对称加密

太宰先生
482 阅读16分钟

流密码

逐位加密信息，将明文消息分解为单个位，然后使用密钥位将其分别转换为密文。流密码一次加密一位数据，而不用等待数据块的形成，此过程的关键在于根据加密密钥和种子（随机数nonce）生成伪随机比特流，它们一起创建了一个密钥流（伪随机比特流），该密钥流再与纯文本逐位进行异或运算，生成密文。因为每个数字的加密都取决于密码引擎的当前状态，所以流密码也被称为状态密码。

image.png

分组密码

顾名思义，分块加密信息；分组密码将明文消息分解为固定大小的块block，然后使用密钥将其转换为密文。例如，当提供了一个x位分块纯文本（连同一个密钥）作为块密码引擎的输入时，它会生成相应的x位密文块，此过程依赖于密钥，同样解密算法利用x位分块密文和上述密钥作为输入，恢复原始的x位。每块使用相同的密钥（单独）加密，但是由于使用了相同的密钥，所以纯文本中的每个重复序列都转换成了密码本中相同的重复序列，可能会引起安全问题。流行的块密码是DES（数据加密标准）和AES（高级加密标准）。

image.png

对比

流密码通常比分组密码执行得更快，当纯文本以不同数量可用时，比如一个安全的WIFI连接，流密码展现出比分组密码更大的优势，因为分组密码不能直接对小于块大小的块进行操作。但有时候，它们之间的差别不是很明显，这是因为当使用某些操作模式时，分组密码可以用作流密码，允许它加密可用的最小数据单元。

DES加密算法

image.png

该加密算法中，明文和密文为64位的文组文本，密钥长度也为64位，但是密钥的每组第8个位置设置为奇偶校验位，因而密钥实际长度为56位。

image.png

加密过程如下

  • 初始置换

  • 生成子密钥

  • 迭代

  • 逆置换

image.png

初始置换

将原文本经过IP置换表处理

58,50,42,34,26,18,10,02,
60,52,44,36,28,20,12,04,
62,54,46,38,30,22,14,06,
64,56,48,40,32,24,16,08,
57,49,41,33,25,17,09,01,
59,51,43,35,27,19,11,03,
61,53,45,37,29,21,13,05,
63,55,47,39,31,23,15,07,

例如如下64位的明文M

M = 0110001101101111011011010111000001110101011101000110010101110010
---
M' = 1111111110111000011101100101011100000000111111110000011010000011
L0 = 11111111101110000111011001010111
R0 = 00000000111111110000011010000011

在初始排列之后，我们有两个 32 位纯文本区域，分别称为左纯文本 L0 和右纯文本 R0。

子密钥生成

每次迭代过程的数据长度为48位，因此需要16个48位的子密钥来进行加密，生成子密钥的过程如下

image.png

PC-1表

去除校验位后，密钥第一轮置换，PC-1表8*7，密钥K经PC-1后变为56位数据K0。

57,49,41,33,25,17,09
01,58,50,42,34,26,18
10,02,59,51,43,35,27
19,11,03,60,52,44,36
63,55,47,39,31,23,15
07,62,54,46,38,30,22
14,06,61,53,45,37,29
21,13,05,28,20,12,04

Shift表

某一轮左移位数

image.png

PC-2表

由于PC-2表为8*6的表，经PC-2置换后的数据为48位，置换后得到子密钥K1，PC-2表中去除了第9，18，22，25，35，38，43，54位。

14,17,11,24,01,05,
03,28,15,06,21,10,
23,19,12,04,26,08,
16,07,27,20,13,02,
41,52,31,37,47,55,
30,40,51,45,33,48,
44,49,39,56,34,53,
46,42,50,36,29,32

例如

K = 0001001100110100010101110111100110011011101111001101111111110001
第一轮置换
去除校验位，经过PC-1置换
K0 = 11110000110011001010101011110101010101100110011110001111
C0 = 1111000011001100101010101111
D0 = 0101010101100110011110001111
进行第一轮移位，左移1位
C1 = 1110000110011001010101011111
D1 = 1010101011001100111100011110
CD_1 = 11100001100110010101010111111010101011001100111100011110 (56位)
C1与D1合并，经过第一轮PC-2置换，去除了第9，18，22，25，35，38，43，54位
K1 = 000110110000001011101111111111000111000001110010 (48位)

