现代密码之对称算法
现代密码学的任务不仅仅只限于传统密码学的“保密通信”，而是含义更广的“信息安全”，其中包括“保密通信”、“数据加密”、“数字签名”等重要的功能。现代密码学已成为信息时代无处不在不可或缺的信息安全卫士。
现代密码学的安全性主要由密钥的设计和使用决定。
按技术特征，现代密码学分为三类：
对称算法、非对称算法、摘要算法
今天主要讲讲对称算法0w0
对称算法
又称传统密码算法、秘密密钥算法或单密钥算法。加密与解密密钥一样的密码算法。该算法又分为序列密码（流密码）算法、分组密码算法
序列密码算法
序列密码也称为流密码，它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点。
在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。
1949年Shannon证明了只有一次一密的密码体制是绝对安全的，这给序列密码技术的研究以强大的支持，序列密码方案的发展是模仿一次一密系统的尝试。那神马是一次一密呢？
1、密钥和加密的消息等长
2、密钥由真正随机符号组成
3、密钥只用一次，永不对其他消息复用
这就像在一天的24小时之内，把每个时间点看成一个密钥，每一个密钥一一对应一个时间点，永不复用。
RC4加密
RC4原理
1、密钥流：RC4算法关键是依据明文和密钥生成相应的密钥流，密钥流的长度和明文的长度是相同的。假如明文有333字节，那么密钥流也要有333字节。当然，加密生成的密文也是333字节。
2、状态向量S：长度为256，S[0],S[1]…..S[255]。每一个单元都是一个字节，算法执行的不论什么时候。S都包含0-255的8比特数的排列组合，仅仅只是值的位置发生了变换。
3、暂时向量T：长度为256，每一个单元也是一个字节。假如密钥的长度是256，就直接把密钥的值赋给T，否则，轮转地将密钥的每一个字节赋给T
4、密钥K：长度为1-256字节。密钥≠密钥流！二者长度没有必然关系，通常密钥的长度为16字节
柯克霍夫原则Kerckhoffs
提出：即使密码系统的任何细节已为人悉知，只要密钥（key）未泄漏，它也应是安全的。
Kerckhoffs准则认为，一个密码系统的安全性不是取决于其算法对于攻击者来说是否保密，而是建立在它所选择的密钥对于攻击者来说是否保密。
实践
—使用CrypTool对字符串进行RC4加解密操作
step1：待加密明文
step2：选择RC4加密
step3：选择8bits密钥长度，并点encrypt显示密文
step4：试试24bits密钥长度加密后的密文
—对8bits密钥长度进行穷举攻击
安全研究人员称，现在世界上近三分之一的HTTPS加密连接可被破解，并且效率极高。这种针对RC4加密的破解技术，同样也可以用来破解WiFi数据包。
研究人员很早前就发现可以利用RC4中的统计偏差，导致可对加密信息中的一些伪随机字节能进行猜测，8bits密钥长度加密的密文，几乎可以秒破解，而24bits的密钥长度可能需要几分钟，这就是之前文章所说的“时间复杂度”
step1：按RC4分解
step2:8bits长度密钥加密密文
step3：秒破解穷举结果
分组密码算法
把明文分成了确定长度的数据块（字节块），用同一密钥和算法加密每一明文块后得到等长的密文块，然后把密文块按顺序组合起来得到密文。反之也可以得到明文。
IDEA加密算法
IDEA是International Data Encryption Algorithm的缩写，即国际数据加密算法，广泛的应用在安全电子邮件PGP中。
IDEA加密算法是一个分组长度为64位的分组密码算法，密钥长度为128位,同一个算法即可用于加密，也可用于解密。发展IDEA也是因为感到DES具有密钥太短等缺点。IDEA的密钥为128位，这么长的密钥在今后若干年内应该是安全的。这是基于“相异代数群上的混合运算”设计思想，算法运用硬件与软件实现都很容易，而且比DES算法在实现上快的多。IDEA自问世以来，已经经历了大量的详细审查，对密码分析具有很强的抵抗能力，在多种商业产品中被使用。
IDEA加密算法的原理
64-位数据分组被分成4个16-位子分组：xl，X2，x3，x4。
这4个子分组成为算法的第一轮的输入，总共有8轮。
在每一轮中，这4个子分组相列相异或，相加，相乘，且与6个16-位子密钥相异或，相加，相乘。
在轮与轮间，第二和第二个子分组交换。最后在输出变换中4个子分组与4个子密钥进行运算。
以下表述中的相加，指的是：（a + b) mod p，其结果是a+b算术和除以p的余数。例如对于下列表述中的“（2)X2和第二个子密钥相加”就是指用X2与第二个子密钥的和除以2^16(即65536)后的余数。
以下表述中的相乘，指的是：（a × b) mod p，其结果是 a × b算术乘法除以p的余数。例如对于下列表述中的“（1)X1和第一个子密钥相乘。”就是指用X1和第一个子密钥相乘后的积除于(2^16+1)(即65537)后的余数。
异或指的是不进位加法。
(1)X1和第一个子密钥相乘。
(2)X2和第二个子密钥相加。
(3)X3和第三个子密钥相加。
(4)X4和第四个子密钥相乘。
(5)将第（1)步和第（3)步的结果相异或。·
(6)将第（2)步和第（4)步的结果相异或。
(7)将第（5)步的结果与第五个子密钥相乘。
(8)将第（6)步和第（7)步的结果相加。
(9)将第（8)步的结果与第六个子密钥相乘。
(10)将第（7)步和第（9)步的结果相加。
(11)将第（1)步和第（9)步的结果相异或。
(12)将第（3)步和第（9)步的结果相异或。
(13)将第（2)步和第（10)步的结果相异或。
(14)将第（4)步和第（10)步的结果相异或。
每一轮的输出是第（11)、（12)、（13)和（14) 步的结果形成的4个子分组。将中间两个分组分组交换（最后一轮除外）后，即为下一轮的输入。
经过8轮运算之后，有一个最终的输出变换：
(1) X1和第一个子密钥相乘。
(2) X2和第二个子密钥相加。
(3) X3和第三个子密钥相加。
(4) X4和第四个子密钥相乘。
最后，这4个子分组重新连接到一起产生密文。
