非對稱加密是什麼？原理和應用介紹

在加密過程中，金鑰會與明文一同輸入演算法，並在每一步運算中影響最終結果；解密時，同樣必須使用正確的金鑰，才能將密文還原為原本的明文。

【加密與解密示意圖】

依金鑰的使用方式不同，加密可分為對稱加密與非對稱加密。本文將深入介紹非對稱加密的原理與應用，並比較兩種加密方式的差異與優勢 

非對稱加密（Asymmetric Encryption）是什麼？

在非對稱加密中，加密和解密所使用的金鑰不同，也因此被稱為「非對稱加密」。

非對稱加密在將明文轉換為亂碼密文時，所使用的是「公開的金鑰（Public Key，簡稱公鑰）」，也就是可以與任何人分享的金鑰。在解密時，則以僅有特定使用者持有的「私密的金鑰（Private Key，簡稱私鑰）」進行將亂碼還原的過程。

對稱加密（Symmetric Encryption）是什麼？

相對於使用不同金鑰加密與解密的非對稱加密，對稱加密在加密和解密過程中都使用同一把鑰匙。因此，對稱加密中的金鑰是不公開的，無論是加密或是解密資訊的那方，都需要把金鑰妥善保存，避免遭竊。

而也因為對稱加密使用相同金鑰，利用對稱加密傳輸資訊時，傳送者和接收者之間，除了傳送資訊本身的管道以外，還有另一個管道互相確認使用者身份和交換金鑰（通常為安全協定、實體安全管道等）。

而相較於非對稱加密中的金鑰較複雜，對稱加密的金鑰是一串數值，每次加密的數值可能不同。但通常來說，字元數較非對稱加密金鑰短。

加密中的演算法與金鑰是什麼？

前面提過，加密過程中最不可或缺的就是「演算法」與「金鑰」兩項。那它們分別是什麼呢？

• 演算法：是一套數學公式或數學模型，規定了加密與解密的計算規則。演算法本身通常是公開的，安全性依賴於金鑰的保密。
• 金鑰：是一組特定的參數，在加密過程中會與明文一起進入演算法，影響每一步運算的結果。不同的金鑰，即使用同一套演算法，加密後的密文也會完全不同。

下面段落會進一步介紹在非對稱與對稱加密中，演算法和金鑰扮演了什麼樣的角色。

非對稱加密的演算法

在非對稱加密中，加密和解密的過程，仰賴數學難題，常使用的演算法為以「質因數分解為基礎的 RSA」和「根據橢圓離散對數問題為主的橢圓曲線密碼學（ECC）」兩種：RSA 演算法的金鑰長度較長，破解難度高；ECC 的金鑰長度較短，但可以達到與 RSA 同等的加密強度。

對稱加密的演算法

對稱加密有「區塊加密（Block Cipher）」與「串流加密（Stream Cipher）」兩種方式。區塊加密會將明文資料切割成小塊，以分塊、替換、置換、混合、多輪迭代等方式轉換為亂碼，常用的演算法有 AES、DES 和 3DES。串流加密則是一次處理明文資料中的一個位元或一個字節，就不再另外切割成小塊。

【想要更進一步了解加密演算法，歡迎閱讀《加密是什麼？7 種常見的加密演算法》】

非對稱加密中的金鑰

在非對稱加密中，金鑰是數學模型中的核心參數（例如 RSA 的模數與指數），安全性依賴於解特定數學難題的困難度，例如質因數分解或橢圓曲線離散對數問題。由於這些數學問題可能有已知的最佳解法，比起靠暴力破解對稱加密金鑰要快得多，因此若要達到相同的安全等級，非對稱加密需要更長的位元長度。金鑰長度越長安全性越高，但加密與解密所需的運算資源與時間也會增加。

在非對稱加密中，首先由接收者生成解密用的私鑰，再由私鑰推導出對應的公鑰。公鑰可公開分享給任何人進行加密，但只有持有私鑰的使用者能解密。

對稱加密的金鑰

對稱加密的金鑰為隨機的數值，功用就像一份專屬的「加密指令表」，告訴演算法要如何替換、排序與混合資料。在加密和解密時，使用相同的數值。

由於對稱加密金鑰的本質為隨機數值，可以透過暴力破解逐一嘗試可能的組合破解。而金鑰字元越長，要使用暴力破解獲得金鑰的困難度就越高。因此，對稱加密中的金鑰長度，也同樣對加密安全性有關鍵的影響。

非對稱加密 vs 對稱加密：差異與優勢

非對稱加密和對稱加密最主要的差別在於，使用的金鑰和演算法類別。在實際應用上，也會有所差異，特別在以下 3 個面向：

• 速度

對稱加密因為金鑰位元數通常較短，且演算法運算量小，加密和解密的速度都比非對稱加密快。此外，對稱加密只需要一把雙方共用的金鑰即可完成加解密，不必在加密與解密時使用不同金鑰，因此相對於非對稱加密，在運算與流程上更簡單。

• 金鑰管理

使用非對稱加密，就需要管理不同的公鑰與私鑰，因此系統會需要更多運算資源，也讓加密與解密的流程更複雜。對稱加密只需要管理 1 組私密金鑰，流程較簡單。

• 金鑰分發

對稱加密中，加密與解密共用的金鑰，在每一次資料傳輸交換前，分發金鑰時，都有可能外洩。這點是對稱加密的安全風險。

雖然對稱加密與非對稱加密在原理與應用上不同，但實務上常會結合使用，以兼顧安全性與效能。例如，先用對稱加密演算法加密明文內容，再用非對稱加密演算法加密該次使用的對稱金鑰。這樣既能利用對稱加密的高速度處理大量資料，也能利用非對稱加密安全地傳輸金鑰，降低金鑰外洩風險。

非對稱加密的實際使用場景

雖然非對稱加密可能需要花比較多時間，但在日常生活中應用十分廣泛，常見的例子包括： 

• 網頁瀏覽：用於 HTTPS 網頁瀏覽，在建立連線時利用非對稱加密交換對稱金鑰，確保後續傳輸安全。

• 數位簽章（Digital Signature）／身份驗證：私鑰簽名、公鑰驗證，確認訊息或交易的真實性與完整性。

• 交換密鑰：防止對稱加密金鑰在傳輸時外洩。

• 區塊鏈技術：公鑰生成錢包地址，私鑰簽署交易。

非對稱加密的挑戰與趨勢

雖然非對稱加密提供高安全性，但隨著科技發展，也面臨新的挑戰。目前主要的挑戰即為：量子計算和 AI 技術。

量子計算利用量子力學原理，大幅提升數學運算的效率與能力，使破解非對稱加密背後數學難題的速度顯著加快。為了解決這個問題，密碼學界正積極發展後量子加密（Post-Quantum Cryptography，PQC）。

AI 透過對大量資料的分析與模式識別，可協助發現加密系統的潛在弱點。雖然 AI 在模式辨識方面難以直接破解強加密演算法，但能加速分析系統實作上的漏洞，例如旁通道攻擊（Side-Channel Attack）與金鑰管理不當等問題。同時，AI 也可用於強化加密安全性，例如測試演算法的抗攻擊能力、分析安全漏洞、優化演算法設計，以及改善對稱與非對稱加密的金鑰管理流程。

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