加密算法
加密算法乍一听貌似和大部分人的日常生活十分遥远，但实际却密切相关。从网络层到主机文件层，无论那层加密应用或协议背后都是由各种加密算法所支撑。即便你不用任何加密产品，凡是使用https的网站都已经使用了加密协议TLS/SSL。你也被动享受了加密算法带来的隐私保护，及通讯安全。今天我们抛开浅层的应用来扒一扒各种有趣的加密算法。
在扒加密算法前先稍微科普一下，加密算法主要作用是把明文变成密文。加密算法加密后，明文会变成密文，防止信息泄露。虽然看起来和乱码很像，但密文不是乱码。大部分乱码是由于编码不一致导致。编码不属于加密算法，编码无法把明文变成密文，只是改变了一种显示格式而已。所以base64只是一种编码而已，它不是加密算法，不具备加密能力，不能保障您的明文安全。所以，以后要听哪家说我们使用了base64进行加密，赶紧屏蔽。
加密算法的加密需要符合以下三点诉求：
1.机密性：保证数据即使被盗取，小偷也不知道是啥。
2.完整性： 保证数据在传输过程中即使被劫持修改，接收方能够发现信息已被截取，而选择换掉。
3.可用性：保证加密算法的开销、复杂度都在可用范围。
结合上述诉求，加密算法的发展主要经历了古典密码和现代密码两个重要时期。
现代加密算法
古典加密算法本质上主要考虑的是语言学上模式的改变。直到20世纪中叶，香农发表了《秘密体制的通信理论》一文，标志着加密算法的重心转移往应用数学上的转移。于是，逐渐衍生出了当今重要的三类加密算法：非对称加密、对称加密以及哈希算法。这三类算法在现实场景中也往往组合起来使用，以发挥最佳效果。
对称加密算法
对称加密算法是使用最广泛的加密算法之一。常用的对称性加密算法有DES算法、AES算法、3DES算法、TDEA算法、Blowfish算法、RC5算法、IDEA算法等。对称加密的特点是，加密和解密两方使用同一密钥进行加、解密。加密算法本身泄露不会对安全性造成影响，密钥才是安全性的关键。按照原理不同，对称加密可以大体分成流加密和分组加密两种类型。
流加密
流加密是将明文按字符逐位地，对应地进行加密的一类对称密码算法。流加密中最有名的算法是RC4和GSM。流加密算法相对简单，明文和密钥按位对其做约定的运算，即可获得密文。
最简单的模型是异或流加密例如：
由于流加密原理简单，其算法结构存在弱点，如果密钥流又多次重复使用，只要泄露局部明文，攻击者很容易算出密钥。另外，由于是按位进行加密，攻击者即使对数据进行篡改，也不会破坏原有数据结构，接收者很难发现其中变化。流加密虽然是一种快捷高效的加密方法，但其安全性较低，不建议用户使用流加密对关键信息进行加密。
分组加密
分组加密内部实现则复杂的多，每一个加密块都会经历至少16轮运算，其代表算法有DES和AES。目前推荐使用AES，DES已经不在安全。
DES
DES是较早时期的对称加密标准，在当时得到了广泛的应用。随着计算机性能地不断提高，暴力破解DES变得越来越容易。所以DES已经不再安全，近十几年逐渐地被3DES和AES代替。
DES核心主要分成初始置换、轮函数、逆置换三步。
初始置换：把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分长32位，其置换规则为将输入的第58位换到第1位，第50位换到第2位……依此类推，最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0是右32位，其置换规则见下表：
58,50,42,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8,
57,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,
61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7,
轮函数：DES 使用一个 56 位的密钥以及附加的 8 位奇偶校验位（每组的第8位作为奇偶校验位），产生最大 64 位的分组大小。这是一个迭代的分组密码，使用称为 Feistel 的技术，其中将加密的文本块分成两半。使用子密钥对其中一半应用循环功能，然后将输出与另一半进行“异或”运算；接着交换这两半，这一过程会继续下去，但最后一个循环不交换。
逆置换：DES 使用 16 轮循环，使用异或、置换、代换、移位操作四种基本运算。最后经过16次迭代运算后，得到L16、R16，将此作为输入进行逆置换，逆置换正好是初始置换的逆运算，由此即得到密文输出，解密过程则是整套加密过程的逆运算。
AES
AES的诞生是为了替代原先的DES，它已经被多方分析论证，在全世界范围广泛使用，是目前最为安全的对称加密算法之一。近十年，AES已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。不同于它的前任标准DES，AES使用的是代换-置换网络，而非Feistel架构。
大多数AES计算是在一个特别的有限域内完成的，加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“状态（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte）。加密时，各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
AddRoundKey——矩阵中的每一个字节都与该次轮密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
SubBytes——通过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
ShiftRows——将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
MixColumns ——为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，以另一个ddRoundKey取代。
模式
无论是AES还是DES他们内部都支持不同的加密模式，每一种模式的安全性和效率都大不相同。这里，只简单介绍两种最常见的模式ECB和CBC
ECB模式加密效率高，但安全性低，模式如下图：
每次都是Key对单独块进行加密，容易被对方破解。但由于每个模块之间毫无关联，所以可以并发运算，极大地提高了加密效率。通常，ECB的加密效率比CBC高5-6倍。
CBC加密效率虽然没有ECB高，但安全性则高得多。模式如下图：
每块加密引入一个IV，每块的IV都不同，需要上一块进行迭代，最终完成整个加密过程。由于每块的IV和密文块有关，所以无法采用并发的模式，必须串行整个过程。
如果不是出于极高的性能要求，建议还是采用CBC模式进行加密，该模式更为安全、可靠。
非对称加密算法
非对称加密算法和对称加密算法的最大区别在于，加密的密钥和解密的密钥不再是一个。这就像两个人互对暗号一样。这种加密方式主要为了应对“多个加密者，一个解密者”的模式，对称密钥只能解决解密用户为一对一的关系。
于是在这种多对一的关系中就出现了一个公钥体系。一个公钥对应一个私钥。公钥是公开的，任何数据发送者都用公钥对数据进行加密，但公钥加密的内容只有私钥才能解开。其中著名的算法包括DSA算法、RSA算法、Elgamal算法、背包算法、Rabin算法、D-H算法、ECC算法。背后的数学原理从大数分解到复杂的椭圆曲线上的离散对数问题，非常复杂。这里，笔者就不做展开。
虽然背后的数学支撑不同，但模式类似，均采用公私钥密钥对的方式，公钥解密私钥加密的信息，私钥解密公钥加密的信息。非对称加密算法的执行效率成为这种算法实际应用的最大阻碍。大部分应用主要把非对称加密算法用在身份验证中，并不会在通讯中使用。
哈希算法
哈希算法也是非常常见的加密算法之一。他和对称算法以及非对称算法最大的区别是，它不是用来做数据传输，而是对数据是否被篡改加以验证，防止不法分子篡改数据。它的特点是无论原文多长都会变成固定长度的字符串，只能加密不能解密（只能单向运算）。对于不同的输入，理论上会生成不同的输出（部分算法已出现大规模碰撞，碰撞就是指不同明文相同密文的情况）。
常见哈希算法包含MD5、SHA-1和SHA 224/256/512等。其中，MD5和SHA-1已经被证明不再安全，所以，建议使用SHA256/512等安全性高的算法。
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