密码学研究并构建保护信息的方法，防止未经授权的信息泄露、篡改和身份冒充。它结合数学与计算机科学，开发在存在对手的情况下用于通信和计算的算法与协议。其目的不止于隐藏消息，还包括验证消息的来源与完整性。密码学是网络安全的组成部分，而不能替代保障系统安全所需的其他技术措施和组织管理措施。(cacr.uwaterloo.ca)
目标与术语
密码学的主要目标包括机密性、完整性、认证，以及为不可否认性提供支持。机密性限制对信息的访问；完整性使未经授权的修改能够被检测出来；认证则提供有关实体身份或消息来源的证据。不可否认性关注的是能够反驳事后否认某项行为的证据，不过，它在实践中的有效性也取决于相关流程和密钥保护措施。(cacr.uwaterloo.ca)
加密利用算法和密码密钥，将可读的明文转换为密文。解密则使用适当的密钥逆转这一过程。加密本身并不会自动验证消息的真实性或检测篡改。密码分析研究破解密码保护的方法；含义更广的术语 cryptology（广义密码学）则涵盖密码技术与密码分析。(cacr.uwaterloo.ca)
历史发展
早期密码技术主要依赖替换和置换，即替换符号或重新排列符号的顺序。这些技术说明，即使经过看似复杂的变换，消息中可识别的规律仍可能保留下来。现代密码学则将消息视为数学对象，并针对明确定义的对手评估安全性。(cacr.uwaterloo.ca)
克劳德·香农在1949年的研究中将保密问题与信息论联系起来，为密码学奠定了严谨的数学基础。1976年，惠特菲尔德·迪菲与马丁·赫尔曼发表《密码学的新方向》，在公开文献中确立了公钥思想，并介绍了一种密钥协商方法。在此之前，詹姆斯·埃利斯、克利福德·考克斯和马尔科姆·威廉森已在英国的保密研究中取得相关发现。这些进展改变了在未预先共享秘密的情况下建立安全通信的方式。(ee.stanford.edu)
对称密钥与公钥方法
对称密钥密码学使用共享秘密进行加密和解密。它通常适合保护大量数据，但通信双方必须先以安全的方式获得这一秘密。高级加密标准（AES）是一种分组密码，以128比特为一个分组进行处理，并支持128、192或256比特的密钥。要保护长度超过一个分组的消息，必须将分组密码用于适当的构造之中。(cacr.uwaterloo.ca)
公钥密码学将公开信息与私有秘密分开。在公钥加密中，公钥用于加密，对应的私钥用于解密。其他公钥构造用于密钥协商或签名，而非加密。许多成熟的系统采用数论中的数学问题，包括整数分解和离散对数。它们的安全性取决于攻击具体构造的难度，而不只是其中是否包含一个困难的数学问题。(cacr.uwaterloo.ca)
实际使用的协议往往结合这两种方法。公钥运算用于认证参与方或建立共享秘密，对称算法则保护后续的通信数据。用于互联网通信的传输层安全协议（TLS）就是这种组合的一个例子。其安全性还取决于认证、密钥派生和消息保护如何整合。(rfc-editor.org)
哈希、认证与签名
密码哈希函数将消息映射为固定长度的摘要。其重要的安全性质包括：难以为指定摘要找到对应的输入，难以找到与给定输入具有相同摘要的另一输入，以及难以找到任何一对产生碰撞的不同输入。摘要本身并不能认证数据：如果对手能够同时替换消息和摘要，就可以重新计算摘要。(cacr.uwaterloo.ca)
消息认证码使用秘密密钥生成标签，使共享该密钥的各方能够验证消息的完整性和来源。数字签名则使用私有的签名密钥和公开的验证密钥，无须共享签名所用的秘密即可进行验证。签名不会隐藏被签名的消息。(cacr.uwaterloo.ca)
密钥管理涵盖密钥的生成、分发、存储、更换和销毁。证书及其他机制有助于确定某个公钥属于哪个实体。仅仅拥有一个公钥并不足够，还必须能够信任该公钥与预期参与方之间的对应关系。(cacr.uwaterloo.ca)
安全模型与实现
完美保密意味着观察密文不会提供任何关于明文的额外信息。一次一密在严格条件下能够实现这一性质：密钥必须均匀随机、独立于消息、长度至少与消息相同、保持秘密，并且绝不重复使用。大多数实际系统提供的则是计算安全性，即在规定的资源限制下，使攻击不可行。这将密码学与计算复杂性及概率分析联系起来。(crypto.stanford.edu)
安全定义明确规定对手的能力，包括能否获得其选择的消息的加密结果，或其选择的密文的解密结果。证明只能在这些假设下确立某项结论，并不保证具体实现满足这些假设。侧信道攻击利用执行时间、功耗或电磁辐射等信息，而不是直接求解底层的数学问题。(crypto.stanford.edu)
与量子技术相关的密码学
能力足够强的量子计算机能够破解一些基于整数分解和离散对数的重要公钥系统。后量子密码学致力于开发能够抵抗经典攻击和量子攻击的经典算法。2024年8月13日，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布了首批三项正式定稿的标准：用于密钥建立的ML-KEM，以及用于数字签名的ML-DSA和SLH-DSA。这些构造采用的数学基础不同于受到量子计算威胁的系统。(nist.gov)
后量子密码学不同于量子密钥分发，后者利用物理上的量子过程建立密钥。量子密钥分发需要专用设备和经过认证的经典信道；它本身并不能解决认证、端点安全或密钥管理中的所有问题。(nsa.gov)