序言

不论是前端还是后端开发中，数字签名、信息加密是经常需要使用到的技术，应用场景包括了用户登入、交易、信息通讯、OAuth 等等，不同的应用场景也会需要使用到不同的签名加密算法，或者需要搭配不一样的 签名加密算法 来达到业务目标。

幻灯片模式

历史上的密码

早在古罗马时期，加密算法就被应用于战争当中。 在大规模的战争中，部队之间常常需要信使往来，传递重要的军事情报。

可是，一旦信使被敌军抓获，重要的军事情报就完全暴露给了敌方。

甚至，狡猾的敌人有可能篡改军事情报，并收买信使把假情报传递给我方部队。

凯撒密码

传送情报过程中，容易遭到中间人攻击，怎样防止这种情况的发生呢？ 古罗马时期，凯撒大帝想出了一种非常朴素的加密方法，这套加密方法也被后世称为凯撒密码。加密的原理就像下图这样：

原理其实非常简单，就是把字母表进行移位加密，比如将字母表中的 A 移位加密后变成 C，将字母表中的 B 移位加密后变成 D，以此类推。

下面是更直观的示例

凯撒密码在当时是一种有效的加密方法，它是典型的对称加密算法，它的加密和解密密钥用的都是同一个密钥，加密的时候字母表平移了几位，解密的时候只要反向平移就能得到原文。

这也导致凯撒密码的安全性较低，因为只需尝试 26 个不同的位移就能暴力破解。

下面是暴力破解凯撒密码的示例

栅栏密码

栅栏密码比凯撒密码年轻了许多，它最早出现在 1861 年至 1865 年的美国南北战争时期。和凯撒密码的代替密码不同，栅栏密码属于置换密码，通过打乱明文字母的位置，使有意义的明文信息变换为无意义的密文乱码。

它的加密的原理就是明文按列写入，密文按行输出。

假设有一明文：HAPPY NEW YEAR，首先给它分栏，把明文一上一下分成 N 个一栏，这里分成两栏

H	P	Y	E	Y	A
A	P	N	W	E	R

把每栏的字母横向连起来，就形成一段看起来毫无意义的密文：HPYEYAAPNWER

解密的时候只要把密文HPYEYAAPNWER从中间分开，再按上下上下的顺序组合起来就能得到明文： HAPPY NEW YEAR

斯巴达密码棒

在古希腊，斯巴达军方使用一种叫做密码棒的装置来加密信息，这种装置由一条皮带和一根木棍组成。 在展开时，皮带似乎只是一串随机字符，但如果缠绕在一定大小的木棒上，字母会对齐成单词。

柯南中的密码棒灵感就来源于此。

在古典密码时代，密码学的概念还是比较模糊的，尽管大量被用在军事领域，但加密方式更像是一种艺术行为，反正就一个理念，瞎换乱转，你猜去吧 。

而在我国古代也有藏头诗、藏尾诗，比如广为人知的唐伯虎写的"我爱秋香"

我画蓝江水悠悠，
爱晚亭上枫叶愁。
秋月溶溶照佛寺，
香烟袅袅绕经楼。

也有先秦兵书《六韬》中提到的阴符。

六韬

阴符

越长战绩越好

阴符的优点：便于携带且不易引起敌方怀疑

阴符的缺点：传递的信息量很少

在《六韬》的龙韬篇中，有记载：

点开查看原文

武王问太公："率领军队深入敌国境内，国君与主将想要集结兵力，根据敌情进行灵活的机动。用阴符难以说明问题，彼此相距又十分遥远。在这种情况下应该怎么办？"

太公回答："用阴书，就是把一封书信分为三个部分；然后派三个人送信，每人只有其中的一部分，即使送信的人也不知道书信的内容。这样，即使敌人抓了信使，也是不知道书信的内容。"

武王曰:"高明啊!"

