對稱加密 (Symmetric Encryption) 非對稱加密 (Asymmetric Encryption)
🔑 對稱加密 (Symmetric Encryption) 算法
對稱加密算法通常被設計為區塊加密 (Block Cipher) 或串流加密 (Stream Cipher)，用於高效地處理大量數據。
| 算法名稱 | 簡介與特色 | 密鑰長度 | 狀態與應用 |
| AES (Advanced Encryption Standard) | 目前最常用且最安全的標準。 採用「列昂達爾 (Rijndael)」算法，將數據分成 128 位元的區塊進行加密。 | 128、192 或 256 位元 | 極廣泛應用：HTTPS/TLS、檔案加密、金融機構、VPN 等。 |
| DES (Data Encryption Standard) | 早期 (1970 年代) 的標準，採用 64 位元區塊加密。 | 實際只有 56 位元 | 已過時且不安全：因密鑰長度太短，極易被暴力破解，已停用。 |
| 3DES (Triple DES) | 對 DES 的改良，使用三個不同的密鑰對數據進行三次 DES 運算 (加密-解密-加密)。 | 112 或 168 位元 | 安全性較高，但運算速度慢，正逐漸被 AES 取代。 |
| ChaCha20 | 一種高效能的串流加密算法，通常與 Poly1305 認證碼結合使用 (ChaCha20-Poly1305)。 | 256 位元 | 現代應用：在 TLS 協定和手機等資源受限設備上，是 AES 的高效替代方案。 |
🔍 對稱加密的核心挑戰
對稱加密的安全性不在於算法本身，而在於密鑰的保密與交換。如果密鑰在傳輸過程中洩露，整個加密系統就會被破解。
🔒 非對稱加密 (Asymmetric Encryption) 算法
非對稱加密的安全性依賴於難以在合理時間內解決的複雜數學問題。
| 算法名稱 | 核心數學難題 | 主要用途 | 狀態與應用 |
| RSA (Rivest-Shamir-Adleman) | 大數因數分解問題：找出一個極大整數的兩個質因數。 (例如：已知 $N = p \times q$，難以從 $N$ 推導出 $p$ 和 $q$) | 加密/解密、數位簽章 | 最傳統、應用最廣：用於 HTTPS/TLS 的連線建立、數位憑證、密鑰交換。 |
| ECC (Elliptic Curve Cryptography，橢圓曲線密碼學) | 橢圓曲線離散對數問題 (ECDLP)：在橢圓曲線上進行特定的點運算難以反向推導。 | 加密/解密、數位簽章 (ECDSA) | 高效率：在達到與 RSA 相同的安全性時，ECC 可以使用更短的密鑰長度 (例如 256 位元的 ECC 約等於 3072 位元的 RSA)，因此在行動設備和物聯網 (IoT) 中更受青睞。 |
| DSA (Digital Signature Algorithm) | 離散對數問題 | 專門用於數位簽章 (不可用於加密數據) | 常用於軟體發布的簽章驗證。 |
| Diffie-Hellman (DH) | 離散對數問題 (與 DSA 類似，但應用不同) | 專門用於密鑰交換 (Key Exchange) | 在不安全的通道上，讓雙方安全地協商出一個共享的對稱密鑰。 |
對稱加密 (Symmetric Encryption)
密鑰數量： 一個 (單一密鑰/共享密鑰)。
運作方式： 使用同一把密鑰進行加密和解密。
優點：
速度快：加密和解密運算簡單，效率高，適合處理大量數據。
資源要求低：運算資源消耗少。
缺點：
密鑰交換問題：通訊雙方必須在安全的環境下共享這把密鑰。如果密鑰在傳輸過程中被竊聽，安全性將完全喪失。
密鑰管理複雜：如果與許多人通訊，需要管理很多不同的共享密鑰。
應用案例：
大量資料加密：例如檔案加密 (AES, DES, 3DES 等算法)。
HTTPS 協定中的資料傳輸階段：在連線建立後，使用對稱加密進行實際的資料傳輸以提高效率。
測試明文:
RFID 電磁反向散射耦合系統是一種遠距離的 RFID 通訊方式，它利用讀寫器發射電磁波，當電磁波到達電子標籤時，標籤會將接收到的部分能量轉化為自身工作能量，並將接收到的部分電磁波以一種「反射」的方式（稱為反向散射）將資料傳送回讀寫器。
import tkinter as tk
from tkinter import messagebox
from Crypto.Cipher import AES
from Crypto.Random import get_random_bytes
from base64 import b64encode, b64decode
import os
# --- AES 加密/解密 核心功能 (與原程式碼相同) ---
def aes_encrypt(key_str, plaintext):
"""使用 AES-256 (EAX 模式) 進行加密。"""
try:
# 確保密鑰長度為 32 bytes (256 bits)
key = key_str.encode('utf-8')
if len(key) != 32:
key = key.ljust(32, b'\0') # 簡單填充
data = plaintext.encode('utf-8')
cipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX)
ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(data)
return b64encode(ciphertext).decode('utf-8'), \
b64encode(cipher.nonce).decode('utf-8'), \
b64encode(tag).decode('utf-8')
except ValueError as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"加密失敗：密鑰長度無效或數據錯誤。\n詳細: {e}")
return None
except Exception as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"發生未知錯誤: {e}")
return None
def aes_decrypt(key_str, base64_ciphertext, base64_nonce, base64_tag):
"""使用 AES-256 (EAX 模式) 進行解密。"""
try:
# 密鑰處理方式必須與加密時相同
key = key_str.encode('utf-8')
if len(key) != 32:
key = key.ljust(32, b'\0')
# 將 Base64 字符串解碼回二進制數據
ciphertext = b64decode(base64_ciphertext)
