拓展知识三：编码学及密码学
编码和密码的区别
研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的，称为编码学；应用于破译密码以获取通信情报的，称为破译学，总称密码学。
编码和密码是两个不同的概念，它们的区别如下：
- 定义和目的
- 编码：是将信息从一种形式转换为另一种形式的过程，目的是为了方便信息的存储、传输和处理，或者是为了满足特定的格式要求。例如，将字符转换为计算机能够理解的二进制代码，或者将数据按照某种特定的规则进行格式化，如 Base64 编码，它把二进制数据转换为可打印的 ASCII 字符，便于在网络上传输或存储。
- 密码：是一种用于保护信息安全的技术，通过使用特定的算法和密钥对数据进行加密，使得只有授权的用户能够解密和访问原始数据。密码的主要目的是确保数据的保密性、完整性和可用性，防止未经授权的访问和篡改。
- 实现方式
- 编码：通常是基于一定的规则或算法进行的可逆转换，只要知道编码规则，就可以很容易地将编码后的数据还原为原始数据。例如，URL 编码是将特殊字符转换为 % 加上其 ASCII 码的十六进制表示，解码时只需按照相反的规则进行替换即可。
- 密码：使用复杂的加密算法对数据进行处理，加密过程通常是不可逆的，或者在没有正确密钥的情况下很难逆向还原。常见的加密算法如 AES（高级加密标准）、RSA 等，需要使用特定的密钥进行加密和解密操作，密钥的安全性至关重要。
- 应用场景
- 编码：广泛应用于计算机系统、网络通信、数据存储等领域。例如，在 Web 开发中，经常会使用编码来处理 URL 参数、表单数据等，以确保数据的正确传输和显示。在文件存储中，也会使用一些编码方式来优化存储空间和提高数据读取效率。
- 密码：主要应用于信息安全领域，用于保护敏感信息，如用户的登录密码、银行账户信息、企业的商业机密等。在网络通信中，也会使用加密技术来保证数据在传输过程中的安全性，防止被窃取或篡改。
- 安全性要求
- 编码：一般不涉及对信息的保密要求，其重点在于数据的格式转换和兼容性。虽然编码后的信息可能看起来难以直接理解，但并不具备真正的安全性，因为编码规则是公开的，任何人都可以进行编码和解码。
- 密码：对安全性要求极高，密钥的保密性是关键。一旦密钥泄露，加密的数据就可能被轻易破解，从而导致信息安全事故。因此，需要采取严格的安全措施来保护密钥，如使用安全的存储方式、定期更换密钥等。
基本术语
密钥：分为加密密钥和解密密钥。
明文：没有进行加密，能够直接代表原文含义的信息。
密文：经过加密处理之后，隐藏原文含义的信息。
加密：将明文转换成密文的实施过程。
解密：将密文转换成明文的实施过程。
密码算法：密码系统采用的加密方法和解密方法，随着基于数学密码技术的发展，加密方法一般称为加密算法，解密方法一般称为解密算法。
主要分支
对称加密：加密和解密使用相同的密钥。其优点是加密速度快，适合对大量数据进行加密；缺点是密钥管理困难，因为通信双方需要共享相同的密钥，且密钥的分发和存储需要保证安全性。常见的对称加密算法有 AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）等。
非对称加密：使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥可以公开，用于加密信息；私钥由用户自己保存，用于解密信息。其优点是密钥管理方便，不需要像对称加密那样在通信双方之间安全地传递密钥；缺点是加密和解密速度相对较慢。常见的非对称加密算法有 RSA、ECC（椭圆曲线密码体制）等。
哈希算法：也称为散列算法，它将任意长度的数据映射为固定长度的哈希值。哈希算法具有单向性，即从哈希值很难反推出原始数据。它主要用于数据的完整性校验和数字签名等方面，常见的哈希算法有 MD5、SHA-1、SHA-256 等。
