公钥密码体系中的公钥与私钥

公钥密码学的工作原理

公钥由一串随机数字构成，可用于加密消息。只有预期的接收方能够使用对应的私钥解密并读取消息，私钥同样是一长串随机数字。私钥属于密钥，必须仅由接收方知晓。这对密钥在数学上互相关联：使用公钥或私钥加密的内容，只能由对应的另一把密钥解密。

公钥密码学的优势

公钥密码学的核心优势是可大规模提升数据与身份的安全性。该机制的安全性保障在于：私钥由其所有者保密，任何场景下都无需披露或共享私钥。

乍看之下可能有违直觉：使用两把私钥组成密钥对来加密和解密敏感信息，安全性并不高于非对称密码体系。采用两把私钥的对称密钥算法，要求通信双方都能访问密钥，双方都需要承担保密责任，反而提升了风险。此外，对称密钥算法难以实现大规模扩展：要私密交换所有必要的私钥组合，需要协调海量连接，这几乎是不可能完成的。

公钥密码架构具备极强的可扩展性，可保护机构每日在内部网络及互联网上交换的数十亿条消息。实现这种扩展性的原因是：公钥可以大范围公开分发，恶意行为者无法借此推算出解密消息所需的私钥。

公钥与私钥的区别

简而言之，公钥和私钥的核心区别在于其中一把用于加密，另一把用于解密。在公钥密码体系中，加密密钥（可能是公钥或私钥）会将明文消息加密，转换为被称为密文的编码格式；随后另一把密钥作为解密密钥，对密文进行解密，让接收方能够读取原始消息。

公钥的工作机制

什么是公钥？公钥会公开发布，所有人均可查看。公钥通过复杂的非对称算法生成，与对应的私钥配对。最常用于生成公钥的算法包括：

• Rivest–Shamir–Adleman（RSA）
• 椭圆曲线密码学（ECC）
• 数字签名算法（DSA）

这些算法通过各类计算方法生成长度不一的随机数字组合，使其无法被暴力攻击破解。公钥的密钥长度（即位长）决定了防护强度。例如，SSL/TLS 证书、数字签名及其他数字证书常采用2048位 RSA 密钥，该密钥长度可提供足够的密码学安全性，防止黑客破解算法。包括CA/Browser Forum在内的标准组织会针对受支持的密钥大小制定基线要求。

私钥的工作机制

什么是私钥？与可公开访问的公钥不同，私钥是仅由其所有者知晓的密钥。公私钥配对后，接收方可使用对应的密钥解密密文，读取原始消息。私钥与对应的公钥采用相同算法生成，以生成具备数学绑定关系的强密钥对。

使用公钥对同时保障安全与身份可信

使用公钥对的非对称加密的一项独特优势是，它既可以保障加密消息的安全性，又能确认发送方的身份。要保障消息安全时，发送方获取接收方的公钥，并用该公钥加密消息。这种消息可在互联网上公开传输，由于只有持有对应私钥的接收方能够解密消息，因此可实现安全传输。

密钥对的使用顺序也可以调换，以确认发送方身份。如果发送方使用私钥加密消息，接收方可以用发送方的公钥解密并读取消息。由于任何人都能用发送方的公钥解密消息，因此这种消息传输不一定安全，但因为私钥仅由发送方持有，因此可确认该消息确实来自对应主体。

公钥密码学的常见应用

许多协议都依赖非对称密码技术。这项技术有大量应用场景，包括 Web 服务器安全、数字签名、文档签名以及数字身份.

Web 服务器安全

公钥密码学是安全套接层（SSL）和传输层安全（TLS）协议的基础，而这两类协议是 HTTPS 安全浏览器连接的基石。如果没有 SSL/TLS 证书来建立安全连接，网络犯罪分子就可以利用中间人攻击等多种攻击手段，在互联网或其他 IP 网络上拦截消息并获取内容。公钥密码学可起到类似数字指纹校验的作用，对接收方和发送方的身份进行认证，从而防范中间人攻击。

数字签名与文档签名

除了用于加密消息之外，密钥对还可用于数字签名和文档签名。公钥密码学利用发送方的私钥来验证数字身份。这种密码学校验会通过数学方式将签名与原始消息绑定，确保消息未被篡改。

数字身份

公私钥对还可提供有效的身份认证能力。随着数据和应用的范围从传统网络扩展到移动设备、公有云、私有云以及物联网设备，身份安全的重要性达到了前所未有的高度。而且数字身份并不局限于设备，还可用于对人员、数据或应用进行认证。采用非对称密码技术的数字身份证书可以替代密码，帮助组织提升网络安全水平——如今攻击者窃取密码的手段已经越来越娴熟。

公钥密码学的其他应用包括S/MIME 证书，这类证书可验证邮件发送方身份并加密邮件内容，以防范鱼叉式钓鱼攻击；还有SSH 密钥，用于控制员工对服务器的访问权限。

证书颁发机构在公钥密码学中的作用

公钥密码学能够落地的一个关键组成部分，是存在可信赖的代理方来发布与各主体私钥对应的公钥。如果没有这类可信任的权威机构，发送方就无法确认自己使用的确实是与接收方私钥匹配的正确公钥，而不是恶意攻击者为拦截敏感信息、用于非法目的而伪造的密钥。

这类可信任的代理方就是证书颁发机构（CA）。Sectigo 等受信任的第三方组织可作为私有证书颁发机构运营，但许多企业和技术服务商也会选择搭建自有 CA。无论采用哪种形式，证书颁发机构都必须是可信的：需要核验并担保其发布公钥的所有发送方的身份，确保这些公钥确实对应发送方持有的私钥，同时维护自身组织内部的信息安全水平，防范恶意攻击。