对称加密DES、3DES、AES的计算过程
目錄
一、流密碼與分組密碼
二、DES計算過程
密鑰操作
明文操作
1）明文編排
2）16輪迭代
三、3DES
四、AES(也叫RIJNDAEL算法）?
State
密鑰編排
循環(huán)4???????輪? 每輪1+9+1??
SubBytes?
ShiftRows
?MixColumn
?AddRoundKey
五、AES和DES的區(qū)別
六、算法實現(xiàn)
七、算法魔改
白盒加密
一、流密碼與分組密碼
密碼算法可分為：流密碼與分組密碼
流密碼(Stream Cipher)：對數(shù)據(jù)流進行連續(xù)處理的一類密碼算法；一般以1比特、8比特、32比特為單位進行加密或解密，由于是對一連串數(shù)據(jù)流進行連續(xù)處理，因此需要保持內(nèi)部狀態(tài)
分組密碼(Block Cipher)：每次只能處理特定長度的一塊數(shù)據(jù)的密碼算法（一塊是指分組），一個分組的比特數(shù)稱為分組長度；處理完一個分組就結(jié)束了，不需通過內(nèi)部狀態(tài)來記錄加密的進度
二、DES計算過程
左邊是明文處理工作，右邊是密鑰操作
密鑰操作
密鑰事實上是56位參與DES運算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校驗位，使得每個密鑰都有奇數(shù)個1），分組后的明文組和56位的密鑰按位替代或交換的方法形成密文組。
1)把密鑰轉(zhuǎn)二進制
00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001
2)根據(jù)PC1表，對密鑰進行重新排列
int PC1_Table[56] = {
????????57, 49, 41, 33, 25, 17, 9, 1, 58, 50, 42, 34, 26, 18,
????????10, 2, 59, 51, 43, 35, 27, 19, 11, 3, 60, 52, 44, 36,
????????63, 55, 47, 39, 31, 23, 15, 7, 62, 54, 46, 38, 30, 22,
????????14, 6, 61, 53, 45, 37, 29, 21, 13, 5, 28, 20, 12, 4};? ? ?//選取密鑰的第幾位二進制數(shù)
密鑰編排后的結(jié)果
1111000 0110011 0010101 0101111 0101010 1011001 1001111 0001111
3)接下???????來將這56比特長的密鑰分成左右兩部分，命名為C0，D0
C0 = 1111000 0110011 0010101 0101111
D0 = 0101010 1011001 1001111 0001111
4)循環(huán)左移規(guī)定的位數(shù)，得到C1，D1到C16，D16的十六個數(shù)據(jù)
key_shift = [1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1];
C1 = 1110000 1100110 0101010 1011111
D1 = 1010101 0110011 0011110 0011110
C2D2可以對C1D1分別左移1位來得到，也可以對C0D0分別左移2位來得到
將C1D1拼接起來，繼續(xù)后續(xù)的處理
C1D1 = 1110000 1100110 0101010 1011111 1010101 0110011 0011110 0011110
5)根據(jù)PC2表進行重排，56bit長的CnDn只留下48比特
int PC2_Table[48] = {
????????14, 17, 11, 24, 1, 5, 3, 28, 15, 6, 21, 10,
????????23, 19, 12, 4, 26, 8, 16, 7, 27, 20, 13, 2,
????????41, 52, 31, 37, 47, 55, 30, 40, 51, 45, 33, 48,
????????44, 49, 39, 56, 34, 53, 46, 42, 50, 36, 29, 32};
重排后CnDn就是子密鑰，命名為Kn
后續(xù)DES的十六輪運算中，第n輪就是用Kn，16個子密鑰為
K1 = 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
K2 = 011110 011010 111011 011001 110110 111100 100111 100101
...
