周一干货特供系统安全密码全面剖析三部曲之一：基本原理以及对称加密

Posted 2021-04-25 智能化IT系统

一. 前言

下面是一个消息传递的举例：针对信息发送者A，与信息接收者B，以及窃听者C，C有两种方式破坏安全：

1.窃取消息，作为接收方破解。

2.窃取消息，作为发送方伪造发送。

针对上述第一种情况，主要有对称加密和非对称加密两种方式保障。针对上述第二种情况，有诸多消息认证机制可以保障。

·        对称加密，包括主流的DES，3DES，AES等基本原理和加密算法

·        非对称加密，包括公钥密码，例如RSA，混合密码的基本原理和算法

·        消息认证机制，包括数字签名，以及https，TLS等协议的基本原理解析

 

本文将重点说明对称加密。

 

二. 密码学发展

在开始，首先阐述一下安全加密机制的两大原则：

·        不使用保密的加密算法

因为任何算法终究都将公开，不管是明是暗，此地无银三百两，意义不大。

·        不使用低强度的密码策略

因为这样比不使用密码甚至更危险。暴力破解，无处不在。

 

OK，那么我们就开始主题。首先为了方便大家的了解，我们先从历史上几个较为著名的加密算法开始说起。

1. 凯撒密码

原理非常简单，就是平移替换。按照字母表每一个字母向后平移N位，例如有一串明文abc，平移后变为DEF。同样是连续的。

2. 简单替换密码

原理同样简单，消息双方保存一份密码的对应表，在对应表中说明密码的对应关系，例如a对应D，b对应2，c对应G。那么abc加密后就位D2G。这个对应关系只有消息双方知道。

3.  enigma

这个和主题越来越接近了。这个其实就是第二次世界大战中，德国使用的密码机算法。消息的发送方和接收方有一个密码本，上面记载每日的密码。发送方通过其进行加密，接收方通过其进行解密。

 

在这里，密码本，就可以理解为对称加密中的秘钥。

 

三. 对称加密主要模式介绍

对称加密的流程，和enigma有一定类似。我们下面从如下几方面开始介绍。

 

·        DES加密

典型的对称加密方式。原理是把需要加密的原始数据，以8字节（64bit）进行分割，每8字节，都按照如下的方式进行16轮的加密，注意是16轮。每一轮加密，都将8字节分为前后32bit，后32bit无需任何加密，直接作为下一轮的前32bit。前32bit需要和后32bit以及本轮子秘钥的轮函数结果，做异或运算，得到结果，作为下一轮的后32bit，以此类推。

下图是一个逻辑展示，注意是两轮，看了下图应该就基本清晰了。

注意一点，每一轮的子密钥是不一样的。需要详细了解可以查一下Feistel网络结构。

 

·        3DES加密

和名字的理解一样，就是三轮DES处理，注意第二轮是DES解密，并且三轮的秘钥都不一样。 

3DES目前任然有很多公司使用，但是效率不高，安全性也逐步出现一些问题。

·        AES加密

AES是目前对称加密的一个主流的趋势，相对算法略微复杂。

AES的分组长度是128bit，16字节，也就是以16字节为单位，采用多轮Rijndeal加密和解密。

这里以一轮为案例进行说明。在每一轮，将16个字节分为四组，每一组进行平移，平移之后每一个字节与轮秘钥进行异或处理，输出加密后的16字节。

如下如所示：

 

四. 对称加密迭代模式介绍

至此，主要的加密方式的原理我们已经说完了。那么还有一个问题，原始消息肯定是长度不一的，DES的基本单位是16字节，AES是128字节，如果原始数据多于基本单位长度，如何迭代？下面介绍主要的迭代方式。

·        ECB

每一组互不干扰。最后一组如果不够单位长度，padding填充，下面的每一种模式也是这样。

 

·        CBC

第一个分组需要一个初始化向量，IV，与第一分组的明文进行异或，然后加密。

·        CBC

第一个分组需要一个初始化向量，IV，与第一分组的明文进行异或，然后加密。

·        CTR

如下图所示。

目前CTR和CBC两种模式使用较多。

 

对称加密相关信息已经介绍完毕，如果任何问题欢迎交流，近日将输出关于非对称加密的原理介绍，敬请关注。