對稱式加密與共用密鑰：如何保護您的資料

當你使用網際網路時，你的訊息、密碼和個人資料會不斷地在網路中傳輸。為了保護這些資訊不被駭客或網路罪犯竊取，存在一套特殊的編碼系統——對稱式加密。這種使用相同金鑰的加密方法，基於一個秘密的代碼，既用來加密資料，也用來解密資料。

歷史上，對稱式加密演算法最早由政府機關和軍事單位用來保密通訊。如今，這個原理已成為全球數百萬電腦系統安全的基礎。

對稱式系統的實際運作方式

想像你想傳送一個秘密訊息給朋友。最簡單的方法是事先約定一個「密碼」，只有你和朋友知道。這個原理就是建立在一個金鑰的對稱加密方案上。

流程從「明文」開始——也就是你的原始訊息或資料。當你將它傳送到加密演算法(（所謂的加密)）時，文字會轉換成一串毫無意義的符號——「密文」。任何截取你訊息的人都能看到這段密文，但沒有正確的金鑰就無法讀取內容。

接收者擁有相同的秘密金鑰，將密文經由相反的演算法解密，就能得到原始訊息。

整個系統的安全性取決於一個問題：猜出正確金鑰有多困難？一台電腦若要嘗試所有可能的128位元金鑰，可能需要數十億年不間斷運算。而若將金鑰擴展到256位元，這個任務幾乎是不可能完成的，即使是最強大的現代電腦也無法在合理時間內破解。長度為256位元的金鑰被認為即使面對假設中的量子電腦攻擊也具有高度安全性。

兩種編碼方式：區塊與串流

實務上，對稱式加密有兩種主要方式。

區塊加密會將資料分割成固定大小的區塊——例如每個128位元一個區塊。每個區塊都用同一個演算法和金鑰獨立加密。就像把訊息切成一段段，然後用同一個密封袋封起來。

串流加密則不同——它不是一次處理一整塊資料，而是逐個比特（bit）來加密。就像你用字母一個一個寫訊息，並在寫完每個字母後立即加密。

為什麼對稱式不等於非對稱式

在加密世界中，還有另一個主要方法——非對稱式加密，兩者之間有根本的差異。

最重要的差別在於：對稱式加密用一個金鑰來進行(加密與解密)，而非對稱式則用兩個完全不同的金鑰。

在非對稱系統中，一個金鑰稱為公開金鑰(公鑰)——任何人都可以知道。另一個則是私密金鑰——你要妥善保管。如果有人用你的公開金鑰來加密資料，只有你的私密金鑰才能解密。

但非對稱演算法的缺點是：它比對稱式慢得多，且需要較多的計算資源。而且，為了達到相同的安全等級，公開金鑰和私密金鑰都必須比對稱金鑰長得多。

您的電腦中何時會用到對稱式加密

如果你曾用過即時通訊軟體進行安全對話，或下載雲端檔案，你就已經在使用對稱式加密。

最常見的例子是AES (Advanced Encryption Standard（高級加密標準）)。這個演算法被廣泛應用：從安全訊息應用，到雲端服務的資料保護。AES可以在軟體層面運作，也可以直接嵌入在電腦晶片中。

最常用的版本是AES-256，其中的256代表金鑰長度（以位元計算）。這種長度的金鑰被認為幾乎不可能被破解。

有趣的是，當人們提到「密碼學」在區塊鏈和比特幣中的應用時，常會誤以為是用來加密資料。事實上，這些系統用的不是加密，而是專門的數位簽章演算法——ECDSA (橢圓曲線數位簽章演算法)。這個演算法用來產生獨特的「簽章」，用來驗證資料的真實性，但不會用來加密資料本身。ECDSA是建立在橢圓曲線數學上的，能用於多種任務，但本身並非用來加密。

TLS：對稱式與非對稱式的協作

對稱式加密最大的一個問題是：當你要與他人分享秘密金鑰時，若傳輸過程不安全，金鑰可能被竊取，整個安全性就會崩潰。

為了解決這個問題，現代網路協議採用混合式方法。它們先用非對稱式加密(安全交換金鑰)，建立一個安全通道，然後再用快速的對稱式加密來傳送大量資料。

最典型的例子是TLS (傳輸層安全協定)，它保護著大部分的現代網路。當你瀏覽https://開頭的網站時，你就是在使用TLS。

為什麼對稱式仍然是高速運作的首選

對稱式加密有幾個無可爭議的優點，使它在現代系統中不可或缺：

• 速度快：對稱演算法比非對稱演算法快得多，非常適合大量資料的加密。

• 實作簡單：只用一個金鑰的系統較為簡單，且運算負擔較低。

• 安全彈性：只要增加金鑰長度，就能提升安全性。每多一個比特，破解難度就以指數成長。

但這個優點也有缺點——傳遞金鑰的問題。若在不安全的通道傳送金鑰，金鑰可能被竊聽。一旦未授權者取得你的對稱金鑰，所有用此金鑰加密的資料都將暴露。

實作中的風險

要理解的是：即使演算法本身是數學上安全的，若在實作過程中出現錯誤，也可能被破解。長長的金鑰可以抵抗「暴力破解」，但程式碼中的漏洞或錯誤，卻可能成為攻擊的突破口。因此，安全性審查和漏洞測試對任何加密系統都至關重要。

總結

使用單一金鑰的對稱式加密，仍是保護數位資料的重要工具。從保護你的網路流量，到雲端資料的安全，這個方法提供了速度、簡單與可靠性。雖然常與非對稱式加密搭配使用，以解決金鑰傳輸的問題，但對稱式加密依然是現代資訊安全的基石。