应用领域
数据保密：保护敏感信息，如用户的个人隐私、企业的商业机密、政府的机密文件等，防止被未经授权的人员获取。
身份认证：通过验证用户的身份信息，如用户名和密码、数字证书等，确保只有合法用户能够访问系统或资源。
数字签名：用于验证消息的来源和完整性，以及确认发送者对消息的不可否认性。就像在纸质文件上签字一样，数字签名可以保证消息是由特定的发送者发送的，并且在传输过程中没有被篡改。
电子商务：在网上购物、在线支付等场景中，密码学技术用于保护用户的账户信息、交易数据等，确保交易的安全和可靠。
提问式学习
首先问你一个问题：你知道什么是密码学吗？
密码学是研究如何隐密地传递信息的学科。简单来说，就是把我们要传递的普通信息（明文）通过某种规则变成别人看不懂的信息（密文），接收方再按照特定的规则把密文还原成明文。比如，我们把字母 “A” 用数字 “1” 来代替，这就是一种简单的加密方式，“1” 就是密文，接收方知道这个规则，就能把 “1” 还原成 “A”。
那现在来问你第二个问题：你能想到生活中有哪些地方会用到密码学吗？
生活中用到密码学的地方可多啦。比如我们登录各种账号时输入的密码，这就是密码学的一种应用，用来验证我们的身份，保证只有我们自己能访问我们的账号信息。还有网上银行转账，在传输过程中为了防止信息被窃取和篡改，会用到加密技术来保护交易信息的安全。再比如手机解锁的密码或者指纹识别（这背后也有密码学相关技术来确保安全性）。
接着问你：你知道密码学里的加密算法有哪些分类吗？
常见的加密算法分类有对称加密算法和非对称加密算法。对称加密算法就是加密和解密使用相同的密钥。比如 DES（数据加密标准）、AES（高级加密标准）等。非对称加密算法则是加密和解密使用不同的密钥，一个是公钥，一个是私钥。公钥可以公开，任何人都可以用公钥来加密信息，但只有拥有对应私钥的人才能解密。典型的非对称加密算法有 RSA。
再问你：你觉得对称加密和非对称加密各自有什么优缺点呢？
对称加密的优点是加密和解密速度快，效率高，适合对大量数据进行加密。比如要加密一个大文件，对称加密能很快完成。缺点是密钥的管理比较困难，因为加密和解密都用同一个密钥，如果密钥在传输过程中被窃取，那么信息就不安全了。
非对称加密的优点是安全性相对较高，因为公钥可以公开，私钥自己保存好就行。而且在密钥交换等场景很有用，比如在网络通信中，双方可以用对方的公钥加密信息发送，接收方用自己的私钥解密。缺点是加密和解密速度比较慢，不适合对大量数据进行加密，一般用于加密少量关键信息，比如数字签名等场景。
现在问你：你知道什么是数字签名吗？
数字签名是一种用于验证消息真实性和完整性，以及确认消息来源的技术。简单说，发送方用自己的私钥对消息进行加密，得到的结果就是数字签名。接收方收到消息和数字签名后，用发送方的公钥来解密数字签名，如果能成功解密并且解密后的内容和收到的消息一致，那就说明消息确实是发送方发的，而且在传输过程中没有被篡改。比如在电子合同签署中，就可以用数字签名来保证合同的真实性和不可抵赖性。
我们继续深入学习密码学。首先问你，在对称加密算法中，AES 是比较常用的，你知道 AES 具体是如何进行加密操作的吗？
AES（高级加密标准）是基于分组密码的加密算法。它把明文分成固定长度的块，通常是 128 位，然后使用密钥对这些块进行一系列复杂的变换操作。这些操作包括字节替换、行移位、列混淆和轮密钥加等。通过多轮这样的变换，将明文逐渐转化为密文。每一轮的操作都依赖于密钥，不同的密钥会产生不同的密文，从而保证了加密的安全性。
接着问你，非对称加密算法中的 RSA 算法，它的安全性是基于什么数学原理呢？