K15 = 101111 111001 000110 001101 001111 010011 111100 001010
K16 = 110010 110011 110110 001011 000011 100001 011111 110101
明文操作
1）明文編排
把明文轉(zhuǎn)二進制
00000001 00100011 01000101 01100111 10001001 10101011 11001101 11101111
根據(jù)IP表，對明文進行初始置換
int IP_Table[64] = {
????????58, 50, 42, 34, 26, 18, 10, 2, 60, 52, 44, 36, 28, 20, 12, 4,
????????62, 54, 46, 38, 30, 22, 14, 6, 64, 56, 48, 40, 32, 24, 16, 8,
????????57, 49, 41, 33, 25, 17, 9, 1, 59, 51, 43, 35, 27, 19, 11, 3,
????????61, 53, 45, 37, 29, 21, 13, 5, 63, 55, 47, 39, 31, 23, 15, 7};
明文重新排列后的結(jié)果
11001100 00000000 11001100 11111111 11110000 10101010 11110000 10101010
將明文分成左右兩半，像上面的密鑰一樣
L0 和 R0
L0：?11001100 00000000 11001100 11111111
R0：11110000 10101010 11110000 10101010
2）16輪迭代
Ln = Rn-1
Rn = Ln-1 + f(Rn-1,?Kn)
以n = 1為例:
L1 = R0 = 11110000 10101010 11110000 10101010
R1 = L0 xor f(R0, K1)
f函數(shù)傳入了R0與K1(即第1個子密鑰)
R0 = 11110000 10101010 11110000 10101010
K1 = 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
f函數(shù)的處理：
R0為32bit，K1為48bit，長度不同，沒法按位異或
將32bit的R0擴展成48bit，使用到E表
E(R0) = 011110 100001 010101 010101 011110 100001 010101 010101
int E_Table[48] = {
????????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};
進行密鑰混合 E(R0) ^ K1
E(R0) = 011110 100001 010101 010101 011110?100001 010101 010101
K1?= 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
K1 xor E(R0)= 011000 010001 011110 111010 100001 100110 010100 100111
DES算法核心
將上一步的結(jié)果分成8塊6bit
B1 = 011000
B2 = 010001
B3 = 011110
B4 = 111010
B5 = 100001
B6 = 100110
B7 = 010100
B8 = 100111
把B1-B8的值當成索引，在S1-S8盒中取值，規(guī)則如下：
以B1為例，值為011000，將它分成0 1100 0，得到
i = 00 即 0
j = 1100 即 12
在S1中查找第0行第12列的值(這里從0開始算)
int S_Box[8][4][16] = {
????????// S1
????????14, 4, 13, 1, 2, 15, 11, 8, 3, 10, 6, 12, 5, 9, 0, 7,
????????0, 15, 7, 4, 14, 2, 13, 1, 10, 6, 12, 11, 9, 5, 3, 8,
????????4, 1, 14, 8, 13, 6, 2, 11, 15, 12, 9, 7, 3, 10, 5, 0,
????????15, 12, 8, 2, 4, 9, 1, 7, 5, 11, 3, 14, 10, 0, 6, 13,
????????// S2
????????15, 1, 8, 14, 6, 11, 3, 4, 9, 7, 2, 13, 12, 0, 5, 10,
????????3, 13, 4, 7, 15, 2, 8, 14, 12, 0, 1, 10, 6, 9, 11, 5,
????????0, 14, 7, 11, 10, 4, 13, 1, 5, 8, 12, 6, 9, 3, 2, 15,
????????13, 8, 10, 1, 3, 15, 4, 2, 11, 6, 7, 12, 0, 5, 14, 9,
????????// S3
????????10, 0, 9, 14, 6, 3, 15, 5, 1, 13, 12, 7, 11, 4, 2, 8,
????????13, 7, 0, 9, 3, 4, 6, 10, 2, 8, 5, 14, 12, 11, 15, 1,
????????13, 6, 4, 9, 8, 15, 3, 0, 11, 1, 2, 12, 5, 10, 14, 7,
????????1, 10, 13, 0, 6, 9, 8, 7, 4, 15, 14, 3, 11, 5, 2, 12,
????????// S4
????????7, 13, 14, 3, 0, 6, 9, 10, 1, 2, 8, 5, 11, 12, 4, 15,
????????13, 8, 11, 5, 6, 15, 0, 3, 4, 7, 2, 12, 1, 10, 14, 9,
????????10, 6, 9, 0, 12, 11, 7, 13, 15, 1, 3, 14, 5, 2, 8, 4,
????????3, 15, 0, 6, 10, 1, 13, 8, 9, 4, 5, 11, 12, 7, 2, 14,
????????// S5
????????2, 12, 4, 1, 7, 10, 11, 6, 8, 5, 3, 15, 13, 0, 14, 9,
????????14, 11, 2, 12, 4, 7, 13, 1, 5, 0, 15, 10, 3, 9, 8, 6,
????????4, 2, 1, 11, 10, 13, 7, 8, 15, 9, 12, 5, 6, 3, 0, 14,
????????11, 8, 12, 7, 1, 14, 2, 13, 6, 15, 0, 9, 10, 4, 5, 3,
????????// S6
????????12, 1, 10, 15, 9, 2, 6, 8, 0, 13, 3, 4, 14, 7, 5, 11,
????????10, 15, 4, 2, 7, 12, 9, 5, 6, 1, 13, 14, 0, 11, 3, 8,
????????9, 14, 15, 5, 2, 8, 12, 3, 7, 0, 4, 10, 1, 13, 11, 6,
