对称加密 vs 非对称加密：为什么两者都需要

Published: Sat Feb 01 2025 | Modified: Sat Feb 07 2026 , 5 minutes reading.

1. 为什么要关心这个问题？

这是一个难题：你想给一个素未谋面的人发送加密消息，通过一个任何人都可以窃听的不受信任的网络。

如果你用 AES，你们俩需要相同的密钥。但你如何安全地共享这个密钥… 而不需要已经有一个安全通道？

这就是密钥分发问题，它困扰了密码学家几个世纪。解决方案——非对称加密——从根本上改变了安全通信的工作方式。但它带来的权衡意味着我们仍然需要两种方法。

2. 定义

对称加密： 双方使用相同的密钥进行加密和解密。

例子：AES、ChaCha20、3DES
类比：一把物理锁，双方都有相同的钥匙

非对称加密： 每一方都有一个密钥对——公钥（可共享）和私钥（保密）。

例子：RSA、ECC、ElGamal
类比：有投递口的邮箱——任何人都可以投递邮件（公钥），只有主人可以取出（私钥）

3. 根本区别

对称：相同的密钥，相同的问题

Alice                                    Bob
  │                                       │
  │  密钥: 🔑                              │  密钥: 🔑
  │                                       │
  ├──── Encrypt(message, 🔑) ────────────►│
  │           密文                        │
  │                                       ├── Decrypt(密文, 🔑)
  │                                       │        = 消息

问题： Alice 和 Bob 是如何都得到密钥 🔑 的？

当面见面？无法扩展。
通过网络发送？Eve 会截获它。
使用另一个加密通道？你也需要那个通道的密钥。

非对称：不同的密钥，不同的角色

Alice                                    Bob
  │                                       │
  │  拥有: Bob 的公钥 📬                   │  拥有: 私钥 🔐
  │                                       │       公钥 📬
  │                                       │
  ├──── Encrypt(message, 📬) ────────────►│
  │           密文                        │
  │                                       ├── Decrypt(密文, 🔐)
  │                                       │        = 消息

解决方案： Bob 公开发布他的公钥 📬。Eve 可以看到——没关系！只有 Bob 的私钥 🔐 能解密用 📬 加密的消息。

4. 性能：房间里的大象

非对称加密解决了密钥分发问题，但引入了巨大的性能损失。

操作	对称 (AES-256)	非对称 (RSA-2048)
加密速度	~1 GB/s	~1 MB/s
相对速度	1x	慢约 1000 倍
等效安全性的密钥大小	256 位	2048 位

为什么非对称这么慢？

对称加密使用简单操作：异或、位移、替换表。

非对称加密使用复杂的数学运算：巨大数字的模幂运算（RSA）或椭圆曲线点乘法（ECC）。

# 对称：简单操作重复执行
for round in range(10):
    state = substitute(state)
    state = shift_rows(state)
    state = mix_columns(state)
    state = add_round_key(state, key)

# 非对称：繁重的数学运算
ciphertext = (message ** public_exponent) % modulus
# 其中 modulus 是一个 2048 位的数字！

5. 真实系统：混合加密

现实世界的系统不在对称和非对称之间选择——它们同时使用两者。

混合方法

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. 密钥交换（非对称）                                    │
│    - 生成随机对称密钥（会话密钥）                        │
│    - 用接收者的公钥加密会话密钥                          │
│    - 发送加密后的会话密钥                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│ 2. 数据传输（对称）                                      │
│    - 用会话密钥加密实际数据（AES）                       │
│    - 对大量数据来说快得多                                │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

TLS 握手示例

客户端                                   服务器
  │                                        │
  │ ──── ClientHello ─────────────────────►│
  │                                        │
  │ ◄──── ServerHello + 证书 ────────────  │
  │       （包含服务器公钥）                │
  │                                        │
  │ ──── 密钥交换 ────────────────────────►│
  │      （用服务器公钥加密）              │
  │                                        │
  │ ◄════ 加密数据 (AES-GCM) ═════════════►│
  │       （使用派生的会话密钥）           │