DES对称加密算法
DES全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法
DES算法就是一个把64位的明文输入块变为64位密文输出块的算法,它所使用的密钥也是64位（其实只使用到了56位，其余8位为奇偶校验位
DES算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。
Key（密钥）：为7个字节共56位，是DES算法的工作密钥（若说密钥为64位，其指的也是56位的秘钥加上8位奇偶校验位，奇偶校验位为第8,16,24,32,40,48,56,64位）
Data（数据）：为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据
Mode（模式）： 为DES的工作方式,有两种:加密或解密。
DES加密过程
IP置换（初始置换）
初始置换的原理其实很简单，根据一个初始置换表，对照表中的数值，将明文数据相应位置的数据移动到该数据所在的位置即可
现在假设我们按照以下顺序置换
先置换a，在原来1的位置，在置换b，在原来2的位置，以此类推，直到按照上表的顺序全部置换完毕
至此我们便得到了初始置换之后的数据Data=“5XPHzrjb7ZRJBtld91TLDvnf=3VNFxph4WOGyqia6YQI(i)Askc80SKCume+2UMEwog”
1 | L0 = “5XPHzrjb7ZRJBtld91TLDvnf=3VNFxph” |
函数f运算
我们上面说到的16轮完全相同的运算，指的是运算所使用的函数或者说算法是一样的，但是参数L、R以及K是不相同的，而这是什么相同的运算呢？看下图↓
从上图我们可以知道，函数f主要对数据的右半部分R进行了操作。下面对这个运算进行一定解释说明
扩展置换E
扩展置换的作用对象是我们在初始置换后，将数据拆分为两部分（L,R）中的右半部分R。扩展置换表如下：
中间的4*8组是数据R（32位），左右两列黑色的是扩展时添加的数据。黑32是上一列最后一位蓝32的数据，黑4是上一列最后一位蓝4的数据，以此类推
我们得到上面的 R0=“4WOGyqia6YQI(i)Askc80SKCume+2UMEwog”
分组后扩展：
之后得到48位的R0 “g4WOGYGYqia6a6YQI(i)AI(i)Askc8c80SKCKCume+e+2UMEMEwog4”
子密钥K的生成
子秘钥K的生成过程中，又有两次置换，称为压缩置换1和压缩置换2
而循环左移的位数按照下表进行
S盒替换
在扩展置换E结束之后，进行K1与R0的异或运算后得到的48位数据压缩为32位数据，S盒一共有8个，每一个都是一个4行16列的数组
我们前面扩展置换后得到的R0是48位的数据，我们的S盒有8个，那么我们就需要将得到的R0平均分为8组，每组对应一个S盒。
每一组的数据长度为6位，假设第一组的二进制数据为：“100110”
那么，我们取第一位与最后一位，组成行数：“10”=2
取中间四位，组成列数：“0011”=3
那么，在对应的S1盒中，取2行3列的数据（第3行第4列）：8
转换为2进制：“1000”
那么就将这个得到的4位二进制数据，代替原来第一组的6位数据，这样一来，等8个S盒全部代替完毕，我们就得到32位的数据。
P盒置换
S盒置换完成之后，要进行的就是P盒置换了，输入32位的数据，得到32位的输出，置换表如下：
至此我们便得到了f(R0,K1),只要再与L0进行异或运算，就得到了第一轮运算最终的R1，然后再将R0的值赋给L1，就完成了第一轮的运算，得到了L1,R1。
末置换
经过16次的运算，我们在函数f的最后，会得到L16、R16
然后将L16与R16合并，但是与之前的步骤中的合并不同，此次合并需要先交换二者的位置，也就是应该是R16L16
合并之后我们就得到了长度为64位的数据，在用这64位数据进行末置换，最终得到的数据就是加密后的数据。
AES加密算法
高级加密标准（Advanced Encryption Standard ），采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES。
AES的加密过程是在一个4×4的字节矩阵上运作，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte）。加密时，各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
1、 字节替代（SubBytes）—透过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
2、行移位（ShiftRows）—将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
3、列混淆（MixColumns）—为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每内联的四个字节。最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。
4、轮密钥加（AddRoundKey）—矩阵中的每一个字节都与该次回合密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
AES的解密过程分别为对应的逆操作。由于每一步操作都是可逆的，按照相反的顺序进行解密即可恢复明文。加解密中每轮的密钥分别由初始密钥扩展得到。算法中16字节的明文、密文和轮密钥都以一个4x4的矩阵表示。
下面从网上找了几张图来直观说明
字节代替
行移位
在AES中（区块大小128位），第一行维持不变，第二行里的每个字节都向左循环移动一格，第三行里的每个字节都向左循环移动二格，第四行里的每个字节都向左循环移动三格。经过行移位之后，矩阵中每一竖列，都是由输入矩阵中的每个不同列中的元素组成。
列混淆
轮密相加
密钥将会与原矩阵合并。在每次的加密循环中，都会由主密钥产生一把回合密钥
密钥扩展
wechat
alipay
