密码学基础：Hash、对称加密、非对称加密

作者：林 | 系列：密码学 | 适合读者：后端开发 / 对密码学感兴趣的工程师

一、为什么要懂密码学

作为开发者，你可能每天都在用密码学而不自知：

• HTTPS 连接 → TLS 握手（非对称 + 对称加密）
• 用户密码存储 → BCrypt/Argon2（散列函数）
• JWT Token → HMAC-SHA256（消息认证码）
• 支付接口签名 → RSA/SM2（数字签名）
• 数据库敏感字段 → AES/SM4（对称加密）

密码学并非安全团队的专属，重点是每个后端工程师的基本功。本文用下限的篇幅把三大支柱讲清楚，后续每篇深入一个方向。

二、三大分类总览

核心区别一句话：

• Hash：单向压缩，不能解密，用于验证完整性
• 对称加密：一把钥匙，能加能解，用于加密数据
• 非对称加密：两把钥匙，公私配对，用于密钥交换和签名

三、散列函数（Hash）

3.1 特征

3.2 常见算法

3.3 代码示例

import java.security.MessageDigest;

// SHA-256
byte[] hash = MessageDigest.getInstance("SHA-256")
    .digest("hello".getBytes());

// SM3（需要 BouncyCastle）
byte[] sm3Hash = MessageDigest.getInstance("SM3")
    .digest("hello".getBytes());

3.4 典型应用

四、对称加密（Symmetric Encryption）

4.1 原理

加密和解密使用同一把密钥：

明文 + 密钥 → 加密算法 → 密文
密文 + 密钥 → 解密算法 → 明文

4.2 常见算法

4.3 加密模式（关键）

算法本身只处理一个分组（16 字节），多个分组怎么处理由模式决定：

// AES-GCM 加密示例
Cipher cipher = Cipher.getInstance("AES/GCM/NoPadding");
GCMParameterSpec spec = new GCMParameterSpec(128, nonce); // 12字节 nonce
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey, spec);
byte[] ciphertext = cipher.doFinal(plaintext);

4.4 核心问题：密钥怎么给对方？

对称加密速度快，但有一个核心问题：通信双方怎么安全地共享同一把密钥？

• 线下交换？不现实
• 明文传输？等于没加密
• 解决方案 → 非对称加密（密钥交换）或预共享密钥

这就引出了非对称加密。

五、非对称加密（Asymmetric Encryption）

5.1 原理

使用一对密钥：公钥（public key）和私钥（private key）。

加密场景：
  明文 + 对方公钥 → 加密 → 密文
  密文 + 自己私钥 → 解密 → 明文

签名场景：
  消息 + 自己私钥 → 签名 → 签名值
  消息 + 对方公钥 → 验签 → 通过/不通过

5.2 常见算法

5.3 RSA vs ECC 直观对比

在约 128 位经典安全强度下，常见比较会使用 RSA-3072 与 256 位素数域椭圆曲线。RSA 签名长度等于模数长度，ECDSA 的原始 r || s 长度由曲线参数决定，DER 编码还会变化。性能受算法方向、实现、硬件加速和提供者影响，需要在目标密码库中分别测量签名与验签，不能用一组固定毫秒数概括。

5.4 代码示例

// SM2 签名（Hutool）
SM2 sm2 = SmUtil.sm2(privateKeyHex, publicKeyHex);
byte[] sign = sm2.sign("hello".getBytes());
boolean valid = sm2.verify("hello".getBytes(), sign);

// RSA 签名
Signature sig = Signature.getInstance("SHA256withRSA");
sig.initSign(privateKey);
sig.update("hello".getBytes());
byte[] signature = sig.sign();

5.5 典型应用

六、三者的协作关系

实际系统中，三种密码学原语几乎不会单独使用，而是组合协作：

以 TLS 1.3 常见握手为例：客户端和服务端协商参数，服务端发送证书并证明持有对应私钥，双方通过 (EC)DHE 计算共享秘密，再由 HKDF 派生握手与应用流量密钥。应用数据通常由 AES-GCM 或 ChaCha20-Poly1305 这类 AEAD 套件同时提供机密性和完整性，不再额外给每条应用记录附加 HMAC。

支付接口签名流程：

1. 将请求参数按字典序拼接成字符串
2. 对字符串做 SHA-256 哈希（Hash）
3. 用私钥对 Hash 值做 SM2/RSA 签名（非对称）
4. 对方用公钥验签
5. 请求体用 AES/SM4 加密传输（对称）

七、国密算法体系

中国国家密码管理局发布的商用密码算法，在政府、金融、央企项目中逐步替代国际算法：

八、选型速查表

九、常见误区

误区 1：加密 = 安全

加密只是安全的一环。密钥管理、传输安全、访问控制同样重要。密钥硬编码在代码里，加密等于白做。

误区 2：Hash 可以解密

Hash 是单向函数，不存在"解密"。所谓的"MD5 解密网站"是彩虹表反查，不是解密。

误区 3：RSA 比 AES 更安全

RSA 和 AES 解决的是不同问题。RSA 解决密钥分发，AES 解决数据加密。两者配合使用，不是二选一。

误区 4：密钥越长越好

AES-128 在可预见的未来都足够安全（暴力破解需要 2^128 次运算）。盲目加长密钥只会降低性能，没有实际安全收益。

误区 5：自己实现加密算法

永远不要自己发明加密算法或自己实现已有算法。使用成熟的库（BouncyCastle、OpenSSL、libsodium），它们经过了大量审计和攻击测试。

十、系列导航

本系列共 7 篇，由浅入深：

1. 密码学基础：Hash、对称加密、非对称加密（本文）
2. 散列函数：MD5、SHA、SM3 与 HMAC
3. 对称加密：AES 与 SM4 模式选择指南
4. 非对称加密与签名：RSA、ECC、SM2
5. 数字信封与密钥协商：SM2+SM4、ECDH、TLS
6. 可搜索加密：加密数据的模糊检索方案
7. 格式保留加密、同态加密与零知识证明

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