2、密码学基础：对称加密与非对称加密、哈希函数、数字签名、密钥管理基础
各位同学，咱们今天聊聊密码学。说实话，很多刚入行的朋友一听到“密码学”三个字就头大，觉得那是数学家干的事。其实不然，在PIS系统里，你不需要成为密码学专家，但必须懂它的核心思想。我做了这么多年系统，吃过不少亏，今天就把这些经验掰开揉碎了讲给你听。
2.1 对称加密：一把钥匙开一把锁
对称加密，说白了就是加密和解密用同一把钥匙。就像你家里的门锁，用这把钥匙锁门，也用这把钥匙开门。简单、高效，这是它的最大优点。
我在项目中遇到过这么个事：早期做PIS系统时，站台显示屏和中心服务器之间传输实时到站信息。数据量很大，每秒都在更新。当时我选了对称加密，为什么？因为快啊！非对称加密算一次的时间，对称加密能算几十次。
常用的对称加密算法有这些：
| 算法 | 密钥长度 | 特点 | 我的建议 |
|---|---|---|---|
| AES | 128/192/256位 | 目前最主流，硬件加速支持好 | PIS系统首选，用256位 |
| DES | 56位 | 太老了，已被破解 | 别用了，真的 |
| 3DES | 112/168位 | DES的加强版，但效率低 | 能不用就不用 |
| SM4 | 128位 | 国密标准，国内项目必须 | 做国内项目时必选 |
核心要点：对称加密的痛点是密钥分发。你想想看，如果通信双方要用同一把钥匙，那这把钥匙怎么安全地交给对方？这就是所谓的“密钥配送问题”。
我的小技巧：在PIS系统里，我习惯把对称密钥分成两段存储。一段存在硬件安全模块里，一段存在配置文件中。就算配置文件泄露了，没有硬件那一段，谁也解不开。
2.2 非对称加密：公钥私钥，各司其职
非对称加密就聪明多了。它有一对钥匙：公钥和私钥。公钥可以公开给任何人，私钥自己死死藏好。用公钥加密的数据，只有对应的私钥能解开；反过来，用私钥签名的数据，大家用公钥就能验证。
为什么会这样？嗯，这里涉及一点数学原理。简单说就是基于大整数分解或椭圆曲线上的离散对数问题。你不需要深究，只要知道：从公钥反推私钥，在计算上是不可行的。
常用的非对称算法：
- RSA：最经典，2048位以上才安全。我早期项目都用它，但现在慢慢转向ECC了。
- ECC（椭圆曲线）：同样安全强度下，密钥更短，计算更快。256位的ECC相当于3072位的RSA。
- SM2：国密标准，基于ECC。国内PIS项目必须支持。
注意：非对称加密虽然解决了密钥分发问题，但性能是硬伤。我曾经在PIS系统的车载终端上做过测试，RSA 2048位加密一次要几十毫秒。如果数据量大，系统直接卡死。所以实际项目中，我们通常用非对称加密来传递对称密钥，然后用对称加密来加密业务数据。
2.3 哈希函数：数据的指纹
哈希函数，你可以把它想象成给数据按个指纹。不管数据多大，哈希函数都能算出一个固定长度的摘要。而且，哪怕只改了一个比特，摘要结果就完全不一样。
哈希函数有几个关键特性：
- 单向性：从摘要反推原始数据，理论上不可能。我见过有人想暴力破解MD5，算到天荒地老也算不出来。
- 抗碰撞性：很难找到两个不同的数据，它们的哈希值相同。MD5和SHA-1已经被发现碰撞了，所以别用了。
- 雪崩效应：输入微变，输出巨变。这个特性在PIS系统里做数据完整性校验时特别有用。
常用的哈希算法：
| 算法 | 摘要长度 | 安全状态 | 我的推荐 |
|---|---|---|---|
| MD5 | 128位 | 已破解，不安全 | 别用了，除非做非安全场景的校验 |
| SHA-1 | 160位 | 已发现碰撞，不推荐 | 尽快迁移 |
| SHA-256 | 256位 | 安全 | PIS系统首选 |
| SM3 | 256位 | 国密标准，安全 | 国内项目必选 |
避坑指南：我曾经在PIS系统的日志完整性校验中用了MD5。后来发现攻击者可以伪造日志而不改变MD5值。从那以后，所有涉及安全的场景，我至少用SHA-256。
2.4 数字签名：谁说这是你发的？
数字签名解决的是三个问题：身份认证、数据完整性、不可否认性。说白了，就是证明“这条消息确实是你发的，而且没被人改过”。
数字签名的流程是这样的：
- 发送方对消息做哈希，得到摘要。
- 发送方用自己的私钥对摘要加密，这就是签名。
- 接收方用发送方的公钥解密签名，得到摘要A。
- 接收方对收到的消息做哈希，得到摘要B。
- 如果A等于B，说明消息是完整的，而且确实是发送方发的。
在PIS系统里，数字签名用得很多。比如列车到站信息的广播，中心服务器给每个站台发指令时，都会带上签名。站台收到后先验签，确认没问题才执行。这样就算有人伪造了指令，站台也能识别出来。
我的经验：签名和加密是两回事。签名用私钥，加密用公钥。很多人搞混了。记住一句话：私钥签名，公钥验签；公钥加密，私钥解密。
2.5 密钥管理基础：钥匙丢了，锁再好也没用
密钥管理，这是整个密码体系中最薄弱也最容易出问题的一环。我见过太多项目，算法选得挺好，结果密钥直接硬编码在代码里，或者存在配置文件里明文存储。这就像你买了一把顶级防盗锁，结果钥匙挂在门上。
密钥管理的基本原则：
- 密钥生成：必须用真随机数生成器。伪随机数生成的密钥，理论上是可以预测的。Linux下的/dev/random就挺好。
- 密钥存储：绝对不能明文存储。我习惯用硬件安全模块（HSM）或者密钥管理服务（KMS）。小项目至少也要用加密文件系统。
- 密钥分发：对称密钥的分发，通常用非对称加密来保护。比如用接收方的公钥加密对称密钥，再传过去。
- 密钥轮换：密钥不能一直用。我建议对称密钥每30天换一次，非对称密钥每1-2年换一次。
- 密钥销毁：密钥不用了，必须彻底销毁。不能只是删文件，要覆写。我见过有人直接rm删除，结果数据恢复工具还能找回来。
警告：密钥管理没有银弹。我曾经在PIS系统里用了一个看起来很完美的密钥管理方案，结果运维人员嫌麻烦，直接把密钥打印出来贴在服务器机柜上。嗯，从那以后我明白了，技术方案再好，也要考虑人的因素。
好了，密码学基础就讲到这里。下一章我们聊聊PIS系统里具体的通信加密协议怎么选、怎么配。记住，密码学不是万能的，但没有密码学是万万不能的。