密碼學之對稱加密

時間  2019-11-30
標籤 密碼學 對稱 加密 简体版
原文   原文鏈接

本文將介紹比特序列運算中的異或運算，同時簡單介紹DES、3DES、AES等對稱加密算法，最後給出對應的Golang加密代碼。算法

比特序列密碼

首先咱們要明白二個概念，一個是計算機編碼，咱們都知道計算機操做的對象並非文字圖像，而是有0和1排列組成的比特序列；一個是異或運算（XOR）, 二個不一樣的比特位異或運算結果是1，不一樣的比特位異或運算結果是0。安全

假設咱們將01001100這個比特序列成爲A，將10101010這個比特序列成爲B，那麼A與B的異或運算結果就以下所示：網絡

因爲二個相同的數進行異或運算的結果是0，所以若是將A與B異或的結果再與B進行異或預算，則結果就會變回A。 app

可能你已經發現了，上面的計算和加密、解密的步驟很是類似。函數

  • 將明文A與祕鑰B進行加密運算，獲得密文A⊕B
  • 將密文A⊕B用祕鑰B進行解密，獲得明文A

實際上，主要選擇一個合適的B，僅僅使用異或運算就能夠實現一個高強度的密碼。測試

DES

DES（Data EncryptionStandard） 是1977年美國聯邦信息處理標準（FIPS）中所採用的一種對稱密碼（FIPS46.3）。DES一直以來被美國以及其餘國家的政府和銀行等普遍使用。然而，隨着計算機的進步，如今DES已經可以被暴力破解，強度大不如前了。ui

RSA公司舉辦過破解DES密鑰的比賽（DESChallenge），咱們能夠看一看RSA公司官方公佈的比賽結果：編碼

  • 1997年的DES Challenge1中用了96天破譯密鑰
  • 1998年的DES ChallengeIl-I中用了41天破譯密鑰
  • 1998年的DES ChallengeII-2中用了56小時破譯密鑰
  • 1999年的DES ChallengeIll中只用了22小時15分鐘破譯密鑰

因爲DES的密文能夠在短期內被破譯，所以除了用它來解密之前的密文之外，如今咱們不該該再使用DES了。加密

加密和解密

DES是一種將64比特的明文加密成64比特的密文的對稱密碼算法， 它的密鑰長度是56比特。儘管從規格上來講，DES的密鑰長度是64比特，但因爲每隔7比特會設置一個用於錯誤檢查的比特，所以實質上其密鑰長度是56比特。spa

DES是以64比特的明文（比特序列）爲一個單位來進行加密的，這個64比特的單位稱爲分組。通常來講，以分組爲單位進行處理的密碼算法稱爲分組密碼（blockcipher），DES就是分組密碼的一種。

DES每次只能加密64比特的數據，若是要加密的明文比較長，就須要對DES加密進行迭代（反覆），而迭代的具體方式就稱爲模式（mode）（後續文章詳細講解分組密碼的模式）。

大B -> bit

小b -> byte

祕鑰長度(56bit + 8bit)/8 = 8byte

  • DES的加密與解密 - 圖例

Go中對DES的操做

加解密實現思路

  • 加密 - CBC分組模式

    1. 建立並返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
      • 祕鑰長度爲64bit, 即 64/8 = 8字節(byte)
    2. 對最後一個明文分組進行數據填充
      • DES是以64比特的明文（比特序列）爲一個單位來進行加密的
      • 最後一組不夠64bit, 則須要進行數據填充( 參考第三章)
    3. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用DES加密的BlockMode接口
    4. 加密連續的數據塊

  • 解密

    1. 建立並返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
    2. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用DES解密的BlockMode接口
    3. 數據塊解密
    4. 去掉最後一組的填充數據
加解密的代碼實現

在Go中使用DES須要導入的包:

import (
	"crypto/des"
	"crypto/cipher"
	"fmt"
	"bytes"
)
複製代碼

DES加密代碼:

// src -> 要加密的明文
// key -> 祕鑰, 大小爲: 8byte
func DesEncrypt_CBC(src, key []byte) []byte{
	// 1. 建立並返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
	block, err := des.NewCipher(key)
	// 2. 判斷是否建立成功
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 3. 對最後一個明文分組進行數據填充
	src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
	// 4. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用DES加密的BlockMode接口
	// 參數iv的長度, 必須等於b的塊尺寸
	tmp := []byte("helloAAA")
	blackMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, tmp)
	// 5. 加密連續的數據塊
	dst := make([]byte, len(src))
	blackMode.CryptBlocks(dst, src)

	fmt.Println("加密以後的數據: ", dst)