nonce = b64decode(base64_nonce)
tag = b64decode(base64_tag)
cipher = AES.new(key, AES.MODE_EAX, nonce=nonce)
plaintext = cipher.decrypt(ciphertext)
# 驗證數據的完整性和真實性
cipher.verify(tag)
return plaintext.decode('utf-8')
except ValueError as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"解密失敗：密鑰錯誤或密文被竄改。\n詳細: {e}")
return None
except Exception as e:
messagebox.showerror("錯誤", f"發生未知錯誤: {e}")
return None
# --- Tkinter GUI 界面 ---
class AESApp:
def __init__(self, master):
self.master = master
master.title("AES 對稱加解密工具 (Tkinter)")
# 暫存 Nonce 和 Tag，以便解密時使用
self.nonce_storage = tk.StringVar()
self.tag_storage = tk.StringVar()
# --- 密鑰輸入 ---
tk.Label(master, text="**密鑰 (Key, 需 32 字元長度)**:").grid(row=0, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
self.key_entry = tk.Entry(master, width=50, show="*")
self.key_entry.grid(row=0, column=1, padx=10, pady=5)
self.key_entry.insert(0, "A"*32)
# --- 加密區塊 ---
tk.Label(master, text="--- 加密 (Encryption) ---", fg='blue').grid(row=1, column=0, columnspan=2, pady=10)
tk.Label(master, text="明文 (Plaintext):").grid(row=2, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
self.plaintext_entry = tk.Text(master, height=5, width=50)
self.plaintext_entry.grid(row=2, column=1, padx=10, pady=5)
self.encrypt_button = tk.Button(master, text="執行加密", command=self.handle_encrypt, bg='lightgreen')
self.encrypt_button.grid(row=3, column=0, columnspan=2, pady=10)
tk.Label(master, text="密文 (Ciphertext):").grid(row=4, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
self.ciphertext_output = tk.Text(master, height=5, width=50)
self.ciphertext_output.grid(row=4, column=1, padx=10, pady=5)
# --- 解密區塊 ---
tk.Label(master, text="--- 解密 (Decryption) ---", fg='red').grid(row=5, column=0, columnspan=2, pady=10)
tk.Label(master, text="輸入密文 (Ciphertext):").grid(row=6, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
self.decrypt_ciphertext_input = tk.Text(master, height=5, width=50)
self.decrypt_ciphertext_input.grid(row=6, column=1, padx=10, pady=5)
self.decrypt_button = tk.Button(master, text="執行解密", command=self.handle_decrypt, bg='salmon')
self.decrypt_button.grid(row=7, column=0, columnspan=2, pady=10)
tk.Label(master, text="解密結果 (Plaintext):").grid(row=8, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
self.decrypted_output = tk.Text(master, height=5, width=50)
self.decrypted_output.grid(row=8, column=1, padx=10, pady=5)
# 顯示 Nonce 和 Tag
tk.Label(master, text="Nonce (用於 EAX):", fg='gray').grid(row=9, column=0, sticky='w', padx=10, pady=2)
tk.Label(master, textvariable=self.nonce_storage, fg='gray', wraplength=400).grid(row=9, column=1, sticky='w', padx=10, pady=2)
tk.Label(master, text="Tag (認證標籤):", fg='gray').grid(row=10, column=0, sticky='w', padx=10, pady=2)
tk.Label(master, textvariable=self.tag_storage, fg='gray', wraplength=400).grid(row=10, column=1, sticky='w', padx=10, pady=2)
# --- 新增的控制按鈕區塊 ---
control_frame = tk.Frame(master)
control_frame.grid(row=11, column=0, columnspan=2, pady=15)