一分为三的阴书

除此之外还有很多好玩的古典密码,这里就不一一细说了，古典密码都有一个共同点，那就是太对称了，这里说的对称有两种含义：

第一种：加密是可逆的，一旦知道怎样加密，就很容易反推出怎么解密。

所以古人只要随便抓个活口就知道密码是怎么玩的，他们并不傻。

另一种对称的意思是：不管你如何对明文进行替换，总会形成一种明文和密文的一一对应关系。

因此不管怎么替换，只要被截获的密文一多，总会被频率分析法拿捏。

英语字母频率统计

恩尼格玛机

古典密码的巅峰之作恩尼格玛机，是由德国发明并在二战期间广泛使用的加密和解密机器，又称作哑谜机，或"谜"式密码机。

恩格玛机的伟大之处就在于它在进行高度复杂的加密运算的同时，操作的简易性也几乎做到了极致。

操作者只需像使用打字机一样在键盘上输入消息，加密后的字母就会在灯盘上显示出来，这使得即使是未经专业训练的人员也能快速上手。

而且明文中相同的字母也会被加密成不同的密文，这就很好的防止了频率分析法，另外即使知道其运作原理也很难破解。

这是如何做到的？

首先先看下恩尼格玛机的组成部件

键盘：输入明文或者密文用的

灯盘：在键盘上输入一个字母，灯盘上会有一个字母亮起来，代表键盘上输入的字母加密后的结果

转子：这个是恩格玛机的核心，是加密元件

插线板：这是在转子进行加密后，为了提高安全性而增加的装置

之所以恩尼格玛机在当时很难破解，主要还是因为它的核心元件"转子"。

转子

转子就像是可以旋转的密码锁，比如当你按下"A"键时，"A"通过转子时，它会被替换成另一个字母，比如"D",但是，神奇的地方在于，当你再次按下"A"键时，由于转子已经旋转，它可能变成"E"或另一个字母，而不是"D"。这是因为每次按键后，转子都会转动，改变内部的连接，所以同一个字母可以被替换成不同的字母。

一台恩尼格玛机通常使用了三个转子串联起来，有时更多,当一个转子转完一圈，它会推动下一个转子转动一点。

这意味着，随着输入更多的字母，转子的组合方式会变得极其复杂，使得相同的字母在不同的位置被替换成不同的字母。

由于每个转子都有26个可能的位置，所以三个转子一共可以提供26 X 26 X 26=17576种可能性。

恩格玛机除了转子，还有个重要装置：反射器。

性质一：加密过程是自反的。

解释：假如输入"A"输出"G"，反过来，输入"G"将会输出"A",这样既可以用来加密也可以用来解密。

性质二：一个字母加密后的输出结果不会是自己本身。

解释：一个字母如果加密后要还是自己，在图中就会变成"A"从红线进去，然后从红线再返回来，但是经过反射器，导致"A"的返回路径是蓝线，所以字母加密后结果不是其本身。

除此之外，为了保险起见它的外侧还附加一组交换机制"插线板"，也就是说如果连通"O"和"E"，当按下"O"时，其实相当于按下了"E"，这种连线最多可以有六根。

插线板上两两交换6对字母的可能性则是异常庞大，有100,391,791,500种。

最终 17576 X 100391791500 = 1764486127404000 种。

在没有计算机时代，想通过逆向穷举的方式几乎是不可能的！

况且当时的恩尼格玛机每天都会更换一次初始方案

第一天

第二天

第三天

第四天

如果当天算不出，第二天就得重新计算，这使得暴力破解又更难了。

但了解二战的小伙伴都知道，恩尼格玛机最终还是被破解了,甚至没等到计算机的诞生。

1940年，计算机之父英国数学家艾伦·图灵就破解了恩尼格玛机。不是说恩尼格玛机没有计算机就无法破解的吗？

说法虽没错，但遭不住德国人太轴又太飘。

不管发啥都要来一句Heil Hitler！

这种严谨又白给的操作，很快就让图灵拿到了明密对应的线索。

依靠这些线索图灵和他的同事戈登·韦尔奇曼发明了叫做"炸弹机"的解密机。

图灵

戈登·韦尔奇曼

炸弹机

通过"炸弹机"最后硬生生的逆向破解了恩尼格玛机。

所以这又一次说明了像古典密码这样，知道怎么加密就能知道怎么解密的对称加密方法，从根本上来说是肯定会被破解的，只不过是时间问题罢了。

那有没有哪种加密方式，加密和解密方法不一样？

现代密码

一点历史

1976 年以前，所有的加密方法都是同一种模式：

1. 甲方选择某一种加密规则，对信息进行加密

2. 乙方使用同一种规则，对信息进行解密

由于加密和解密使用同样规则（简称"密钥"），这被称为"对称加密算法" (opens new window)（Symmetric-key algorithm）。

这种加密模式有一个最大弱点：甲方必须把加密规则告诉乙方，否则无法解密。保存和传递密钥，就成了最头疼的问题。

1976 年，两位美国计算机学家 Whitfield Diffie 和 Martin Hellman，提出了一种崭新构思，可以在不直接传递密钥的情况下，完成解密。这被称为"Diffie-Hellman 密钥交换算法" (opens new window)。这个算法启发了其他科学家。人们认识到，加密和解密可以使用不同的规则，只要这两种规则之间存在某种对应关系即可，这样就避免了直接传递密钥。

这种新的加密模式被称为"非对称加密算法"。

工作流程

（1）乙方生成两把密钥（公钥和私钥）。公钥是公开的，任何人都可以获得，私钥则是保密的。

（2）甲方获取乙方的公钥，然后用它对信息加密。

（3）乙方得到加密后的信息，用私钥解密。

如果公钥加密的信息只有私钥解得开，那么只要私钥不泄漏，通信就是安全的。

1977年，三位数学家 Rivest（罗纳德·李维斯特）、Shamir（阿迪·萨莫尔） 和 Adleman（伦纳德·阿德曼） 设计了一种算法，可以实现非对称加密。这种算法用他们三个人的名字命名，叫做RSA 算法 (opens new window)。从那时直到现在，RSA 算法一直是最广为使用的"非对称加密算法"。毫不夸张地说，只要有计算机网络的地方，就有 RSA 算法。

下面用一个箱子的对白来理解这个对称加密和非对称加密的流程。