	// 6. 將加密數據返回
	return dst
}
複製代碼

DES解密代碼

// src -> 要解密的密文
// key -> 祕鑰, 和加密祕鑰相同, 大小爲: 8byte
func DesDecrypt_CBC(src, key []byte) []byte {
	// 1. 建立並返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
	block, err := des.NewCipher(key)
	// 2. 判斷是否建立成功
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 3. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用DES解密的BlockMode接口
	tmp := []byte("helloAAA")
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, tmp)
	// 4. 解密數據
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(src, dst)
	// 5. 去掉最後一組填充的數據
	dst = PKCS5UnPadding(dst)

	// 6. 返回結果
	return dst
}
複製代碼

最後一個分組添加填充數據和移除添加數據代碼

// 使用pks5的方式填充
func PKCS5Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte{
	// 1. 計算最後一個分組缺多少個字節
	padding := blockSize - (len(ciphertext)%blockSize)
	// 2. 建立一個大小爲padding的切片, 每一個字節的值爲padding
	padText := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
	// 3. 將padText添加到原始數據的後邊, 將最後一個分組缺乏的字節數補齊
	newText := append(ciphertext, padText...)
	return newText
}

// 刪除pks5填充的尾部數據
func PKCS5UnPadding(origData []byte) []byte{
	// 1. 計算數據的總長度
	length := len(origData)
	// 2. 根據填充的字節值獲得填充的次數
	number := int(origData[length-1])
	// 3. 將尾部填充的number個字節去掉
	return origData[:(length-number)]
}
複製代碼

測試函數

func DESText() {
	// 加密
	key := []byte("11111111")
	result := DesEncrypt_CBC([]byte("牀前明月光, 疑是地上霜. 舉頭望明月, 低頭思故鄉."), key)
	fmt.Println(base64.StdEncoding.EncodeToString(result))
	// 解密
	result = DesDecrypt_CBC(result, key)
	fmt.Println("解密以後的數據: ", string(result))
}
複製代碼

重要的函數說明

  1. 生成一個底層使用DES加/解密的Block接口對象

    函數對應的包: import "crypto/des"
func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error) - 參數 key: des對稱加密使用的密碼, 密碼長度爲64bit, 即8byte - 返回值 cipher.Block: 建立出的使用DES加/解密的Block接口對象 複製代碼

  2. 建立一個密碼分組爲CBC模式, 底層使用b加密的BlockMode接口對象

    函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode - 參數 b: 使用des.NewCipher函數建立出的Block接口對象 - 參數 iv: 事先準備好的一個長度爲一個分組長度的比特序列, 每一個分組爲64bit, 即8byte - 返回值: 獲得的BlockMode接口對象 複製代碼

  3. 使用cipher包的BlockMode接口對象對數據進行加/解密

    接口對應的包: import "crypto/cipher"
type BlockMode interface {
    // 返回加密字節塊的大小
    BlockSize() int
    // 加密或解密連續的數據塊，src的尺寸必須是塊大小的整數倍，src和dst可指向同一內存地址
    CryptBlocks(dst, src []byte)
}
接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
    - 參數 dst: 傳出參數, 存儲加密或解密運算以後的結果 
    - 參數 src: 傳入參數, 須要進行加密或解密的數據切片(字符串)
複製代碼

  4. 建立一個密碼分組爲CBC模式, 底層使用b解密的BlockMode接口對象

    函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode - 參數 b: 使用des.NewCipher函數建立出的Block接口對象 - 參數 iv: 事先準備好的一個長度爲一個分組長度的比特序列, 每一個分組爲64bit, 即8byte, 該序列的值須要和NewCBCEncrypter函數的第二個參數iv值相同 - 返回值: 獲得的BlockMode接口對象 複製代碼

  5. 自定義函數介紹

    對稱加密加密須要對數據進行分組, 保證每一個分組的數據長度相等, 若是最後一個分組長度不夠, 須要進行填充
func PKCS5Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte - 參數 ciphertext: 須要加密的原始數據 - 參數 blockSize: 每一個分組的長度, 跟使用的加密算法有關係 * des：64bit， 8byte * 3des：64bit， 8byte * aes： 128bit， 16byte 複製代碼