# 1. 清除按鈕
clear_button = tk.Button(control_frame, text="🗑️ 清除所有欄位", command=self.clear_fields, bg='#FFFACD')
clear_button.pack(side=tk.LEFT, padx=10)
# 2. 結束按鈕
quit_button = tk.Button(control_frame, text="❌ 結束離開", command=master.quit, bg='#FFB6C1')
quit_button.pack(side=tk.LEFT, padx=10)
def handle_encrypt(self):
"""處理加密按鈕事件。"""
key_str = self.key_entry.get()
plaintext = self.plaintext_entry.get("1.0", tk.END).strip()
if not key_str or not plaintext:
messagebox.showwarning("警告", "密鑰和明文都不能為空！")
return
result = aes_encrypt(key_str, plaintext)
if result:
b64_ciphertext, b64_nonce, b64_tag = result
self.ciphertext_output.delete("1.0", tk.END)
self.ciphertext_output.insert(tk.END, b64_ciphertext)
self.nonce_storage.set(b64_nonce)
self.tag_storage.set(b64_tag)
# 自動複製到解密輸入框
self.decrypt_ciphertext_input.delete("1.0", tk.END)
self.decrypt_ciphertext_input.insert(tk.END, b64_ciphertext)
messagebox.showinfo("成功", "加密完成！請將密文、Nonce 和 Tag 一同傳輸。")
def handle_decrypt(self):
"""處理解密按鈕事件。"""
key_str = self.key_entry.get()
b64_ciphertext = self.decrypt_ciphertext_input.get("1.0", tk.END).strip()
b64_nonce = self.nonce_storage.get()
b64_tag = self.tag_storage.get()
if not key_str or not b64_ciphertext or not b64_nonce or not b64_tag:
messagebox.showwarning("警告", "密鑰、密文、Nonce 和 Tag 都不能為空！")
return
decrypted_text = aes_decrypt(key_str, b64_ciphertext, b64_nonce, b64_tag)
self.decrypted_output.delete("1.0", tk.END)
if decrypted_text is not None:
self.decrypted_output.insert(tk.END, decrypted_text)
messagebox.showinfo("成功", "解密完成！")
def clear_fields(self):
"""清除所有 Text 欄位和儲存的 Nonce/Tag。"""
# 清空 Text widgets
self.plaintext_entry.delete("1.0", tk.END)
self.ciphertext_output.delete("1.0", tk.END)
self.decrypt_ciphertext_input.delete("1.0", tk.END)
self.decrypted_output.delete("1.0", tk.END)
# 清空儲存的 Nonce 和 Tag
self.nonce_storage.set("")
self.tag_storage.set("")
# 保持密鑰欄位不變 (可選，這裡選擇保留方便連續測試)
# self.key_entry.delete(0, tk.END)
messagebox.showinfo("清除成功", "所有明文與密文相關欄位已清空。")
if __name__ == "__main__":
root = tk.Tk()
app = AESApp(root)
root.mainloop()
非對稱加密 (Asymmetric Encryption)
密鑰數量： 一對 (公鑰和私鑰)。
運作方式：
公鑰 (Public Key)： 可以公開分享，用於加密訊息。
私鑰 (Private Key)： 必須嚴格保密，用於解密公鑰加密的訊息。
用公鑰加密的數據，只能用對應的私鑰解密。
優點：
無需安全通道共享密鑰：公鑰可以公開傳輸，解決了密鑰交換的難題。
可用於數位簽章：私鑰可用於簽署文件，公鑰用於驗證簽章，以確保資料完整性和不可否認性。
缺點：
速度慢：運算複雜度高，加密和解密速度比對稱加密慢得多。
密鑰長度較長：通常需要更大的密鑰長度來達到與對稱加密相同的安全等級 (例如 2048 位元)。
應用案例：
安全密鑰交換：在 SSL/TLS (HTTPS) 協定中，用於安全地交換對稱加密的工作階段密鑰。
數位憑證：用於驗證網站伺服器的身份。
數位簽章：確保訊息發送者的身份和訊息未被篡改。
測試明文:
RFID 電磁反向散射耦合系統是一種遠距離的 RFID 通訊方式，它利用讀寫器發射電磁波，當電磁波到達電子標籤時，標籤會將接收到的部分能量轉化為自身工作能量，並將接收到的部分電磁波以一種「反射」的方式（稱為反向散射）將資料傳送回讀寫器。
總結比較表格
| 特性 | 對稱加密 (Symmetric) | 非對稱加密 (Asymmetric) |
| 密鑰數量 | 一個 (加密/解密都用同一個) | 一對 (公鑰用於加密，私鑰用於解密) |
| 運算速度 | 快 (高效) | 慢 (運算複雜) |
| 安全性 | 依賴密鑰安全交換 | 密鑰交換較安全，但運算複雜度較高 |
| 密鑰共享 | 必須透過安全通道傳輸密鑰 | 公鑰可公開，私鑰保密 |
| 典型算法 | AES、DES、3DES | RSA、ECC |
| 主要用途 | 大量數據加密傳輸 | 密鑰交換、數位簽章、身份驗證 |
實際應用中 (例如 HTTPS)，通常會結合兩者：
首先使用非對稱加密 (較慢但安全) 來安全地交換一個對稱加密的工作階段密鑰。
然後使用交換到的對稱加密 (較快且高效) 來傳輸實際的大量資料。
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