簡單了解下經(jīng)典加密算法DES和AES

安全加密在IC領(lǐng)域也是相當(dāng)重要的部分了，這次我們簡單了解下經(jīng)典加密算法，DES和AES。

DES簡介

DES全稱為Data Encryption Standard，即數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，是一種使用密鑰加密的塊算法。DES加密算法出自IBM的研究，1977年被美國聯(lián)邦政府的國家標(biāo)準(zhǔn)局確定為聯(lián)邦資料處理標(biāo)準(zhǔn)（FIPS），并授權(quán)在非密級(jí)政府通信中使用，之后開始廣泛流傳，但是近些年使用越來越少，因?yàn)镈ES使用56位密鑰（密鑰長度越長越安全），隨著現(xiàn)代計(jì)算能力的提升，破解難度越來越低。對(duì)于加密算法而言，這意味著它將慢慢淡出主流。

DES安全性

（1）如果DES密鑰太短經(jīng)不起窮盡攻擊。

（2）DES存在弱密鑰和半弱密鑰。

不過，在某些簡單應(yīng)用中，DES加密算法還是有使用空間的。

DES算法的入口參數(shù)有三個(gè)：Key、Data、Mode。

·其中Key為8個(gè)字節(jié)共64位，是DES算法的工作密鑰；

·Data也為8個(gè)字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；

·Mode為DES的工作方式，有兩種：加密或解密。

DES算法是這樣工作的：

如Mode為加密，則用Key 去把數(shù)據(jù)Data進(jìn)行加密， 生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸出結(jié)果；

如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data解密，還原為Data的明碼形式（64位）作為DES的輸出結(jié)果。

DES算法為密碼體制中的對(duì)稱密碼體制，又被稱為美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。

DES是一個(gè)分組加密算法，典型的DES以64位為分組對(duì)數(shù)據(jù)加密，加密和解密用的是同一個(gè)算法。

密鑰長64位，密鑰事實(shí)上是56位參與DES運(yùn)算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗(yàn)位，使得每個(gè)密鑰都有奇數(shù)個(gè)1），分組后的明文組和56位的密鑰按位替代或交換的方法形成密文組。

DES加密

初始置換IP

將64 bit明文的位置進(jìn)行置換，得到一個(gè)亂序的64 bit明文組，而后分成左右兩段，每段為32bit，以L0和R0表示，IP中各列元素位置號(hào)數(shù)相差為8，相當(dāng)于將原明文各字節(jié)按列寫出，各列比特經(jīng)過偶采樣和奇采樣置換后，再對(duì)各行進(jìn)行逆序。

1. 初始置換IP作用是：將64位明文打亂重新排列。如，初始置換IP就是將原名來64位明文數(shù)據(jù)的第58位換到第1位，原來的50位換到第2位，…，依次類推。

2.初始置換結(jié)果分為兩組：左L0（32位）、右R0（32位）

初始置換表

乘積變換

乘積變換是DES算法的核心部分，此步驟需要經(jīng)歷16輪，而且每一輪變換都需要一個(gè)48bit子密鑰，共需要16個(gè)48bit密鑰。將經(jīng)過IP置換后的數(shù)據(jù)分成32 bit的左右兩組，在迭代過程中彼此左右交換位置。

每次迭代時(shí)只對(duì)右邊的32 bit進(jìn)行一系列的加密變換，在此輪迭代即將結(jié)束時(shí)，把左邊的32 bit與右邊得到的32bit做異或運(yùn)算，作為下一輪迭代時(shí)右邊的段，并將原來右邊未經(jīng)變換的段直接送到左邊的寄存器中作為下一輪迭代時(shí)左邊的段。

在每一輪迭代時(shí)，右邊的段要經(jīng)過選擇擴(kuò)展運(yùn)算E、密鑰加密運(yùn)算、選擇壓縮運(yùn)算S、置換運(yùn)算P和左右數(shù)據(jù)段的異或運(yùn)算。

乘積變換中的加密變換

（1）選擇擴(kuò)展運(yùn)算E

選擇擴(kuò)展運(yùn)算E

選擇擴(kuò)展運(yùn)算效果圖

（2）獲取子密鑰進(jìn)行加密運(yùn)算

子密鑰產(chǎn)生算法

1) 置換1

置換1后的效果

2) 循環(huán)左移

每個(gè)寄存器所需移動(dòng)的數(shù)據(jù)位數(shù)

