【密码学】对称密码体制
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密码学
发布于：Apr 25, 2020
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本文学习对称密码学的基础概念，分组密码的四种工作方式，以及详细介绍DES、AES的加密算法过程与Python实现。
概述：对称密码
要求加密与解密使用同一个共享密钥，因此要求通信双方必须在通信前商定密钥并妥善保存。
对称密码体制从工作方式上可以分为分组加密和序列密码两大类。
优点：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高
缺点：交易双方都使用同样钥匙，安全性得不到保证
序列密码（流加密）：对明文的单字节进行运算，明文加密后密码保持和明文同样长度，解密是指用同样的密钥和密码算法及与加密相同的伪随机位流，用以还原明文位流。常见流密码算法有RC4、SEAL等。
分组密码（块加密）：将明文信息划分成不同的块，分别对每个块进行运算。多用于网络加密。分块长度越长，密码分析越困难，越不利于操作和运算，分块长度应该权衡安全性与实用性。常见分组密码算法有DES、AES等。
DES、3DES、AES常见对称加密算法包括DES、3DES、AES。
DES(Data Encryption Standard) 数据加密标准，速度较快，适用于加密大量数据的场合。
3DES(Triple DES) 基于DES，对一块数据用三个不同的密钥进行三次加密，强度更高、
AES(Advanced Encryption Standard) 高级加密标准，下一代的加密算法，速度、安全级别更高，支持128，192，256，512位密钥的加密。
算法特征：
加密方与解密方使用同一个密钥。
加密解密的速度比较快，适合数据比较大时的使用。
密钥传输的过程不安全，且容易被破解，密钥管理比较麻烦。
分组加密的四种工作方式
ECB(Electronic Code Book) 电子编码本
CBC(Cipher Block Chaining) 密码分组链接
CFB(Cipher Feedback) 密码反馈
OFB(Output Feedback) 输出反馈
ECBECB模式是最简单的加密算法，明文消息被分成固定大小的块，并且每个块被单独加密。每个块的加密与解密都是独立的，且使用相同的方式进行加密，所以可以进行并行计算。但是这种方法存在缺点，一旦有一个块被破解，使用相同的方式可以解密其他块，导致可以解密出所有明文数据，安全性比较差。
适用场景：数据较少，加密前需要把明文数据填充到块大小的整数倍。
优点：简单、孤立，每个块单独运算。适合并行运算，传输错误一般只影响当前块。
缺点：同明文输出同密码，可能导致明文攻击。
ECB Encryption示意图
ECB Decryption示意图
CBCCBC模式中每一个分组要先和前一个分组加密后的数据进行XOR异或操作，然后再进行加密。因此每个密文块依赖该块之前的所有明文块，为了保持每条消息都具有唯一性，第一个数据块进行加密之前需要用初始化向量IV进行异或操作。
适用场景：最常见的加密方式，并且与ECB一样消息块必须填充到块大小的整倍数。
优点：串行化运算，相同明文不同密文。
缺点：需要初始向量。加密是连续的，不能并行处理。
CBC Encryption示意图
CBC Decryption示意图
CFBCFB模式与CBC模式比较相似，前一个分组的密文加密后和当前分组的明文XOR异或操作生成当前分组的密文。(与CBC模式仅在异或的顺序上不同)
优点：同明文不同密文，分组密钥转换为流密码
缺点：串行运算不利并行，传输错误可能导致后续传输块的错误
CFB Encryption示意图
CFB Decryption示意图
OFBOFB模式将分组密码转换为同步流密码（根据明文长度先独立生成相应长度的流密码），与CFB模式非常相似，CFB是前一个分组的密文加密后XOR当前分组明文。OFB是初始化向量IV不断加密后XOR前一组的明文。由于异或操作的对称性，OFB模式的解密与加密的流程一样。
优点：同明文不同密文，分组密钥转换为流密码
缺点：串行运算不利并行，传输错误可能导致后续传输块的错误。
OFB Encryption示意图
OFB Decryption示意图
DES加密过程概述采用56位密钥加密64位的明文数据
当n个64位明文数据块都经过DES加密处理（这里采用上述四种工作方式中的ECB模式）后，所得到的n个64位密文数据块串在一起就是密文输出。
加密流程图
Round：每一轮都进行一次扩展置换、S盒压缩和P盒置换。
三个知识难点
初始（终止）置换
扩展置换
S盒压缩
初始（终止）置换初始和终止置换都是按照一定的规则，将原来的64位二进制重新排序。
初始置换与终止置换表
从初始置换表中可以看出，将输入的58位换到第1位，第50位换到第2位，以此类推
从终止置换表中可以看出，将输入的40位换到第1位，第08位换到第2位，以此类推
举例例子来说明根据上述初始置换与终止置换表，给定原始数据（一般是16位十六进制数，下图已将其转化为64位二进制数）
计算置换后的数据
终止置换的原理和初始置换是一样的，他们的排列是互逆的，即经过一次初始置换和终止置换，64位二进制数就还原了。
扩展置换经过初始置换的64位数据被分成左右32位数据，其中一边的32位进行扩展置换得到48位的数据。
具体的扩展过程就是在某些位置进行添位操作。
我们仍可以参照初始数据置换表类似的扩展置换表。
扩展置换表
根据这32位二进制数据来展示扩展置换的过程.
