4. 密钥分发

使用预共享密钥或基于密码学的协议(如密码学安全套接字SSL /TLS等)来分配密钥,确保密钥在传输过程中的安全性。

5. 密钥管理

有多种可能的密钥管理方法,包括使用密码外设(如HSM)、一个密钥派生函数或使用密钥分段,每部分分给独立的管理组, 以确保在管理期间仅有密钥的部分泄露时,安全性不会受到破坏。

需要注意的是,密钥的生成和分配是保证加密算法安全性的重要步骤,因此密钥需要按照安全建议和最佳实践进行生成和分配。涉及到密钥的安全性问题,一定要确保密钥的存储安全且重要的机密信息仅在必要时才需要使用并在使用后立即销毁或撤销密钥。


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