安全随笔2：对称加密应用场景

MD5或者说HASH值是一种不可逆的算法。如果需要从密文还原成明文，那么就需要对称和非对称这两类可逆算法。

首先，简单介绍下这两类算法。图9-1是对称算法的示意图：

图9-1 对称算法

在对称算法中，首先需要发送方和接收方协定一个密钥K。K可以是一个密钥对，但是必须要求加密密钥和解密密钥之间能够互相推算出来。在最简单也是最常用的对称算法中，加密和解密共享一个密钥。上图中，我们为了简单期间，使用的就是一个密钥。密钥K为了防止被第三方获取，可以通过一个秘密通道由发送方传送给接收方。当然，这个秘密通道可以是任何形式，如果觉得可以，你甚至可以寄送一封邮件给对方告诉他密钥。

对称加密中明文通过对称加密成密文，在公开通道中进行传输。这个时候，即便第三方截获了数据，由于他没有掌握密钥，也是解密不了密文的。

简单介绍了对称加密，现在我们来看非对称加密。图9-2是一个非对称加密的示意图：

图9-2 非对称算法

在非对称算法中，首先得有一个密钥对，这个密钥对含有两部分内容，分别称作公钥（PK）和私钥（SK），公钥通常用来加密，私钥则用来解密。在对称算法中，也讲到了可以有两个密钥（分为加密和解密密钥）。但是，对称算法中的加解密密钥可以互相转换，而在非对称算法中，则不能从公钥推算出私钥。所以，我们完全可以将公钥公开到任何地方。

如上图所以，发送者用接收方公开出来的公钥PK进行加密。接受方在收到密文后，再用与公钥对应的私钥SK进行解密。同样，密文可以被截获，但是由于截获者只有公钥，没有私钥，他不能进行解密。

对称算法和非对称算法各有优缺点。非对称加密的突出优点是用于解密的密钥（也就是私钥）永远不需要传递给对方。但是，它的缺点也很突出：非对称加密算法复杂，导致加解密速度慢，故只适合小量数据的场合。而对称加密加解密效率高，系统开销小，适合进行大数据量的加解密。由于文件一般比较大，这个特性决定了适合它的加密方式最好是对称加密。下面是一个针对文件的对称加密的实现：

static void Main()
{
    EncryptFile(@"c:\temp.txt", @"c:\tempcm.txt", "123");
    Console.WriteLine("加密成功！");
    DecryptFile(@"c:\tempcm.txt", @"c:\tempm.txt", "123");
    Console.WriteLine("解密成功！");
}
 
//缓冲区大小
static int bufferSize = 128 * 1024;
//密钥salt
static byte[] salt = { 134, 216, 7, 36, 88, 164, 91, 227, 174, 76, 191, 197, 192, 154, 200, 248 };
//初始化向量
static byte[] iv = { 134, 216, 7, 36, 88, 164, 91, 227, 174, 76, 191, 197, 192, 154, 200, 248 };
 
//初始化并返回对称加密算法
static SymmetricAlgorithm CreateRijndael(string password, byte[] salt)
{
    PasswordDeriveBytes pdb = new PasswordDeriveBytes(password, salt, "SHA256", 1000);
    SymmetricAlgorithm sma = Rijndael.Create();
    sma.KeySize = 256;
    sma.Key = pdb.GetBytes(32);
    sma.Padding = PaddingMode.PKCS7;
    return sma;
}
 
static void EncryptFile(string inFile, string outFile, string password)
{
    using (FileStream inFileStream = File.OpenRead(inFile), outFileStream = File.Open(outFile, FileMode.OpenOrCreate))
    using (SymmetricAlgorithm algorithm = CreateRijndael(password, salt))
    {
        algorithm.IV = iv;
        using (CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(outFileStream, algorithm.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Write))
        {
            byte[] bytes = new byte[bufferSize];
            int readSize = -1;
            while ((readSize = inFileStream.Read(bytes, 0, bytes.Length)) != 0)
            {
                cryptoStream.Write(bytes, 0, readSize);
            }
            cryptoStream.Flush();
        }
    }
}
 
static void DecryptFile(string inFile, string outFile, string password)
{
    using (FileStream inFileStream = File.OpenRead(inFile), outFileStream = File.OpenWrite(outFile))
    using (SymmetricAlgorithm algorithm = CreateRijndael(password, salt))
    {
        algorithm.IV = iv;
        using (CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(inFileStream, algorithm.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Read))
        {
            byte[] bytes = new byte[bufferSize];
            int readSize = -1;
            int numReads = (int)(inFileStream.Length / bufferSize);
            int slack = (int)(inFileStream.Length % bufferSize);
            for (int i = 0; i < numReads; ++i)
            {
                readSize = cryptoStream.Read(bytes, 0, bytes.Length);
                outFileStream.Write(bytes, 0, readSize);
            }
            if (slack > 0)
            {
                readSize = cryptoStream.Read(bytes, 0, (int)slack);
                outFileStream.Write(bytes, 0, readSize);
            }
            outFileStream.Flush();
        }
    }
}

备注：密钥salt和初始化向量iv

有必要解释下上面代码中的密钥salt和初始化向量iv。

密钥salt在加密算法中主要被设计用来防止“字典攻击”。字典攻击也是一种穷举的暴力破解法。字典中会假设一定数量的密码值，攻击者会尝试用这些密码来解密密文。Salt是在密钥导出之前在密码末尾引入的随机字节，它使这类攻击变得非常困难。

初始化向量IV在加密算法中起到的也是增强破解难度的作用。在加密过程中，如果遇到相同的数据块，其加密出来的结果也一致，相对就会容易破解。加密算法在加密数据块的时候，往往会同时使用密码和上一个数据块的加密结果。因为要加密的第一个数据块显然不存在上一个数据块，所以这个初始化向量就是被设计用来当作初始数据块的加密结果。

最后，我们在实际应用中，应该始终考虑使用对称加密的方式进行文件的加解密工作。当然，如果文件加密后要传给网络中的其它接收者，而接收者始终要对文件进行解密的，这意味着密钥也是始终要传送给接收者的。这个时候，非对称加密就可以派上用场了，它可以用于字符串的加解密及安全传输场景。关于这一点，我们会在下一个建议中讲到。