图解DES3DES和AES加密算法

Posted 2022-01-30 wuzuchang2022

文章目录

• • • 一、DES
    • • 1. 加密和解密
      • 2. DES的结构(Feistel网络)
    • 二、3DES
    • • 1. 3DES加密
      • 2. 3DES解密
    • 三、AES
    • • 1. AES最终候选算法和算法确定
      • 2. Rijndael
      • • 2.1 什么是Rijndael
        • 2.2 Rijndael的加密和解密
      • 3. AES密钥生成
      • 4. AES算法流程图

一、DES

1. 加密和解密

DES是一种将64bit的明文加密成64bit的密文的对称加密算法。它的密钥长度是56bit。从规格上来讲，DES密钥长度是64bit，但是由于每隔7bit会设置一个用于校验检查的校验位，所以实质上密钥长度是56bit。

DES是以64bit的明文为一个单位来进行分组加密的，所以DES每次只能加密64bit的数据。如果需要加密很长的数据，就需要对DES加密进行迭代，而迭代的具体方式就称为模式（ECB、CBC、CFB、OFB、CTR）。

2. DES的结构(Feistel网络)

DES的基本结构是由Horst Feistel设计的，因此也叫Feistel网络、Feistel 结构 或者Feistel密码。很多密码算法中都用到这种结构。
在Feistel网络中，加密的各个步骤称之为轮，整个加密过程就是进行若干次轮的循环。DES 是一种16轮循环的Feistel网络。

上图表示Fesitel网络中的一轮，根据上图讲解一下Fesitel网络的具体结构。

1. 1. 上面两个方框表示本轮要加密的64bit 明文，输入的数据会被分为左右两个部分分别处理。
2. 下面两个方框表示本轮输出的左侧（密文）和右侧（明文）
3. 中间的子密钥指的是本轮加密所使用的密钥，在Fesitel网络中，每一轮都需要不同的子密钥。由于子密钥只是在一轮中使用，所以它是局部密钥，因此才被称为子密钥。
4. 轮函数 的作用是根据 右侧 和 子密钥 生成对左侧进行加密的bit序列，它是密码系统的核心。将轮函数输出的bit序列与左侧进行异或运算，其结果就是加密后的左侧。
5. 输入的右侧将直接输出

如果只看上面，我们的右侧是没有被加密的，所以我们才需要用不同的子密钥进行多次的轮操作，并且每两轮直接左右需要对调。如下图：

上图是进行了3轮循环，DES加密是16轮。

二、3DES

1. 3DES加密

3DES也是三重DES，是为了增加DES的强度，将DES重复3次所得到的一种加密算法。

由于DES密钥长度实质上是56bit，此三重DES的密钥长度就是3*56=168 bit。
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-加密的过程。为什么加密算法中要加入解密算法呢？其目的是为了让3DES兼容普通的DES。
当三重DES中所有密钥都相同时，三重DES就等于普通的DES了。因为前两次加密-解密得到的就是最初的明文，然后在进行一次DES加密，就相当于只做了一次DES加密。因此以前用DES加密的密文，也能用3DES来进行解密。

如果密钥1和密钥3相同，密钥2使用不同的密钥，这种三重DES就称为 DES_EDE2，如下图：

2. 3DES解密

三重DES解密过程和加密过程正好相反，以密钥3-密钥2-密钥1的顺序执行解密-加密-解密的操作

三、AES

AES也是分段加密的，它是取代DES而成为新标准的一种对称密码算法。

1. AES最终候选算法和算法确定

AES最终候选算法名单

名称	提交者
MARS	IBM公司
RC6	RSA公司
Rijndael	Daemen、Rijmen
Serpent	Anderson、Biham、Knudsen
Twofish	Coumterpane公司

最终Rijndael，被NIST选定为AES标准

2. Rijndael

2.1 什么是Rijndael

Rijndael的分组长度和密钥长度可以分别以32bit为单位在128bit~256bit范围内进行选择，不过在AES的规格中，分组长度固定为128bit，密钥长度只有128、192和256bit 三种。

2.2 Rijndael的加密和解密

和DES一样，Rijndael算法也是由多个轮构成，其中每一轮分别为SubBytes（逐字节替换）、ShiftRows（平移行）、MixColumns（混合列） 和 AddRoundKey（与轮密钥异或） 共4个步骤。

Rijndael输入分组为128bit，也就是16字节。输入的明文和密钥都是由16个字节组成的数据，它是按照字节的先后顺序从上到下、从左到右进行排列的。

然后对输入的16个字节逐个进行SubBytes处理。所谓SubBytes，就是以每个字节的值（0~255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（注意：S-Box表是通过某种方法计算出来的）。简单说就是将一个1字节的值替换成另一个1字节的值。如下图所示为4x4=16字节的数据中通过S-Box替换1字节的情形。

SubBytes之后需要进行ShiftRows处理。这一步是将以4字节为单位的行按照一定的规则向左平移。且每行平移的字节数是不同的。如下图：

ShiftRows之后需要进行MixColumns处理。混合列变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图：

最后将MixColumns输出的与轮密钥进行异或，即进行AddRoundKey 处理。如下图：

通过上面的结构我们可以知道AES一轮加密的过程，经过一轮已经感觉很复杂了。而完整的AES加密需要经过多轮，密钥长度每增加64位，算法的循环次数就增加2轮，128位循环10轮、192位循环12轮、256位循环14轮。

3. AES密钥生成

上面讲了明文加密过程，现在讲一下AES密钥生成过程.

128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被称为1个32位比特字。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1], … W[42],W[43]，该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始轮AddRoundKey。后面40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的AddRoundKey，如下图所示：

图片来源：密码学基础：AES加密算法

4. AES算法流程图

AES解密过程就是一个逆过程，这里就不细讲了。

参考博客：The Design of Rijndael、密码学基础：AES加密算法、AES加密算法的详细介绍与实现

参考书籍：《图解加解密技术》