RSA 算法的安全性基于大整数分解的困难性。具体来说，RSA 算法使用两个大素数相乘得到一个合数 N 作为公钥的一部分，要想从 N 分解出这两个大素数是非常困难的。攻击者如果不知道这两个素数，就无法计算出私钥，从而无法解密用公钥加密的信息。例如，当 N 是一个非常大的数，比如有几百位甚至上千位时，即使使用目前最快的计算机和最先进的算法，也需要花费很长时间才能尝试分解出它的因数。
再问你，你知道什么是哈希函数吗？它在密码学中有什么作用呢？
哈希函数是一种将任意长度的数据映射为固定长度哈希值的函数。它具有以下特点：输入数据的任何微小变化都会导致哈希值的巨大变化；从哈希值很难反推出原始数据；可以快速计算出哈希值。在密码学中，哈希函数常用于验证数据的完整性和用户密码的存储。比如，我们在网站上注册账号时，输入的密码不会以明文形式存储在服务器上，而是会通过哈希函数计算出一个哈希值存储起来。当我们登录时，输入的密码会再次经过哈希函数计算，与存储的哈希值进行比对，从而验证密码的正确性，这样可以提高密码的安全性，防止密码被窃取后直接被破解。
现在问你，在实际应用中，如何结合对称加密和非对称加密的优点来进行安全通信呢？
通常会采用混合加密的方式。比如，在进行网络通信时，首先使用非对称加密算法来交换对称加密算法使用的密钥。发送方用接收方的公钥加密对称密钥并发送给接收方，接收方用自己的私钥解密得到对称密钥。然后双方就可以使用这个对称密钥，通过对称加密算法来加密和解密大量的通信数据。这样既利用了非对称加密在密钥交换上的安全性，又利用了对称加密对大量数据加密的高效性。
又比如，你知道什么是数字证书吗？它和密码学有什么关系呢？
数字证书是一种权威性的电子文档，用于证明某一主体（如个人、企业或服务器）的身份以及其公钥的合法性。它由权威的证书颁发机构（CA）颁发。数字证书中包含了主体的身份信息、公钥以及 CA 对这些信息的数字签名。在网络通信中，当一方收到另一方的数字证书时，可以通过验证 CA 的数字签名来确认证书的真实性和有效性，从而信任对方的身份和公钥。这其中涉及到密码学中的数字签名技术来保证证书的不可篡改和身份的可验证性。
更深入一些的密码学知识问答：
对称加密算法
- 问题：AES 算法中的密钥扩展是如何实现的？为什么需要密钥扩展？
- 回答：AES 算法中的密钥扩展是将输入的密钥扩展为多个轮密钥，以用于加密过程中的不同轮次。它通过一系列的线性变换和非线性变换来实现。具体来说，是基于密钥编排算法，将初始密钥按照一定的规则进行移位、替换和异或等操作，生成多个子密钥。需要密钥扩展的原因是为了在不同轮次中使用不同的密钥，增加密码的安全性。通过密钥扩展，可以使每一轮加密使用的密钥都有所不同，从而增加攻击者破解密码的难度，防止攻击者通过分析单一密钥来破解整个加密系统。
非对称加密算法
- 问题：在 RSA 算法中，如何选择合适的素数 p 和 q 来保证算法的安全性？
- 回答：在 RSA 算法中，选择合适的素数 p 和 q 是保证算法安全性的关键。首先，p 和 q 应该是大素数，通常要求它们的长度达到一定的位数，例如 1024 位或 2048 位，这样可以增加分解 N = p * q 的难度。其次，p 和 q 的差值应该足够大，避免 p 和 q 过于接近，防止攻击者通过特殊的分解算法（如费马分解法）轻易地分解 N。此外，p - 1 和 q - 1 应该包含大的素因子，这有助于抵抗一些针对 RSA 算法的攻击，如 Pollard's p - 1 算法。同时，p 和 q 还应该是随机选择的，以避免被攻击者预测或猜测到。
哈希函数
- 问题：哈希函数的碰撞问题是如何产生的？有哪些解决方法？