第二轮置换
进行第二轮移位，左移1位
C2 = 1100001100110010101010111111
D2 = 0101010110011001111000111101
CD_2 = 11000011001100101010101111110101010110011001111000111101 (56位)
C2与D2合并，经过第二轮PC-2置换，去除了第9，18，22，25，35，38，43，54位
K2 = 011110011010111011011001110110111100100111100101

C3（28位） = 0000110011001010101011111111
D3（28位） = 0101011001100111100011110101
K3（48位） = 010101011111110010001010010000101100111110011001

C4（28位） = 0011001100101010101111111100
D4（28位） = 0101100110011110001111010101
K4（48位） = 011100101010110111010110110110110011010100011101

以此类推

迭代

设Li（32位）和Ri（32位）为第i次迭代结果的左半部分与右半部分，子密钥Ki为第i轮的48位加密密钥。定义运算规则：

Li = Ri-1;
Ri = Li ⊕ f(Ri-1, Ki);

image.png

扩展置换E

DES加密共执行16轮迭代，每次迭代过程的数据长度48位，然而初始置换完后每一半的长度为32位，如何扩展成48位？只是因为32位R0被分为8个块，每个块4位，每个块首尾各添加1个位，即可满足要求。

32, 01, 02, 03, 04, 05,
04, 05, 06, 07, 08, 09,
08, 09, 10, 11, 12, 13,
12, 13, 14, 15, 16, 17,
16, 17, 18, 19, 20, 21,
20, 21, 22, 23, 24, 25,
24, 25, 26, 27, 28, 29,
28, 29, 30, 31, 32, 01

# Expansion D-box Table
exp_d = [32, 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 
         4 , 5,  6 , 7 , 8 , 9 , 
         8 , 9 , 10, 11, 12, 13, 
         12, 13, 14, 15, 16, 17,
         16, 17, 18, 19, 20, 21, 
         20, 21, 22, 23, 24, 25, 
         24, 25, 26, 27, 28, 29, 
         28, 29, 30, 31, 32, 1 ]

# Permute function to rearrange the bits
def permute(k, arr, n):
    permutation = ""
    for i in range(0, n):
        permutation = permutation + k[arr[i] - 1]
    return permutation
    
for i in range(0, 16):
    #  Expansion D-box: Expanding the 32 bits data into 48 bits
    right_expanded  = permute(right, exp_d,  48)

例如

R0 = 0000 0000 1111 1111 0000 0110 1000 0011
---
E(R0)^k1 = 100000 000001 011111 111110 100000 001101 010000 000110

S-BOX

由8个不同的代替盒（S盒）完成。每个S盒有6位输入，4位输出。代替运算流程如下

image.png

若S-盒1的输入为110111，第一位与最后一位构成11，十进制值为3，则对应第3行，中间4位为1011对应的十进制值为11，则对应第11列。查找S-盒1表的值为14，则S-盒1的输出为1110。8个S盒将输入的48位数据输出为32位数据。

S-盒1

14,04,13,01,02,15,11,08,03,10,06,12,05,09,00,07,
00,15,07,04,14,02,13,01,10,06,12,11,09,05,03,08,
04,01,14,08,13,06,02,11,15,12,09,07,03,10,05,00,
15,12,08,02,04,09,01,07,05,11,03,14,10,00,06,13,

S-盒2

15,01,08,14,06,11,03,04,09,07,02,13,12,00,05,10,
03,13,04,07,15,02,08,14,12,00,01,10,06,09,11,05,
00,14,07,11,10,04,13,01,05,08,12,06,09,03,02,15,
13,08,10,01,03,15,04,02,11,06,07,12,00,05,14,09,

S-盒3

10,00,09,14,06,03,15,05,01,13,12,07,11,04,02,08,
13,07,00,09,03,04,06,10,02,08,05,14,12,11,15,01,
13,06,04,09,08,15,03,00,11,01,02,12,05,10,14,07,
01,10,13,00,06,09,08,07,04,15,14,03,11,05,02,12,

