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理解加密：常见算法及其应用

article 2024/11/26 4:35:34

在信息安全领域，加密技术被广泛用于保护数据的机密性。加密的核心目的是将明文信息转化为密文，以防止未经授权的访问和数据泄露。本文将介绍几种常见的加密算法，包括对称加密、非对称加密和哈希算法，并提供 C# 代码示例，以帮助理解这些技术。

1. 加密算法的分类

1.1 对称加密

对称加密使用相同的密钥进行加密和解密。这种方法的优点是速度快，适合加密大数据量。但其缺点在于，密钥的安全传输是一个挑战，因为任何知道密钥的人都能解密信息。

常见的对称加密算法:

AES (Advanced Encryption Standard): 广泛使用的加密标准，支持128、192和256位的密钥长度。
DES (Data Encryption Standard): 一种较旧的加密标准，密钥长度为56位，不再安全。
3DES (Triple DES): 对 DES 的改进，通过对数据进行三次加密来增强安全性。

C# 示例代码 (AES 加密):

using System;  
using System.IO;  
using System.Security.Cryptography;  
using System.Text;  

class AesEncryption  
{  
    public static string Encrypt(string plainText, string key)  
    {  
        using (Aes aes = Aes.Create())  
        {  
            aes.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(key); // 必须为 16, 24 或 32 字节长  
            aes.GenerateIV(); // 生成随机初始向量  
            using (MemoryStream ms = new MemoryStream())  
            {  
                ms.Write(aes.IV, 0, aes.IV.Length); // 将IV写入流  
                using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, aes.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Write))  
                {  
                    using (StreamWriter sw = new StreamWriter(cs))  
                    {  
                        sw.Write(plainText);  
                    }  
                }  
                return Convert.ToBase64String(ms.ToArray());  
            }  
        }  
    }  

    public static string Decrypt(string cipherText, string key)  
    {  
        byte[] fullCipher = Convert.FromBase64String(cipherText);  
        using (Aes aes = Aes.Create())  
        {  
            aes.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(key);  
            byte[] iv = new byte[aes.BlockSize / 8];  
            Array.Copy(fullCipher, iv, iv.Length); // 取得 IV  
            using (MemoryStream ms = new MemoryStream(fullCipher, iv.Length, fullCipher.Length - iv.Length))  
            {  
                using (CryptoStream cs = new CryptoStream(ms, aes.CreateDecryptor(aes.Key, iv), CryptoStreamMode.Read))  
                {  
                    using (StreamReader sr = new StreamReader(cs))  
                    {  
                        return sr.ReadToEnd();  
                    }  
                }  
            }  
        }  
    }  
}  

// 用法示例  
public class Program  
{  
    public static void Main()  
    {  
        string key = "1234567890123456"; // AES 密钥 (16 字节)  
        string original = "Hello, World!";  
        
        string encrypted = AesEncryption.Encrypt(original, key);  
        Console.WriteLine($"Encrypted: {encrypted}");  
        
        string decrypted = AesEncryption.Decrypt(encrypted, key);  
        Console.WriteLine($"Decrypted: {decrypted}");  
    }  
}

1.2 非对称加密

非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。公钥用于加密，私钥用于解密。这种方式的优点在于公钥可以公开而不影响安全性，但加密的速度通常比对称加密慢。

常见的非对称加密算法:

RSA (Rivest-Shamir-Adleman): 常用于安全数据传输，密钥长度通常为2048位或更长。
DSA (Digital Signature Algorithm): 主要用于数字签名而非加密。

C# 示例代码 (RSA 加密):

using System;  
using System.Security.Cryptography;  
using System.Text;  

class RsaEncryption  
{  
    public static (string publicKey, string privateKey) GenerateKeys()  
    {  
        using (RSA rsa = RSA.Create())  
        {  
            return (Convert.ToBase64String(rsa.ExportRSAPublicKey()), Convert.ToBase64String(rsa.ExportRSAPrivateKey()));  
        }  
    }  

    public static string Encrypt(string plainText, string publicKey)  
    {  
        using (RSA rsa = RSA.Create())  
        {  
            rsa.ImportRSAPublicKey(Convert.FromBase64String(publicKey), out _);  
            byte[] data to encrypt = Encoding.UTF8.GetBytes(plainText);  
            return Convert.ToBase64String(rsa.Encrypt(data, RSAEncryptionPadding.OaepSHA256));  
        }  
    }  

    public static string Decrypt(string cipherText, string privateKey)  
    {  
        using (RSA rsa = RSA.Create())  
        {  
            rsa.ImportRSAPrivateKey(Convert.FromBase64String(privateKey), out _);  
            byte[] data to decrypt = Convert.FromBase64String(cipherText);  
            return Encoding.UTF8.GetString(rsa.Decrypt(dataToDecrypt, RSAEncryptionPadding.OaepSHA256));  
        }  
    }  
}  

// 用法示例  
public class Program  
{  
    public static void Main()  
    {  
        var (publicKey, privateKey) = RsaEncryption.GenerateKeys();  
        Console.WriteLine($"Public Key: {publicKey}");  
        Console.WriteLine($"Private Key: {privateKey}");  

        string original = "Hello, World!";  
        string encrypted = RsaEncryption.Encrypt(original, publicKey);  
        Console.WriteLine($"Encrypted: {encrypted}");  

        string decrypted = RsaEncryption.Decrypt(encrypted, privateKey);  
        Console.WriteLine($"Decrypted: {decrypted}");  
    }  
}

1.3 哈希算法

哈希算法是一种将数据转换为固定大小字符串的方式，通常用于数据完整性校验，而不仅仅是保护机密性。哈希过程是不可逆的，但攻击者可以尝试暴力破解或者用彩虹表来获得原始数据。

常见的哈希算法:

MD5: 已被认为不再安全，容易受到碰撞攻击。
SHA-1: 也被认为不再安全，建议用更强的 SHA-256 或 SHA-512。
SHA-256: 当前推荐的哈希算法之一，安全性强。

C# 示例代码 (SHA-256 哈希):

using System;  
using System.Security.Cryptography;  
using System.Text;  

class Hashing  
{  
    public static string ComputeSha256Hash(string rawData)  
    {  
        using (SHA256 sha256Hash = SHA256.Create())  
        {  
            byte[] bytes = sha256Hash.ComputeHash(Encoding.UTF8.GetBytes(rawData));  

            StringBuilder builder = new StringBuilder();  
            foreach (byte b in bytes)  
            {  
                builder.Append(b.ToString("x2")); // 转换为十六进制字符串  
            }  
            return builder.ToString();  
        }  
    }  
}  

// 用法示例  
public class Program  
{  
    public static void Main()  
    {  
        string original = "Hello, World!";  
        string hash = Hashing.ComputeSha256Hash(original);  
        Console.WriteLine($"SHA-256 Hash: {hash}");  
    }  
}