3) 壓縮置換

壓縮置換表

（3）選擇壓縮算法S

S盒信息

（4）置換運(yùn)算P

P盒置換表

逆初始置換

逆初始置換是DES加密過程的最后一步，它的作用打亂重排第十六次加密迭代的結(jié)果然后形成64位密文。

1. 把64位中間密文打亂重排。初始置換IP與逆初始置換是互逆的。如，在IP中把輸入的第2位置換到第8位，而在逆初始置換中，把輸入的第8位置換到第2位。

2. 形成最終的64位密文。

3DES簡介

3DES是DES加密算法的一種模式，它使用3條64位的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行三次加密。數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）是美國的一種由來已久的加密標(biāo)準(zhǔn)，它使用對(duì)稱密鑰加密法。

另起一段對(duì)它進(jìn)行簡單介紹的原因，是因?yàn)樗厥獾膬r(jià)值：承上啟下。

3DES（Triple DES）是DES向AES過渡的加密算法，是DES的一個(gè)更安全的變形。它以DES為基本模塊，通過組合分組方法設(shè)計(jì)出分組加密算法。

3DES有兩種加密方式：

1. 第一、三次加密使用同一種密鑰，這種方式密鑰長度128位（112位有效）

2. 三次加密使用不同密鑰，這種方式密鑰長度192位（168位有效）

3DES的密鑰長度為24個(gè)字節(jié)，而 DES 的密鑰長度為8的倍數(shù)，比如8，16，24都可以。

AES簡介

AES，Advanced Encryption Standard，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，在密碼學(xué)中又稱Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。它的出現(xiàn)主要是為了取代DES加密算法。

雖然出現(xiàn)了3DES的加密方法，但由于它的加密時(shí)間是DES算法的3倍多，64Bit的分組大小相對(duì)較小，所以還是不能滿足人們對(duì)安全性的要求。

1997年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所宣布希望征集高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，最終5個(gè)候選算法進(jìn)入最后一輪：Rijndael，Serpent，Twofish，RC6和MARS。而Rijndael算法笑到了最后。

AES原本指的是一套標(biāo)準(zhǔn)FIPS 197，而AES算法一般指分組大小為128bits的Rijndeal算法。這也是AES與Rijndeal的一個(gè)區(qū)別。

AES與R的區(qū)別

下面簡單介紹下各個(gè)部分的作用與意義：

明文P

沒有經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)。

密鑰K

用來加密明文的密碼，在對(duì)稱加密算法中，加密與解密的密鑰是相同的。密鑰為接收方與發(fā)送方協(xié)商產(chǎn)生，但不可以直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，否則會(huì)導(dǎo)致密鑰泄漏，通常是通過非對(duì)稱加密算法加密密鑰，然后再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給對(duì)方，或者直接面對(duì)面商量密鑰。密鑰是絕對(duì)不可以泄漏的，否則會(huì)被攻擊者還原密文，竊取機(jī)密數(shù)據(jù)。

AES加密函數(shù)

設(shè)AES加密函數(shù)為E，則 C = E(K, P),其中P為明文，K為密鑰，C為密文。也就是說，把明文P和密鑰K作為加密函數(shù)的參數(shù)輸入，則加密函數(shù)E會(huì)輸出密文C。

密文C

經(jīng)加密函數(shù)處理后的數(shù)據(jù)

AES解密函數(shù)

設(shè)AES解密函數(shù)為D，則 P = D(K, C),其中C為密文，K為密鑰，P為明文。也就是說，把密文C和密鑰K作為解密函數(shù)的參數(shù)輸入，則解密函數(shù)會(huì)輸出明文P。

在這里簡單介紹下對(duì)稱加密算法與非對(duì)稱加密算法的區(qū)別。

對(duì)稱加密算法

加密和解密用到的密鑰是相同的，這種加密方式加密速度非?？欤m合經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)的場合。缺點(diǎn)是密鑰的傳輸比較麻煩。

非對(duì)稱加密算法

加密和解密用的密鑰是不同的，這種加密方式是用數(shù)學(xué)上的難解問題構(gòu)造的，通常加密解密的速度比較慢，適合偶爾發(fā)送數(shù)據(jù)的場合。優(yōu)點(diǎn)是密鑰傳輸方便。常見的非對(duì)稱加密算法為RSA、ECC和EIGamal。

AES的基本結(jié)構(gòu)