S-盒4

07,13,14,03,00,06,09,10,01,02,08,05,11,12,04,15,
13,08,11,05,06,15,00,03,04,07,02,12,01,10,14,09,
10,06,09,00,12,11,07,13,15,01,03,14,05,02,08,04,
03,15,00,06,10,01,13,08,09,04,05,11,12,07,02,14,

S-盒5

02,12,04,01,07,10,11,06,08,05,03,15,13,00,14,09,
14,11,02,12,04,07,13,01,05,00,15,10,03,09,08,06,
04,02,01,11,10,13,07,08,15,09,12,05,06,03,00,14,
11,08,12,07,01,14,02,13,06,15,00,09,10,04,05,03,

S-盒6

12,01,10,15,09,02,06,08,00,13,03,04,14,07,05,11,
10,15,04,02,07,12,09,05,06,01,13,14,00,11,03,08,
09,14,15,05,02,08,12,03,07,00,04,10,01,13,11,06,
04,03,02,12,09,05,15,10,11,14,01,07,06,00,08,13,

S-盒7

04,11,02,14,15,00,08,13,03,12,09,07,05,10,06,01,
13,00,11,07,04,09,01,10,14,03,05,12,02,15,08,06,
01,04,11,13,12,03,07,14,10,15,06,08,00,05,09,02,
06,11,13,08,01,04,10,07,09,05,00,15,14,02,03,12,

S-盒8

13,02,08,04,06,15,11,01,10,09,03,14,05,00,12,07,
01,15,13,08,10,03,07,04,12,05,06,11,00,14,09,02,
07,11,04,01,09,12,14,02,00,06,10,13,15,03,05,08,
02,01,14,07,04,10,08,13,15,12,09,00,03,05,06,11,

例如

E(R0)^k1 = 100000 000001 011111 111110 100000 001101 010000 000110 
S(E(R0)^k1) = 1000 1011 1100 0100 0110 0010 1110 1010

P-BOX

将S-盒替代的输出结果作为P-盒置换的输入。P-盒置换表如下：

16,07,20,21,29,12,28,17,01,15,23,26,05,18,31,10,
02,08,24,14,32,27,03,09,19,13,30,06,22,11,04,25,

将S盒输出10001011110001000110001011101010（32位）经过P盒置换，
P-盒置换输出01001000101111110101010110000001

令扩展置换E、S-盒替代、P盒置换的过程作为函数f。

第一次迭代过程f(R0,K1)为：
f(R0,K1)  = 01001000101111110101010110000001

计算L1（32位） = R0 = 00000000111111110000011010000011
计算R1（32位） = L0 ^ f(R0,K1)
  11111111101110000111011001010111
  01001000101111110101010110000001
= 10110111000001110010001111010110

R1（32位）  = 10110111000001110010001111010110。
将L1与R1作为输入，继续执行迭代过程f。直至输出L16与R16。

经过16次迭代后输出:

L16（32位） = 00110000100001001101101100101000
R16（32位） = 10110001011001010011000000011000

逆置换

将初始置换进行16次的迭代，即进行16层的加密变换，得到L16和R16，将此作为输入块，进行逆置换得到最终的密文输出块。逆置换是初始置换的逆运算。从初始置换规则中可以看到，原始数据的第1位置换到了第40位，第2位置换到了第8位。则逆置换就是将第40位置换到第1位，第8位置换到第2位。以此类推，逆置换规则表如下

40,08,48,16,56,24,64,32,
39,07,47,15,55,23,63,31,
38,06,46,14,54,22,62,30,
37,05,45,13,53,21,61,29,
36,04,44,12,52,20,60,28,
35,03,43,11,51,19,59,27,
34,02,42,10,50,18,58 26,
33,01,41,09,49,17,57,25,

image.png

将L16与R16构成64位数据，经过逆置换表输出密文为：

密文

0101100000001000001100000000101111001101110101100001100001101000

tls.jpg

0.png

1.png

2.png

3.png

3.1.png

4.png

4.1.png

4.2.png

5.png

5.1.png

5.2.png

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