????????4, 3, 2, 12, 9, 5, 15, 10, 11, 14, 1, 7, 6, 0, 8, 13,
????????// S7
????????4, 11, 2, 14, 15, 0, 8, 13, 3, 12, 9, 7, 5, 10, 6, 1,
????????13, 0, 11, 7, 4, 9, 1, 10, 14, 3, 5, 12, 2, 15, 8, 6,
????????1, 4, 11, 13, 12, 3, 7, 14, 10, 15, 6, 8, 0, 5, 9, 2,
????????6, 11, 13, 8, 1, 4, 10, 7, 9, 5, 0, 15, 14, 2, 3, 12,
????????// S8
????????13, 2, 8, 4, 6, 15, 11, 1, 10, 9, 3, 14, 5, 0, 12, 7,
????????1, 15, 13, 8, 10, 3, 7, 4, 12, 5, 6, 11, 0, 14, 9, 2,
????????7, 11, 4, 1, 9, 12, 14, 2, 0, 6, 10, 13, 15, 3, 5, 8,
????????2, 1, 14, 7, 4, 10, 8, 13, 15, 12, 9, 0, 3, 5, 6, 11};
第0行第12列的值為5
B1 = 5 = 0101
再以B2為例
B2 = 0 1000 1
i = 01 ??= 1
j = 1000 = 8
B2 = 12 = 1100
B1在S1中找，B2在S2中找，以此類推
最后8個6比特的值在S盒作用下變成8個4比特的值
S(K1+E(R0)) = 0101 1100 1000 0010 1011 0101 1001 0111
得到的結(jié)果進行P表的重排
int P_Table[32] = {
????????16, 7, 20, 21, 29, 12, 28, 17, 1, 15, 23, 26, 5, 18, 31, 10,
????????2, 8, 24, 14, 32, 27, 3, 9, 19, 13, 30, 6, 22, 11, 4, 25};
P(S(K1+E(R0))) = 0010 0011 0100 1010 1010 1001 1011 1011
F函數(shù)完事，即F = P(S(K1+E(R0)))
F的結(jié)果與L0異或
L1 = R0 = 11110000 10101010 11110000 10101010
R1 = Ln-1 xor f(Rn-1,Kn) = 11101111 01001010 01100101 01000100
一輪運算完畢，16輪運算的操作完全一致? 當前輪結(jié)果作為下一輪明文
L1:?11110000 10101010 11110000 10101010
R1:?11101111 01001010 01100101 01000100
L2:?11101111 01001010 01100101 01000100
R2:?11001100 00000001 01110111 00001001
L3:?11001100 00000001 01110111 00001001
R3:?10100010 01011100 00001011 11110100
L4:?10100010 01011100 00001011 11110100
R4:?01110111 00100010 00000000 01000101
L5:?01110111 00100010 00000000 01000101
R5:?10001010 01001111 10100110 00110111
L6:?10001010 01001111 10100110 00110111
R6:?11101001 01100111 11001101 01101001
L7:?11101001 01100111 11001101 01101001
R7:?00000110 01001010 10111010 00010000
L8:?00000110 01001010 10111010 00010000
R8:?11010101 01101001 01001011 10010000
L9:?11010101 01101001 01001011 10010000
R9:?00100100 01111100 11000110 01111010
L10:00100100 01111100 11000110 01111010
R10:10110111 11010101 11010111 10110010
L11:10110111 11010101 11010111 10110010
R11:11000101 01111000 00111100 01111000
L12:11000101 01111000 00111100 01111000
R12:01110101 10111101 00011000 01011000
L13:01110101 10111101 00011000 01011000
R13:00011000 11000011 00010101 01011010
L14:00011000 11000011 00010101 01011010
R14:11000010 10001100 10010110 00001101
L15:11000010 10001100 10010110 00001101
R15:01000011 01000010 00110010 00110100
L16:01000011 01000010 00110010 00110100
R16:00001010 01001100 11011001 10010101
L16和R16倒換，左右調(diào)一下順序，結(jié)果為R16L16
R16L16 = 00001010 01001100 11011001 10010101 01000011 01000010 00110010 00110100
最后一步，根據(jù)FP表進行末置換
10000101 11101000 00010011 01010100 00001111 00001010 10110100 00000101
int FP_Table[64] = {
????????40, 8, 48, 16, 56, 24, 64, 32, 39, 7, 47, 15, 55, 23, 63, 31,
????????38, 6, 46, 14, 54, 22, 62, 30, 37, 5, 45, 13, 53, 21, 61, 29,
????????36, 4, 44, 12, 52, 20, 60, 28, 35, 3, 43, 11, 51, 19, 59, 27,
????????34, 2, 42, 10, 50, 18, 58, 26, 33, 1, 41, 9, 49, 17, 57, 25};
上述數(shù)據(jù)的十六進制形式為
85 e8 13 54 0f 0a b4 05
末置換就是初始置換的逆運算
明文經(jīng)過初始置換，不做任何處理再進行末置換，值等于它自身
三、3DES
1. 密鑰24個字節(jié)，等于3個DES的密鑰
2. 3DES處理流程，每次使用一個DES密鑰 DES加密 -> DES解密 -> DES加密
3. 前2個DES密鑰相同時, 3DES結(jié)果等同于最后1個密鑰DES加密后的結(jié)果
四、AES(也叫RIJNDAEL算法）?