- 回答：哈希函数的碰撞问题是指不同的输入数据产生相同的哈希值的情况。这是由于哈希函数将无限的输入空间映射到有限的输出空间，根据鸽巢原理，必然会存在不同的输入产生相同的输出。解决哈希函数碰撞问题的方法有多种。一种常见的方法是使用更长的哈希值，增加输出空间的大小，从而降低碰撞的概率。例如，从 MD5（128 位哈希值）升级到 SHA - 256（256 位哈希值）。另一种方法是采用哈希冲突解决策略，如链地址法，当发生碰撞时，将具有相同哈希值的数据存储在一个链表中。还有开放地址法，当发生碰撞时，通过一定的探测序列寻找下一个可用的存储位置。
数字证书
- 问题：数字证书的吊销机制是如何工作的？为什么需要数字证书吊销？
- 回答：数字证书的吊销机制是为了在证书的有效期内，当出现某些情况（如证书所有者的私钥泄露、证书信息错误或证书不再被信任等）时，能够及时撤销证书的有效性，防止其被滥用。通常，证书颁发机构（CA）会维护一个证书吊销列表（CRL），当决定吊销某个证书时，会将该证书的序列号等信息添加到 CRL 中。CRL 会定期更新并发布。在进行安全通信时，验证方除了验证证书的真实性和有效性外，还会检查证书是否在 CRL 中。如果证书在 CRL 中，那么该证书将被视为无效，通信将被拒绝。另外，还有一种在线证书状态协议（OCSP），它允许实时查询证书的状态，而不需要下载整个 CRL，提高了证书验证的效率。数字证书吊销是非常必要的，它可以及时应对证书在使用过程中出现的各种安全问题，保护通信双方的安全和利益，确保整个密码学体系的安全性和可靠性。
密码学在区块链中的应用
- 问题：密码学在区块链中起到了哪些关键作用？
- 回答：密码学在区块链中起着至关重要的作用。首先，哈希函数用于计算区块的哈希值，通过对区块中的数据（包括交易信息、时间戳等）进行哈希运算，生成一个唯一的哈希值来标识该区块。这保证了数据的完整性，因为任何数据的微小变化都会导致哈希值的巨大变化，使得攻击者难以篡改区块中的数据而不被发现。其次，数字签名用于验证交易的发起者身份和确保交易的不可抵赖性。交易发起者使用自己的私钥对交易进行签名，其他人可以通过验证数字签名来确认交易是否由合法的用户发起，并且发起者无法否认自己发起的交易。此外，公钥加密技术用于保护区块链网络中的通信安全，确保节点之间传输的数据不被窃取或篡改。最后，非对称加密算法还用于生成和管理区块链中的钱包地址，用户通过自己的私钥来控制钱包中的资产，只有拥有正确私钥的用户才能进行转账等操作。
量子密码学
- 问题：量子密码学与传统密码学有什么不同？它的原理是什么？
- 回答：量子密码学与传统密码学的主要不同在于其基于量子力学原理，而传统密码学基于数学难题。量子密码学利用量子态的不可克隆原理和量子纠缠等特性来实现信息的安全传输。其原理主要是通过量子态来编码信息，例如利用光子的偏振态。由于量子态的测量会导致其状态的改变，任何对量子信息的窃听都会被发现。例如，在量子密钥分发（QKD）中，发送方和接收方通过量子信道传输量子态，接收方通过特定的测量方法来获取密钥信息。如果有第三方试图窃听，那么量子态的变化会使得接收方和发送方检测到异常，从而保证了密钥的安全性。然后，双方可以使用这个安全的密钥进行传统的对称加密通信。量子密码学提供了一种理论上无条件安全的通信方式，与传统密码学基于计算复杂性的安全性有所不同。
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长三角某换电站光伏板晒到发烫，却因电网限电被迫切机；北京五环充电站每月多缴6万超容费；深圳物流车充电高峰排队3小时...当95%的充换站深陷“用不起绿电、扛不住扩容、算不清碳账”困局，安科瑞用一组真实数据撕开行业潜规则&#…...
Flink 流处理框架的核心特性
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