三重DES

如今DES已經能夠在現實的時間內被暴力破解，所以咱們須要一種用來替代DES的分組密碼，三重DES就是出於這個目的被開發出來的。

三重DES（triple-DES）是爲了增長DES的強度，將DES重複3次所獲得的一種密碼算法，一般縮寫爲3DES。

三重DES的加密

三重DES的加解密機制以下圖所示：

加->解->加 -> 目的是爲了兼容DES(若是三個祕鑰都同樣)

3des祕鑰長度24字節 = 1234567a 1234567b 1234567a

明文: 10

祕鑰1: 2

祕鑰2: 3

祕鑰3: 4

加密算法: 明文+祕鑰

解密算法: 密文-祕鑰

10+2-3+4

)

明文通過三次DES處理才能變成最後的密文，因爲DES密鑰的長度實質上是56比特，所以三重DES的密鑰長度就是56×3=168比特, 加上用於錯誤檢測的標誌位8x3, 共192bit。

從上圖咱們能夠發現，三重DES並非進行三次DES加密（加密-->加密-->加密），而是加密-->解密-->加密的過程。在加密算法中加人解密操做讓人感受很難以想象，實際上這個方法是IBM公司設計出來的，目的是爲了讓三重DES可以兼容普通的DES。

當三重DES中全部的密鑰都相同時，三重DES也就等同於普通的DES了。這是由於在前兩步加密-->解密以後，獲得的就是最初的明文。所以，之前用DES加密的密文，就能夠經過這種方式用三重DES來進行解密。也就是說，三重DES對DES具有向下兼容性。

若是密鑰1和密鑰3使用相同的密鑰，而密鑰2使用不一樣的密鑰（也就是隻使用兩個DES密鑰），這種三重DES就稱爲DES-EDE2。EDE表示的是加密（Encryption) -->解密（Decryption)-->加密（Encryption）這個流程。

密鑰一、密鑰二、密鑰3所有使用不一樣的比特序列的三重DES稱爲DES-EDE3。

儘管三重DES目前還被銀行等機構使用，但其處理速度不高，並且在安全性方面也逐漸顯現出了一些問題。

Go中對3DES的操做

加解密實現思路

  • 加密 - CBC分組模式

    1. 建立並返回一個使用3DES算法的cipher.Block接口
      • 祕鑰長度爲64bit*3=192bit, 即 192/8 = 24字節(byte)
    2. 對最後一個明文分組進行數據填充
      • 3DES是以64比特的明文（比特序列）爲一個單位來進行加密的
      • 最後一組不夠64bit, 則須要進行數據填充( 參考第三章)
    3. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用3DES加密的BlockMode接口
    4. 加密連續的數據塊

  • 解密

    1. 建立並返回一個使用3DES算法的cipher.Block接口
    2. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用3DES解密的BlockMode接口
    3. 數據塊解密
    4. 去掉最後一組的填充數據
加解密的代碼實現

3DES加密代碼

// 3DES加密
func TripleDESEncrypt(src, key []byte) []byte {
	// 1. 建立並返回一個使用3DES算法的cipher.Block接口
	block, err := des.NewTripleDESCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 對最後一組明文進行填充
	src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
	// 3. 建立一個密碼分組爲連接模式, 底層使用3DES加密的BlockMode模型
	blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:8])
	// 4. 加密數據
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	return dst
}
複製代碼

3DES解密代碼

// 3DES解密
func TripleDESDecrypt(src, key []byte) []byte {
	// 1. 建立3DES算法的Block接口對象
	block, err := des.NewTripleDESCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 建立密碼分組爲連接模式, 底層使用3DES解密的BlockMode模型
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:8])
	// 3. 解密
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	// 4. 去掉尾部填充的數據
	dst = PKCS5UnPadding(dst)
	return dst
}
複製代碼

重要的函數說明

  1. 生成一個底層使用3DES加/解密的Block接口對象

    函數對應的包: import "crypto/des"
func NewTripleDESCipher(key []byte) (cipher.Block, error) - 參數 key: 3des對稱加密使用的密碼, 密碼長度爲(64*3)bit, 即(8*3)byte - 返回值 cipher.Block: 建立出的使用DES加/解密的Block接口對象 複製代碼