State
明文和密鑰變成4*4的矩陣
密鑰編排
傳入的16字節(jié)種子密鑰state化，得到W0-W3 將種子密鑰擴展，得到W0-W43
Wi = Wi-1 ^ Wi-4? ? if(i%4！=0)
W4 = T(Wi-1) ^ Wi-4
T函數(shù)流程：循環(huán)左移1個字節(jié)、s盒替換、與Rcon（給定常量）異或
循環(huán)4??????????????輪? 每輪1+9+1??
SubBytes?
ShiftRows
第n行左移n-1個字節(jié)
?MixColumn
矩陣為給定矩陣
大于0x80的值乘矩陣時可能會溢出，如果溢出的話與0x1b異或
...??
?AddRoundKey
灰色的為RoundKey，一輪一個密鑰
?...? ?
五、AES和DES的區(qū)別
1. DES和AES都是對稱加密算法，加解密都使用同一個密鑰
2. DES和AES都是分組加密算法，DES的分組長度是64比特，AES的分組長度是128比特
3. DES的密鑰64比特，AES的密鑰128比特、192比特、256比特
4. DES運算的基本單元是比特，AES運算的基本單元是字節(jié)(8比特)
5. DES和AES都可以分成密鑰的編排和明文的運算
6. DES和AES在密鑰的編排中，都通過對密鑰的處理生成一系列的子密鑰subkey，每輪運算用1個
7. DES中有非常多的置換，AES沒有
8. DES有16輪運算，在密鑰編排中生成了16組子密鑰 ? ?AES有10、12、14輪運算，也生成10、12、14組輪密鑰，都是每輪用一個
9. AES每輪運算經(jīng)過4個步驟
第1步字節(jié)代換(S盒替換)，16*16的S盒，加密解密不同的S盒 ? ? DES中也存在S盒，是4*16的S盒，共8個，加密解密使用相同的S盒
第2步是循環(huán)左移，DES或者哈希算法中都有 ? ? AES是按字節(jié)循環(huán)左移，DES和哈希算法都是按位循環(huán)左移
第4步和密鑰異或，DES中同樣有這一步
六、算法實現(xiàn)
有些會為了加快速度，通過查表來獲得運算結(jié)果而不去計算? ?如openssl
?AES對稱密碼算法介紹(2)——查表法軟件實現(xiàn) - 知乎
openssl的aes實現(xiàn) https://github.com/openssl/openssl/
openssl的EVP使用 https://blog.csdn.net/liao20081228/article/details/76285896/ EVP_CIPHER_CTX_init
EVP_EncryptInit_ex、
EVP_EncryptUpdate、
EVP_EncryptFinal_ex
EVP_CIPHER_CTX_cleanup
EVP_aes_128_cbc
七、算法魔改
初始置換和末置換同時去掉或者修改對應(yīng)的值也可以正常加解密且不會影響安全性
S盒可以改但是需要基礎(chǔ)不能亂改
白盒加密
將密鑰固定下來，并且融合到算法中 也可以理解成在查表法的基礎(chǔ)上，將算法的密鑰擴展步驟也省掉 缺點是需要的表更大，更占內(nèi)存，優(yōu)點是攻擊者很難拿到原始的密鑰 白盒加密的表通常是不固定的，因為內(nèi)置的密鑰是不一樣的。白盒加密是優(yōu)于AES的，因為某種程度上，都可以不算是一個AES了，只不過結(jié)果和AES一致。攻擊者很難拿到原始密鑰，一般會選擇摳代碼。當存在混淆的時候，摳代碼也會顯得非常艱難。這就是一種保護
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的对称加密DES、3DES、AES的计算过程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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