设计支持大文件加密的混合加密系统 -

题目

设计支持大文件加密的混合加密系统

信息

类型：问答
难度：⭐⭐⭐

考点

对称加密算法选择,非对称加密应用,密钥派生函数,大文件处理,安全最佳实践

快速回答

实现安全的大文件加密需要结合对称和非对称加密：

使用AES-GCM作为对称加密算法（256位密钥）
采用RSA-OAEP加密对称密钥
使用HKDF派生文件加密密钥
实现分块处理避免内存溢出
包含完整性验证（GCM的认证标签）

## 解析

核心原理

混合加密系统结合对称加密的高效性和非对称加密的安全密钥交换：

为每个文件生成唯一的对称密钥（会话密钥）
使用RSA-OAEP加密会话密钥（避免密钥封装攻击）
通过HKDF-SHA256从主密钥派生文件密钥（防止密钥重用）
采用AES-GCM分块加密文件（每4MB一个块）
每个块生成独立的认证标签（防篡改）

代码示例（Python伪代码）

# 密钥派生
def derive_key(master_key, file_id):
    return HKDF(
        master_key, 
        salt=file_id,
        info=b'file_encryption',
        length=32
    )

# 加密流程
def encrypt_large_file(input_path, public_key):
    # 生成随机会话密钥
    session_key = os.urandom(32)

    # 加密会话密钥
    encrypted_key = rsa_encrypt(session_key, public_key)

    # 派生文件密钥
    file_key = derive_key(session_key, file_id)

    with open(input_path, 'rb') as f_in:
        with open(output_path, 'wb') as f_out:
            # 写入加密后的会话密钥
            f_out.write(encrypted_key)

            # 分块处理（4MB/块）
            while chunk := f_in.read(4 * 1024 * 1024):
                nonce = os.urandom(12)
                ciphertext, tag = aes_gcm_encrypt(chunk, file_key, nonce)
                # 写入nonce + 密文 + 认证标签
                f_out.write(nonce + ciphertext + tag)

最佳实践

密钥管理：会话密钥必须每次随机生成，主密钥使用HSM保护
算法选择：AES-GCM（提供机密性和完整性），RSA-OAEP（防填充攻击）
内存安全：分块处理避免加载整个文件到内存（推荐4-64MB块大小）
完整性保护：每个块单独计算GCM认证标签
密钥派生：使用HKDF而非直接哈希（防密钥重用）

常见错误

错误	风险	解决方案
重用相同密钥加密多个文件	关联性攻击	每个文件使用独立密钥
使用ECB模式	模式识别攻击	始终使用认证加密模式（GCM/CCM）
缺少完整性校验	密文篡改	必须包含认证标签
直接使用RSA加密文件	性能低下且长度限制	仅加密对称密钥