  2. 建立一個密碼分組爲CBC模式, 底層使用b加密的BlockMode接口對象

    函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode - 參數 b: 使用des.NewTripleDESCipher 函數建立出的Block接口對象 - 參數 iv: 事先準備好的一個長度爲一個分組長度的比特序列, 每一個分組爲64bit, 即8byte - 返回值: 獲得的BlockMode接口對象 複製代碼

  3. 使用cipher包的BlockMode接口對象對數據進行加/解密

    接口對應的包: import "crypto/cipher"
type BlockMode interface {
    // 返回加密字節塊的大小
    BlockSize() int
    // 加密或解密連續的數據塊，src的尺寸必須是塊大小的整數倍，src和dst可指向同一內存地址
    CryptBlocks(dst, src []byte)
}
接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
    - 參數 dst: 傳出參數, 存儲加密或解密運算以後的結果 
    - 參數 src: 傳入參數, 須要進行加密或解密的數據切片(字符串)
複製代碼

  4. 建立一個密碼分組爲CBC模式, 底層使用b解密的BlockMode接口對象

    函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode - 參數 b: 使用des.NewTripleDESCipher 函數建立出的Block接口對象 - 參數 iv: 事先準備好的一個長度爲一個分組長度的比特序列, 每一個分組爲64bit, 即8byte, 該序列的值須要和NewCBCEncrypter函數的第二個參數iv值相同 - 返回值: 獲得的BlockMode接口對象 複製代碼

AES

AES（Advanced Encryption Standard）是取代其前任標準（DES）而成爲新標準的一種對稱密碼算法。全世界的企業和密碼學家提交了多個對稱密碼算法做爲AES的候選，最終在2000年從這些候選算法中選出了一種名爲Rijndael的對稱密碼算法，並將其肯定爲了AES。

Rijndael的分組長度爲128比特，密鑰長度能夠以32比特爲單位在128比特到256比特的範圍內進行選擇（不過在AES的規格中，密鑰長度只有12八、192和256比特三種）。

  • 128bit = 16字節
  • 192bit = 24字節
  • 256bit = 32字節

在go提供的接口中祕鑰長度只能是16字節

AES的加密和解密

和DES—樣，AES算法也是由多輪所構成的，下圖展現了每一輪的大體計算步驟。DES使用Feistel網絡做爲其基本結構，而AES沒有使用Feistel網絡，而是使用了SPN Rijndael的輸人分組爲128比特，也就是16字節。首先，須要逐個字節地對16字節的輸入數據進行SubBytes處理。所謂SubBytes,就是以每一個字節的值（0～255中的任意值）爲索引，從一張擁有256個值的替換表（S-Box）中查找出對應值的處理，也是說，將一個1字節的值替換成另外一個1字節的值。

SubBytes以後須要進行ShiftRows處理，即將SubBytes的輸出以字節爲單位進行打亂處理。從下圖的線咱們能夠看出，這種打亂處理是有規律的。

ShiftRows以後須要進行MixCo1umns處理，即對一個4字節的值進行比特運算，將其變爲另一個4字節值。

最後，須要將MixColumns的輸出與輪密鑰進行XOR，即進行AddRoundKey處理。到這裏，AES的一輪就結東了。實際上，在AES中須要重複進行10 ~ 14輪計算。

經過上面的結構咱們能夠發現輸入的全部比特在一輪中都會被加密。和每一輪都只加密一半輸人的比特的Feistel網絡相比，這種方式的優點在於加密所須要的輪數更少。此外，這種方式還有一個優點，即SubBytes，ShiftRows和MixColumns能夠分別按字節、行和列爲單位進行並行計算。

  • SubBytes -- 字節代換
  • ShiftRows -- 行移位代換
  • MixColumns -- 列混淆
  • AddRoundKey -- 輪密鑰加

下圖展現了AES中一輪的解密過程。從圖中咱們能夠看出，SubBytes、ShiftRows、MixColumns分別存在反向運算InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns，這是由於AES不像Feistel網絡同樣可以用同一種結構實現加密和解密。

