非对称加密是什么？原理和应用介绍

在加密过程中，金钥会与明文一同输入演算法，并在每一步运算中影响最终结果；解密时，同样必须使用正确的金钥，才能将密文还原为原本的明文。

【加密与解密示意图】

依金钥的使用方式不同，加密可分为对称加密与非对称加密。本文将深入介绍非对称加密的原理与应用，并比较两种加密方式的差异与优势。

非对称加密（Asymmetric Encryption）是什么？

在非对称加密中，加密和解密所使用的金钥不同，也因此被称为「非对称加密」。

非对称加密在将明文转换为乱码密文时，所使用的是「公开的金钥（Public Key，简称公钥）」，也就是可以与任何人分享的金钥。在解密时，则以仅有特定使用者持有的「私密的金钥（Private Key，简称私钥）」进行将乱码还原的过程。

对称加密（Symmetric Encryption）是什么？

相对于使用不同金钥加密与解密的非对称加密，对称加密在加密和解密过程中都使用同一把钥匙。因此，对称加密中的金钥是不公开的，无论是加密或是解密资讯的那方，都需要把金钥妥善保存，避免遭窃。

而也因为对称加密使用相同金钥，利用对称加密传输资讯时，传送者和接收者之间，除了传送资讯本身的管道以外，还有另一个管道互相确认使用者身份和交换金钥（通常为安全协定、实体安全管道等）。

而相较于非对称加密中的金钥较复杂，对称加密的金钥是一串数值，每次加密的数值可能不同。但通常来说，字元数较非对称加密金钥短。

加密中的演算法与金钥是什么？

前面提过，加密过程中最不可或缺的就是「演算法」与「金钥」两项。那它们分别是什么呢？

• 演算法：是一套数学公式或数学模型，规定了加密与解密的计算规则。演算法本身通常是公开的，安全性依赖于金钥的保密。
• 金钥：是一组特定的参数，在加密过程中会与明文一起进入演算法，影响每一步运算的结果。不同的金钥，即使用同一套演算法，加密后的密文也会完全不同。

下面段落会进一步介绍在非对称与对称加密中，演算法和金钥扮演了什么样的角色。

非对称加密的演算法

在非对称加密中，加密和解密的过程，仰赖数学难题，常使用的演算法为以「质因数分解为基础的 RSA」和「根据椭圆离散对数问题为主的椭圆曲线密码学（ECC）」两种：RSA 演算法的金钥长度较长，破解难度高；ECC 的金钥长度较短，但可以达到与 RSA 同等的加密强度。

對稱加密的演算法

对称加密有「区块加密（Block Cipher）」与「串流加密（Stream Cipher）」两种方式。区块加密会将明文资料切割成小块，以分块、替换、置换、混合、多轮迭代等方式转换为乱码，常用的演算法有 AES、DES 和 3DES。串流加密则是一次处理明文资料中的一个位元或一个字节，就不再另外切割成小块。

【想要更进一步了解加密演算法，欢迎阅读《加密是什么？ 7 种常见的加密演算法》】

非对称加密中的金钥

在非对称加密中，金钥是数学模型中的核心参数（例如 RSA 的模数与指数），安全性依赖于解特定数学难题的困难度，例如质因数分解或椭圆曲线离散对数问题。由于这些数学问题可能有已知的最佳解法，比起靠暴力破解对称加密金钥要快得多，因此若要达到相同的安全等级，非对称加密需要更长的位元长度。金钥长度越长安全性越高，但加密与解密所需的运算资源与时间也会增加。

在非对称加密中，首先由接收者生成解密用的私钥，再由私钥推导出对应的公钥。公钥可公开分享给任何人进行加密，但只有持有私钥的使用者能解密。

对称加密的金钥

对称加密的金钥为随机的数值，功用就像一份专属的「加密指令表」，告诉演算法要如何替换、排序与混合资料。在加密和解密时，使用相同的数值。

由于对称加密金钥的本质为随机数值，可以透过暴力破解逐一尝试可能的组合破解。而金钥字元越长，要使用暴力破解获得金钥的困难度就越高。因此，对称加密中的金钥长度，也同样对加密安全性有关键的影响。

非对称加密 vs 对称加密：差异与优势

非对称加密和对称加密最主要的差别在于，使用的金钥和演算法类别。在实际应用上，也会有所差异，特别在以下 3 个面向：

• 速度

对称加密因为金钥位元数通常较短，且演算法运算量小，加密和解密的速度都比非对称加密快。此外，对称加密只需要一把双方共用的金钥即可完成加解密，不必在加密与解密时使用不同金钥，因此相对于非对称加密，在运算与流程上更简单。

• 金钥管理

使用非对称加密，就需要管理不同的公钥与私钥，因此系统会需要更多运算资源，也让加密与解密的流程更复杂。对称加密只需要管理 1 组私密金钥，流程较简单。

• 金钥分发

对称加密中，加密与解密共用的金钥，在每一次资料传输交换前，分发金钥时，都有可能外泄。这点是对称加密的安全风险。

虽然对称加密与非对称加密在原理与应用上不同，但实务上常会结合使用，以兼顾安全性与效能。例如，先用对称加密演算法加密明文内容，再用非对称加密演算法加密该次使用的对称金钥。这样既能利用对称加密的高速度处理大量资料，也能利用非对称加密安全地传输金钥，降低金钥外泄风险。

非对称加密的实际使用场景

虽然非对称加密可能需要花比较多时间，但在日常生活中应用十分广泛，常见的例子包括： 

• 网页浏览：用于 HTTPS 网页浏览，在建立连线时利用非对称加密交换对称金钥，确保后续传输安全。

• 数位签章（Digital Signature）／身份验证：私钥签名、公钥验证，确认讯息或交易的真实性与完整性。

• 交换密钥：防止对称加密金钥在传输时外泄。

• 区块链技术：公钥生成钱包地址，私钥签署交易。

非对称加密的挑战与趋势

虽然非对称加密提供高安全性，但随着科技发展，也面临新的挑战。目前主要的挑战即为：量子计算和 AI 技术。

量子计算利用量子力学原理，大幅提升数学运算的效率与能力，使破解非对称加密背后数学难题的速度显著加快。为了解决这个问题，密码学界正积极发展后量子加密（Post-Quantum Cryptography，PQC）。

AI 透过对大量资料的分析与模式识别，可协助发现加密系统的潜在弱点。虽然 AI 在模式辨识方面难以直接破解强加密演算法，但能加速分析系统实作上的漏洞，例如旁通道攻击（Side-Channel Attack）与金钥管理不当等问题。同时，AI 也可用于强化加密安全性，例如测试演算法的抗攻击能力、分析安全漏洞、优化演算法设计，以及改善对称与非对称加密的金钥管理流程。

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