公開密鑰密碼體系中的公鑰與私鑰

公開密鑰密碼學的運作原理

公鑰由一串隨機數字構成，可用於加密訊息。只有預期的接收方能夠使用對應的私鑰解密並讀取訊息，私鑰同樣是一長串隨機數字。私鑰屬於密鑰，必須僅由接收方知曉。這對密鑰在數學上互相關聯：使用公鑰或私鑰加密的內容，只能由對應的另一把密鑰解密。

公開密鑰密碼學的優勢

公開密鑰密碼學的核心優勢是可大規模提升數據與身分的安全性。該機制的安全性保障在於：私鑰由其擁有者保密，任何場景下都無需披露或共享私鑰。

乍看之下可能有違直覺：使用兩把私鑰組成密鑰對來加密和解密敏感資訊，安全性並不高於非對稱密碼體系。採用兩把私鑰的對稱密鑰算法，要求通訊雙方都能存取密鑰，雙方都需要承擔保密責任，反而提升了風險。此外，對稱密鑰算法難以實現大規模擴展：要私密交換所有必要的私鑰組合，需要協調海量連線，這幾乎是不可能完成的。

公開密鑰密碼架構具備極強的可擴展性，可保護機構每日在內部網絡及互聯網上交換的數十億條訊息。實現這種擴展性的原因是：公鑰可以大範圍公開分發，惡意行為者無法藉此推算出解密訊息所需的私鑰。

公鑰與私鑰的區別

簡而言之，公鑰和私鑰的核心區別在於其中一把用於加密，另一把用於解密。在公開密鑰密碼體系中，加密密鑰（可能是公鑰或私鑰）會將明文訊息加密，轉換為被稱為密文的編碼格式；隨後另一把密鑰作為解密密鑰，對密文進行解密，讓接收方能夠讀取原始訊息。

公鑰的運作機制

什麼是公鑰？公鑰會公開發布，所有人均可查看。公鑰透過複雜的非對稱算法生成，與對應的私鑰配對。最常用於生成公鑰的算法包括：

• Rivest–Shamir–Adleman（RSA）
• 橢圓曲線密碼學（ECC）
• 數碼簽署算法（DSA）

這些算法透過各類計算方法生長度不一的隨機數字組合，使其無法被暴力攻擊破解。公鑰的密鑰長度（即位長）決定了防護強度。例如，SSL/TLS 證書、數碼簽署及其他數碼證書常採用2048位 RSA 密鑰，該密鑰長度可提供足夠的密碼學安全性，防止黑客破解算法。包括CA/Browser Forum在內的標準組織會針對受支援的密鑰大小制定基線要求。

密鑰的運作機制

什麼是私鑰？與可公開存取的公鑰不同，私鑰是僅供其擁有者知悉的密鑰。公私鑰配對後，接收方可使用對應的密鑰解密密文，讀取原始訊息。私鑰與對應的公鑰採用相同算法生成，以建立具備數學綁定關係的強密鑰對。

使用公鑰對同時保障安全與身份可信

使用公鑰對的非對稱加密有一項獨特優勢，就是既能保障加密訊息的安全性，又能確認發送方的身份。要保障訊息安全時，發送方會取得接收方的公鑰，並用該公鑰加密訊息。這類訊息可在互聯網上公開傳輸，由於只有持有對應私鑰的接收方能夠解密訊息，因此可實現安全傳輸。

密鑰對的使用順序也可以調換，以確認發送方身份。如果發送方使用私鑰加密訊息，接收方可以用發送方的公鑰解密並讀取訊息。由於任何人都能用發送方的公鑰解密訊息，因此這種訊息傳輸不一定安全，但因為私鑰僅由發送方持有，因此可確認該訊息確實來自對應主體。

公鑰密碼學的常見應用

許多協議都依賴非對稱密碼技術。這項技術有大量應用場景，包括 Web 伺服器安全、數碼簽署、文件簽署以及數碼身份.

Web 伺服器安全

公鑰密碼學是安全套接層（SSL）和傳輸層安全（TLS）協議的基礎，而這兩類協議是 HTTPS 安全瀏覽器連線的基石。如果沒有 SSL/TLS 證書來建立安全連線，網絡罪犯就可以利用中间人攻擊等多種攻擊手段，在互聯網或其他 IP 網絡上攔截訊息並獲取內容。公鑰密碼學可起到類似數碼指紋校驗的作用，對接收方和發送方的身份進行認證，從而防範中间人攻擊。

數碼簽署與文件簽署

除了用於加密訊息之外，密鑰對還可用於數碼簽署和文件簽署。公鑰密碼學利用發送方的私鑰來驗證數碼身份。這種密碼學校驗會通過數學方式將簽署與原始訊息綁定，確保訊息未被篡改。

數碼身份

公私鑰對還可提供有效的身份認證能力。隨着數據和應用的範圍從傳統網絡擴展到流動裝置、公有雲、私有雲以及物聯網裝置，身份安全的重要性達到了前所未有的高度。而且數碼身份並不局限於裝置，還可用於對人員、數據或應用進行認證。採用非對稱密碼技術的數碼身份證書可以替代密碼，協助機構提升網絡安全水平——如今攻擊者竊取密碼的手段已經越來越純熟。

公鑰密碼學的其他應用包括S/MIME 證書，這類證書可驗證電郵發送方身份並加密電郵內容，以防範魚叉式網絡釣魚攻擊；還有SSH 密鑰，用於控制員工對伺服器的存取權限。

證書頒發機構在公鑰密碼學中的作用

公鑰密碼學能夠落地的一個關鍵組成部分，是存在可信赖的代理方來發佈與各主體私鑰對應的公鑰。如果沒有這類可信任的權威機構，發送方就無法確認自己使用的確實是與接收方私鑰匹配的正確公鑰，而不是惡意攻擊者為攔截敏感資訊、用於非法目的而偽造的密鑰。

這類可信任的代理方就是證書頒發機構（CA）。Sectigo 等受信任的第三方機構可作為私有證書頒發機構營運，但不少企業與技術服務商亦會選擇搭建自有 CA。無論採用哪種形式，證書頒發機構都必須可信：需要核實並擔保其發布公鑰的所有傳送方的身份，確保該等公鑰確實對應傳送方持有的密鑰，同時維持自身機構內部的資訊安全水平，防範惡意攻擊。