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对称加密之DES、三重DES、AES

冰山2019-09-08【密码学】人已围观

简介1.DES加密
1.1定义
1.2 DES的加密与解密
2.三重DES
2.1定义
2.2 三重DES的加密与解密
3.AES加密
3.1AES的加密和解密

对称加密: 也称为对称密码, 是指在加密和解码时使用同一秘钥的加密方式。



 

1.DES加密


1.1定义


DES(Data Encryption Standard)是1977年美国联邦信息处理标准(FIPS)中所采用的一种对称密码(FIPS46.3)。DES一直以来被美国以及其他国家的政府和银行等广泛使用。

RSA公司举办过破泽DES密钥的比赛(DESChallenge),我们可以看一看RSA公司官方公布的比赛结果:
1)1997年的DES Challenge1中用了96天破译密钥
2)1998年的DES ChallengeIl-I中用了41天破译密钥
3)1998年的DES ChallengeII-2中用了56小时破译密钥
4)1999年的DES ChallengeIll中只用了22小时15分钟破译密钥

由于DES的密文可以在短时间内被破译,因此除了用它来解密以前的密文以外,现在我们不应该再使用DES了。
 

1.2 DES的加密与解密


DES是一种将64比特的明文加密成64比特的密文的对称密码算法,它的密钥长度是56比特。尽管从规格上来说,DES的密钥长度是64比特,但由于每隔7比特会设置一个用于错误检查的比特,因此实质上其密钥长度是56比特。

DES是以64比特的明文为一个单位来进行加密的,这个64比特的单位称为分组。一般来说,以分组为单位进行处理的密码算法称为分组密码(blockcipher),DES就是分组密码的一种。

DES每次只能加密64比特的数据,如果要加密的明文比较长,就需要对DES加密进行迭代(反复),而迭代的具体方式就称为模式(mode)。



 

2.三重DES

从上面的RSA举办比赛所破解的时间来看,DES被破解的速度越来越快,其安全性受到威胁。

DES已经可以在现实的时间内被暴力破解,因此我们需要一种用来替代DES的分组密码,三重DES就是出于这个目的被开发出来的,下面让我们来看看什么是三重DES。


2.1定义


三重DES(triple-DES)是为了增加DES的强度,将DES重复3次所得到的一种密码算法,通常缩写为3DES。

 

2.2 三重DES的加密与解密


三重DES的加解密机制如图所示:
加密-->解密-->加密, 目的是为了兼容des








明文经过三次DES处理才能变成最后的密文,由于DES密钥的长度实质上是56比特,因此三重DES的密钥长度就是56×3=168比特, 加上用于错误检测的标志位8x3, 共192bit。

从上图我们可以发现,三重DES并不是进行三次DES加密(加密-->加密-->加密),而是加密-->解密-->加密过程。在加密算法中加人解密操作让人感觉很不可思议,实际上这个方法是IBM公司设计出来的,目的是为了让三重DES能够兼容普通的DES。

当三重DES中所有的密钥都相同时,三重DES也就等同于普通的DES了。这是因为在前两步加密-->解密之后,得到的就是最初的明文。因此,以前用DES加密的密文,就可以通过这种方式用三重DES来进行解密。也就是说,三重DES对DES具备向下兼容性。

如果密钥1和密钥3使用相同的密钥,而密钥2使用不同的密钥(也就是只使用两个DES密钥),这种三重DES就称为DES-EDE2。EDE表示的是加密(Encryption) -->解密(Decryption)-->加密(Encryption)这个流程。密钥1、密钥2、密钥3全部使用不同的比特序列的三重DES称为DES-EDE3。

尽管三重DES目前还被银行等机构使用,但其处理速度不高,而且在安全性方面也逐渐显现出了一些问题。
 

3.AES加密


AES(Advanced Encryption Standard)是取代其前任标准(DES)而成为新标准的一种对称密码算法。全世界的企业和密码学家提交了多个对称密码算法作为AES的候选,最终在2000年从这些候选算法中选出了一种名为Rijndael的对称密码算法,并将其确定为了AES。

Rijndael是由比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen设汁的分组密码算法,今后会有越来越多的密码软件支持这种算法。

Rijndael的分组长度为128比特,密钥长度可以以32比特为单位在128比特到256比特的范围内进行选择(不过在AES的规格中,密钥长度只有128、192和256比特三种)。
 

3.1AES的加密和解密


0123456789ABCDEF
ABCDEFGHIJKLMNOP

和DES—样,AES算法也是由多个轮所构成的,下图展示了每一轮的大致计算步骤。DES使用Feistel网络作为其基本结构,而AES没有使用Feistel网络,而是使用了SPN Rijndael的输人分组为128比特,也就是16字节。

首先,需要逐个字节地对16字节的输入数据进行SubBytes处理。所谓SubBytes,就是以每个字节的值(0~255中的任意值)为索引,从一张拥有256个值的替换表(S-Box)中查找出对应值的处理,也是说,将一个1字节的值替换成另一个1字节的值。

SubBytes之后需要进行ShiftRows处理,即将SubBytes的输出以字节为单位进行打乱处理。从下图的线我们可以看出,这种打乱处理是有规律的。

ShiftRows之后需要进行MixColumns处理,即对一个4字节的值进行比特运算,将其变为另外一个4字节值。

最后,需要将MixColumns的输出与轮密钥进行XOR,即进行AddRoundKey处理。到这里,AES的一轮就结東了。实际上,在AES中需要重复进行10 ~ 14轮计算。

通过上面的结构可以发现输入的所有比特在一轮中都会被加密。和每一轮都只加密一半输人的比特的Feistel网络相比,这种方式的优势在于加密所需要的轮数更少。此外,这种方式还有一个优势,即SubBytes,ShiftRows和MixColumns可以分别按字节、行和列为单位进行并行计算。




下图展示了AES中一轮的解密过程。从图中可以看出,SubBytes、ShiftRows、MixColumns分别存在反向运算InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns,这是因为AES不像Feistel网络一样能够用同一种结构实现加密和解密。



以上为DES、三重DES、AES的加密算法,使用一种密钥空间巨大,且在算法上没有弱点的对称密码,就可以通过密文来确保明文的机密性。巨大的密钥空间能够抵御暴力破解,算法上没有弱点可以抵御其他类型的攻击,这以上的所有算法都只能将一个固定长度的分组进行加密,当需要加密的明文长度超过分组长度时,就需要对密码算法进行迭代。

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