为什么这样有效：

非对称加密仅用于密钥交换一次（或几次）
对称加密处理大量数据传输
你得到了两全其美：安全的密钥分发 + 快速的数据加密

6. 密钥分发问题已解决

非对称密码学之前（1976年前）

要与 N 个人安全通信：
- 你需要 N 个不同的对称密钥
- 每个密钥必须安全交换（当面、可信信使）
- 密钥管理在网络中以 O(N²) 增长

10 人 = 需要 45 个密钥对
100 人 = 需要 4,950 个密钥对
1,000 人 = 需要 499,500 个密钥对

非对称密码学之后

要与 N 个人安全通信：
- 每个人有一个密钥对
- 公钥可以公开分发
- 密钥管理以 O(N) 增长

10 人 = 10 个密钥对
100 人 = 100 个密钥对
1,000 人 = 1,000 个密钥对

7. 何时使用哪种

在以下情况使用对称加密：

双方已经共享一个秘密
加密静态数据（文件、数据库）
需要高性能
你控制通信的两端

在以下情况使用非对称加密：

各方之前从未通信过
需要数字签名（不可否认性）
分发会话密钥
验证身份（证书）

在以下情况使用混合：

通过不受信任的网络进行安全通信
为他人加密大量数据
构建任何现实世界的安全通信系统

8. 常见误区

误区	现实
”非对称比对称更安全”	它们有不同的用途；两者都可以是安全的
”什么都用 RSA 就行”	RSA 慢约 1000 倍且有大小限制
”256 位 AES = 256 位 RSA 安全性”	不对！AES-256 ≈ RSA-15360 的安全级别
”公钥可以解密”	公钥加密或验证；私钥解密或签名

安全级别对等表

对称	RSA	ECC
80 位	1024 位	160 位
128 位	3072 位	256 位
256 位	15360 位	512 位

这就是为什么 ECC 很受欢迎——它用更小的密钥达到与 RSA 相同的安全性。

9. 代码示例：混合加密

from cryptography.hazmat.primitives import hashes, serialization
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa, padding
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM
import os

def hybrid_encrypt(plaintext: bytes, recipient_public_key) -> dict:
    # 1. 生成随机 AES 密钥（对称）
    aes_key = AESGCM.generate_key(bit_length=256)

    # 2. 用 AES 加密数据（快）
    nonce = os.urandom(12)
    aesgcm = AESGCM(aes_key)
    ciphertext = aesgcm.encrypt(nonce, plaintext, None)

    # 3. 用 RSA 加密 AES 密钥（非对称）
    encrypted_key = recipient_public_key.encrypt(
        aes_key,
        padding.OAEP(
            mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
            algorithm=hashes.SHA256(),
            label=None
        )
    )

    return {
        'encrypted_key': encrypted_key,
        'nonce': nonce,
        'ciphertext': ciphertext
    }

def hybrid_decrypt(encrypted_data: dict, private_key) -> bytes:
    # 1. 用 RSA 解密 AES 密钥
    aes_key = private_key.decrypt(
        encrypted_data['encrypted_key'],
        padding.OAEP(
            mgf=padding.MGF1(algorithm=hashes.SHA256()),
            algorithm=hashes.SHA256(),
            label=None
        )
    )

    # 2. 用 AES 解密数据
    aesgcm = AESGCM(aes_key)
    plaintext = aesgcm.decrypt(
        encrypted_data['nonce'],
        encrypted_data['ciphertext'],
        None
    )

    return plaintext

10. 本章小结

三点要记住：

对称快，非对称解决密钥分发。 对批量数据使用对称，对密钥交换使用非对称。真实系统两者都用。
混合方法是标准。 TLS、PGP 以及几乎所有安全通信协议都使用非对称密码学来交换对称密钥。
不同类型的密钥大小不可比较。 AES-256 提供的安全性大致等于 RSA-15360 或 ECC-512。这就是为什么 ECC 越来越流行——更小的密钥，相同的安全性。

11. 下一步

我们多次提到哈希但没有完整解释它。哈希是加密吗？（剧透：不是。）

在下一篇文章中，我们将探讨：哈希函数实际上做什么，为什么它不是加密，以及存储密码的正确方式。

Luke Sun