将原始数据分成8组，接着将每个组从4位扩展成6位的组。
121101 0001 0011 01000010 0011 0011 1011
根据扩展字段表
第一组的头添位是原始数据的第32位1，第一组的尾添位是原始数据的第05位0
第二组的头添位是原始数据的第04位1，第一组的尾添位是原始数据的第09位0
…依次类推
这样就完成从32位扩展到48位的扩展置换过程。
12111010 100010 100110 101000000100 000110 100111 110111
S盒压缩处理经过扩展的48位明文和48位密钥进行异或运算后，再使用8个S盒压缩处理得到32位数据。
实际上就是将48位输入等分成8块，每块6位输入压缩为4位输出。与前面置换表类似的，具体处理时是分别采用8张4行16列的表来进行替换从而达到压缩的目的。
举例例子来说明输入原始数据，并将其分成8组，每组6位。
1234111111 100101110011 001100011001 010111111011 011000
第一组的压缩表
我们以第一组为例来演示S盒压缩处理
12345原始数据：111111头尾数据（第0位和最后一位）：11 -> 3 行数中间四位：1111 -> 15 列数根据行数和列数即可在压缩表中找到对应的压缩数13再转化成二进制1101。
在全部组完成S盒压缩，则是从48位转换到32为的S盒压缩处理过程。
P盒置换经过S盒压缩处理后，再经过P盒置换，就得到一轮运算中的最后输出了。
DES Python实现若需要在Python中使用des加密，可以直接使用pyDes库加密，该库提供了CBC和ECB两种加密方式。（注：安装pyDes库 pip install pyDes）
pyDes.des(key, [mode], [IV], [pad], [padmode])
Key 输入密钥
mode ECB或者CBC
IV 初始密钥8位（在使用CBC模式时）
pad/padmode 默认None/PAD_NORMAL
需要注意的是在说明文档里写着Python3使用字节而不是字符串。
以下为本人使用的例子，采用CBC加密方法。
12345678910111213import base64import pyDesDes_key = b"ABCDEFGH" # 密钥Des_IV = b"\x33\x22\x81\x35\x38\xBC\xE7\x5A" #自动IV向量def DesEncrypt(str): k = pyDes.des(Des_key, pyDes.CBC, Des_IV, pad=None, padmode=PAD_PKCS5) EncryptStr = k.encrypt(str) return base64.b64encode(EncryptStr)DesEncrypt(b"let do it")
1Output: b'Ub48xNwxZ/B8ZpEvpO+Mwg=='
AES加密过程
AES加密方式有五种：ECB, CBC, CTR, CFB, OFB
从安全性角度推荐CBC加密方法，本文介绍了CBC,ECB两种加密方法的python实现
python 在 Windows下使用AES时要安装的是pycryptodome 模块 pip install pycryptodome
python 在 Linux下使用AES时要安装的是pycrypto模块 pip install pycrypto
CBC加密需要一个十六位的key(密钥)和一个十六位iv(偏移量)
ECB加密不需要iv
AES-CBC Python实现1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041from Crypto.Cipher import AESfrom binascii import b2a_hex, a2b_hex# 如果text不足16位的倍数就用空格补足为16位def add_to_16(text): if len(text.encode('utf-8')) % 16: add = 16 - (len(text.encode('utf-8')) % 16) else: add = 0 text = text + ('\0' * add) return text.encode('utf-8')# 加密函数def encrypt(text): key = '9999999999999999'.encode('utf-8') mode = AES.MODE_CBC iv = b'qqqqqqqqqqqqqqqq' text = add_to_16(text) cryptos = AES.new(key, mode, iv) cipher_text = cryptos.encrypt(text) # 因为AES加密后的字符串不一定是ascii字符集的，输出保存可能存在问题，所以这里转为16进制字符串 return b2a_hex(cipher_text)# 解密后，去掉补足的空格用strip() 去掉def decrypt(text): key = '9999999999999999'.encode('utf-8') iv = b'qqqqqqqqqqqqqqqq' mode = AES.MODE_CBC cryptos = AES.new(key, mode, iv) plain_text = cryptos.decrypt(a2b_hex(text)) return bytes.decode(plain_text).rstrip('\0')if __name__ == '__main__': e = encrypt("hello world") # 加密 d = decrypt(e) # 解密 print("加密:", e) print("解密:", d)
AES-ECB Python实现1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041"""ECB没有偏移量"""from Crypto.Cipher import AESfrom binascii import b2a_hex, a2b_hexdef add_to_16(text): if len(text.encode('utf-8')) % 16: add = 16 - (len(text.encode('utf-8')) % 16) else: add = 0 text = text + ('\0' * add) return text.encode('utf-8')# 加密函数def encrypt(text): key = '9999999999999999'.encode('utf-8') mode = AES.MODE_ECB text = add_to_16(text) cryptos = AES.new(key, mode) cipher_text = cryptos.encrypt(text) return b2a_hex(cipher_text)# 解密后，去掉补足的空格用strip() 去掉def decrypt(text): key = '9999999999999999'.encode('utf-8') mode = AES.MODE_ECB cryptor = AES.new(key, mode) plain_text = cryptor.decrypt(a2b_hex(text)) return bytes.decode(plain_text).rstrip('\0')if __name__ == '__main__': e = encrypt("hello world") # 加密 d = decrypt(e) # 解密 print("加密:", e) print("解密:", d)
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