AES為分組密碼，分組密碼也就是把明文分成一組一組的，每組長度相等，每次加密一組數(shù)據(jù)，直到加密完整個(gè)明文。在AES標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，分組長度只能是128位，也就是說，每個(gè)分組為16個(gè)字節(jié)（每個(gè)字節(jié)8位）。

密鑰的長度可以使用128位、192位或256位。密鑰的長度不同，推薦加密輪數(shù)也不同，如下表所示：

AES加密有AES-128、AES-192、AES-256三種，分別對(duì)應(yīng)三種密鑰長度128bits（16字節(jié)）、192bits（24字節(jié)）、256bits（32字節(jié)）。當(dāng)然，密鑰越長，安全性越高，加解密花費(fèi)時(shí)間也越長。

默認(rèn)的是 AES-128，其安全性完全夠用。

這里實(shí)現(xiàn)的是AES-128，也就是密鑰的長度為128位，加密輪數(shù)為10輪。

AES的加密公式為C = E(K,P)，在加密函數(shù)E中，會(huì)執(zhí)行一個(gè)輪函數(shù)，并且執(zhí)行10次這個(gè)輪函數(shù)，這個(gè)輪函數(shù)的前9次執(zhí)行的操作是一樣的，只有第10次有所不同。也就是說，一個(gè)明文分組會(huì)被加密10輪。AES的核心就是實(shí)現(xiàn)一輪中的所有操作。

AES的處理單位是字節(jié)，128位的輸入明文分組P和輸入密鑰K都被分成16個(gè)字節(jié)，分別記為P = P0 P1 … P15 和 K = K0 K1 … K15。如，明文分組為P = abcdefghijklmnop,其中的字符a對(duì)應(yīng)P0，p對(duì)應(yīng)P15。

一般地，明文分組用字節(jié)為單位的正方形矩陣描述，稱為狀態(tài)矩陣。在算法的每一輪中，狀態(tài)矩陣的內(nèi)容不斷發(fā)生變化，最后的結(jié)果作為密文輸出。

該矩陣中字節(jié)的排列順序?yàn)閺纳系较?、從左至右依次排列，如下圖所示：

分組密碼體制

所謂分組密碼體制就是指將明文切成一段一段的來加密，然后再把一段一段的密文拼起來形成最終密文的加密方式。AES 采用分組密碼體制，即 AES 加密會(huì)首先把明文切成一段一段的，而且每段數(shù)據(jù)的長度要求必須是128位16個(gè)字節(jié)，如果最后一段不夠16個(gè)字節(jié)了，就需要用 Padding 來把這段數(shù)據(jù)填滿16個(gè)字節(jié)，然后分別對(duì)每段數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后再把每段加密數(shù)據(jù)拼起來形成最終的密文。

初始向量IV

初始向量 IV 的作用是使加密更加安全可靠，我們使用 AES 加密時(shí)需要主動(dòng)提供初始向量，而且只需要提供一個(gè)初始向量就夠了，后面每段數(shù)據(jù)的加密向量都是前面一段的密文。初始向量 IV 的長度規(guī)定為128位16個(gè)字節(jié)，初始向量的來源為隨機(jī)生成。

AES加密模式

AES只是個(gè)基本算法，實(shí)現(xiàn)AES有幾種加密模式。分組密碼有五種工作體制：1.電碼本模式（Electronic Codebook Book (ECB)）；2.密碼分組鏈接模式（Cipher Block Chaining (CBC)）；3.計(jì)算器模式（Counter (CTR)）；4.密碼反饋模式（Cipher FeedBack (CFB)）；5.輸出反饋模式（Output FeedBack (OFB)）。

ECB模式（電子密碼本模式：Electronic codebook）

ECB是最簡單的塊密碼加密模式，加密前根據(jù)加密塊大?。ㄈ鏏ES為128位）分成若干塊，之后將每塊使用相同的密鑰單獨(dú)加密，解密同理。

CBC模式（密碼分組鏈接：Cipher-block chaining）

CBC模式對(duì)于每個(gè)待加密的密碼塊在加密前會(huì)先與前一個(gè)密碼塊的密文異或然后再用加密器加密。第一個(gè)明文塊與一個(gè)叫初始化向量的數(shù)據(jù)塊異或。