  • InvSubBytes -- 逆字節替代
  • InvShiftRows -- 逆行移位
  • InvMixColumns -- 逆列混淆

Go中對AES的使用

加解密實現思路

  • 加密 - CBC分組模式

    1. 建立並返回一個使用AES算法的cipher.Block接口
      • 祕鑰長度爲128bit, 即 128/8 = 16字節(byte)
    2. 對最後一個明文分組進行數據填充
      • AES是以128比特的明文（比特序列）爲一個單位來進行加密的
      • 最後一組不夠128bit, 則須要進行數據填充( 參考第三章)
    3. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用AES加密的BlockMode接口
    4. 加密連續的數據塊

  • 解密

    1. 建立並返回一個使用AES算法的cipher.Block接口
    2. 建立一個密碼分組爲連接模式的, 底層使用AES解密的BlockMode接口
    3. 數據塊解密
    4. 去掉最後一組的填充數據
加解密的代碼實現

AES加密代碼

// AES加密
func AESEncrypt(src, key []byte) []byte{
	// 1. 建立一個使用AES加密的塊對象
	block, err := aes.NewCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 最後一個分組進行數據填充
	src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
	// 3. 建立一個分組爲連接模式, 底層使用AES加密的塊模型對象
	blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:block.BlockSize()])
	// 4. 加密
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	return dst
}
複製代碼

AES解密

// AES解密
func AESDecrypt(src, key []byte) []byte{
	// 1. 建立一個使用AES解密的塊對象
	block, err := aes.NewCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 建立分組爲連接模式, 底層使用AES的解密模型對象
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:block.BlockSize()])
	// 3. 解密
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	// 4. 去掉尾部填充的字
	dst = PKCS5UnPadding(dst)
	return dst
}
複製代碼

重要的函數說明

  1. 生成一個底層使用AES加/解密的Block接口對象

    函數對應的包: import "crypto/aes"
func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error) - 參數 key: aes對稱加密使用的密碼, 密碼長度爲128bit, 即16byte - 返回值 cipher.Block: 建立出的使用AES加/解密的Block接口對象 複製代碼

  2. 建立一個密碼分組爲CBC模式, 底層使用b加密的BlockMode接口對象

    函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode - 參數 b: 使用aes.NewCipher函數建立出的Block接口對象 - 參數 iv: 事先準備好的一個長度爲一個分組長度的比特序列, 每一個分組爲64bit, 即8byte - 返回值: 獲得的BlockMode接口對象 複製代碼

  3. 使用cipher包的BlockMode接口對象對數據進行加/解密

    接口對應的包: import "crypto/cipher"
type BlockMode interface {
    // 返回加密字節塊的大小
    BlockSize() int
    // 加密或解密連續的數據塊，src的尺寸必須是塊大小的整數倍，src和dst可指向同一內存地址
    CryptBlocks(dst, src []byte)
}
接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
    - 參數 dst: 傳出參數, 存儲加密或解密運算以後的結果 
    - 參數 src: 傳入參數, 須要進行加密或解密的數據切片(字符串)
複製代碼

  4. 建立一個密碼分組爲CBC模式, 底層使用b解密的BlockMode接口對象

    函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode - 參數 b: 使用des.NewCipher函數建立出的Block接口對象 - 參數 iv: 事先準備好的一個長度爲一個分組長度的比特序列, 每一個分組爲128bit, 即16byte, 該序列的值須要和NewCBCEncrypter函數的第二個參數iv值相同 - 返回值: 獲得的BlockMode接口對象 複製代碼

應選擇哪一種對稱加密

前面介紹了DES、三重DES和AES等對稱密碼，那麼咱們到底應該使用哪種對稱密碼算法呢？

  1. 從此最好不要將DES用於新的用途，由於隨着計算機技術的進步，如今用暴力破解法已經可以在現實的時間內完成對DES的破譯。可是，在某些狀況下也須要保持與舊版本軟件的兼容性。
  2. 出於兼容性的因素三重DES在從此還會使用一段時間，但會逐漸被AES所取代。
  3. 從此你們應該使用的算法是AES（Rijndael），由於它安全、快速，並且可以在各類平臺上工做。此外，因爲全世界的密碼學家都在對AES進行不斷的驗證，所以即使萬一發現它有什麼缺陷，也會馬上告知全世界並修復這些缺陷。

通常來講，咱們不該該使用任何自制的密碼算法，而是應該使用AES。由於AES在其選定過程當中，通過了全世界密碼學家所進行的高品質的驗證工做，而對於自制的密碼算法則很難進行這樣的驗證。

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