CFB模式（密文反饋：Cipher feedback）

與ECB和CBC模式只能夠加密塊數(shù)據(jù)不同，CFB能夠?qū)K密文（Block Cipher）轉(zhuǎn)換為流密文（Stream Cipher）。

OFB模式（輸出反饋：Output feedback）

OFB是先用塊加密器生成密鑰流（Keystream），然后再將密鑰流與明文流異或得到密文流，解密是先用塊加密器生成密鑰流，再將密鑰流與密文流異或得到明文，由于異或操作的對(duì)稱性所以加密和解密的流程是完全一樣的。

CTR模式（計(jì)數(shù)器：Counter）

計(jì)數(shù)器模式不常見，在CTR模式中， 有一個(gè)自增的算子，這個(gè)算子用密鑰加密之后的輸出和明文異或的結(jié)果得到密文，相當(dāng)于一次一密。這種加密方式簡單快速，安全可靠，而且可以并行加密，但是在計(jì)數(shù)器不能維持很長的情況下，密鑰只能使用一次。

AES有五種加密模式，我們一般使用的是CBC模式，而ECB則相對(duì)不安全。ECB 模式是最基本的加密模式，僅僅使用明文和密鑰來加密數(shù)據(jù)，相同的明文塊會(huì)被加密成相同的密文塊，這樣明文和密文的結(jié)構(gòu)將是完全一樣的，就會(huì)更容易被破解，相對(duì)來說不是那么安全，因此很少使用。

而CBC模式則比 ECB模式多了一個(gè)初始向量 IV，加密的時(shí)候，第一個(gè)明文塊會(huì)首先和初始向量 IV 做異或操作，然后再經(jīng)過密鑰加密，然后第一個(gè)密文塊又會(huì)作為第二個(gè)明文塊的加密向量來異或，依次類推下去，這樣相同的明文塊加密出的密文塊就是不同的，明文的結(jié)構(gòu)和密文的結(jié)構(gòu)也將是不同的，因此更加安全，因而我們常用的就是CBC加密模式。

AES加密

開始加密，進(jìn)入4個(gè)輪函數(shù)：

1、AddRoundKey：輪密鑰加運(yùn)算

2、ByteSub：字節(jié)變換 (S盒變換)

3、ShiftRows：行變換

4、MixColumns：列變換

輪密鑰加 / AddRoundKey

簡單的把當(dāng)前狀態(tài) (state) 與擴(kuò)展密鑰進(jìn)行按位異或

字節(jié)變換 / ByteSub

這一步就是將state中每一個(gè)字節(jié)替換為S_box中的對(duì)應(yīng)字節(jié)。S_box是一個(gè)有256個(gè)元素的一維數(shù)組，直接查找當(dāng)前字節(jié)所對(duì)應(yīng)的新的字節(jié)并替換即可。

行變換 / ShiftRow

這個(gè)就比較好理解了，就是把每行左環(huán)移，第一行不變，第二行環(huán)移1位，第三行環(huán)移2位，第三行環(huán)移3位。

列混合 / MixColumn

這是整個(gè)AES加密流程中最復(fù)雜的一步，同時(shí)要應(yīng)用到之前在S盒變換里提到過的GF(256)域，如果真的想要理解這一步的話建議先去仔細(xì)了解一下GF(256)再來繼續(xù)閱讀，此處不多加闡述。

密鑰擴(kuò)展 / KeyExpansion

萬事俱備，只欠東風(fēng)。4個(gè)輪函數(shù)已經(jīng)全部齊了，現(xiàn)在只差一步——密鑰擴(kuò)展。

簡述DES與AES的區(qū)別

AES中的S盒運(yùn)用了GF(28)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，DES中的S盒主要是為了確保非線性。與DES相比，AES用到了非常深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

與AES算法相比，DES在參數(shù)特性方面主要區(qū)別體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、DES的數(shù)據(jù)塊大小為8個(gè)字節(jié)，而AES的數(shù)據(jù)塊大小為16個(gè)字節(jié)。

2、DES的密鑰長度是64位（其中8位用于校驗(yàn)），而AES的密鑰長度是128位（AES算法比DES算法更安全）。

3、這兩種算法在加/解方面的具體原理是不一樣的，但DES加密算法的塊大小及密鑰長度都不能滿足現(xiàn)在的安全需求了，就像最開始提到的那樣，所以現(xiàn)在比較少使用這種加密算法，而是使用像AES或者3DES之類更高級(jí)的加密算法。

審核編輯：劉清