加密：最常见的算法

在加密中：它是什么以及它是如何工作的？ 我们承诺了单字母替换密码的解决方案。见下文：

密文： ITT VAHR IQG QA WTID UIRKM EISR I GNTT ZAD

明文：全是工作，不玩耍，让杰克成为一个沉闷的男孩

在这篇博客中，我们将介绍一些众所周知的对称加密算法。对称算法类是指所涉及的每一方都必须访问相同的密钥，因此它们关于密钥的信息是相同或对称的。在我们的下一篇博客中，我们将介绍非对称算法，其中所有参与者之间有关密钥的信息并不相同。让我们首先研究一个众所周知的，但现在大部分已停用的对称算法：DES。

数据加密标准 （DES） 是由 IBM 开发并于 1977 年标准化的对称加密算法。尽管它已被AES取代（我们将在下面进行研究），但DES的设计选择为关键空间问题提供了一个极好的真实示例。虽然对这些算法如何工作的完整描述远远超出了本文的范围，但让我们看一下它们设计中举例说明对称加密算法重要属性的部分。

DES 算法在 64 位输入数据块上运行，并通过称为 Feistel 网络的结构处理每个块（如右图所示）。由于该算法在 64 位块的固定大小输入上运行，我们稍后需要引入不同的操作模式：将较大的输入拆分为块并组合输出以形成最终密文的方法。正如我们将看到的，它并不像简单地连接对应于每个块的 64 位密文那么简单！

明文输入首先是排列的，但由于排列是固定的并且是公开的，因此它不会为设计增加安全性——它只是为了减慢缺乏算法硬件实现的对手的速度。需要注意的是，现代加密算法的安全性不依赖于算法任何部分的保密性。相反，只有密钥被假定为对手不知道。现代密码设计中的这一重要概念被称为Kerckhoffs原理。

然后将数据拆分为左 （L0） 和右 （R0） 的一半，右半部分与子键 K1（通过算法从主键派生）组合。右半部分和子键通过函数“f”组合在一起，以红色突出显示。

f被称为Feistel函数，是使DES成为一个难题的重要组成部分。有趣的是，我们将看到，与本文开头的一般难题示例 f（x） 不同，DES 中的 Feistel 函数 f 实际上不是可逆的！相反，可逆性属性（使用 DES 解密的能力）来自 Feistel 网络结构：使用密文块和子密钥以相反的顺序运行网络会产生原始明文。

Feistel 函数 f（如下图所示）的结构是通过扩展和独占 or 运算符将正确的 32 位数据与子键 K 组合在一起来操作的。然后将此组合结果分成 8 个 6 位块，每个块通过替换盒或“S-box”。这些 S 盒中的每一个都实现了众所周知的非线性转换，将 6 位输入映射到 4 位输出。选择这些映射中的每一个对于DES的安全性至关重要，在标准化之前，NSA用自己的映射替换了原始映射。当时被广泛认为是恶意的，后来发现NSA的映射可以抵抗一种（当时公开未知的）称为差分密码分析的攻击。

不幸的是，并非所有国家安全局对DES的贡献都是无私的。最初的设计要求使用64位密钥，这在1970年代的安全性绰绰有余。然而，NSA强烈主张使用更弱的48位密钥，该标准最终确定为56位。当时的公开理由是使用每个字节的一个位作为奇偶校验位（导致只有 64 个有意义位的“56 位”密钥）来验证 DES 密钥是否“有效”。当然，尝试使用错误的密钥解密将达到相同的目标。如今，56 位 DES 密钥不提供安全性，因此不应使用 DES 算法。相反，对称加密算法应该至少使用128位密钥，这是我们研究的下一个算法满足的属性：高级加密标准AES。

AES

1997年，美国国家标准与威廉希尔官方网站 研究院（NIST）宣布了一项开发高级加密标准（AES）的竞赛，这是一种将取代DES的对称加密算法。2001年，Rijndael算法（比利时设计师Vincent Rijmen和Joan Daemen的姓氏组合）被选为获胜者，并被标准化为AES。它定义为 128、192 和 256 位的密钥大小，远大于 DES 使用的 56 位密钥。

AES 算法使用替换-置换网络，该网络类似于 DES 使用的 Feistel 网络，但不同之处在于替换盒 （S-box） 是可逆的。AES执行四个基本操作：

添加圆键

为了混合密钥材料，从主密钥派生一个子密钥以形成 AES 圆形密钥。状态数组 s 初始化为 128 位明文输入块，并通过 exclusive-or 与 round 键的单词 w 组合以形成更新的状态。

子字节

与 DES 类似，状态随后通过非线性 S 盒进行转换，在 AES 中，S-box 以可逆的方式将字节映射到字节。根据 Kerckhoffs 原理，这种转换和 AES 算法的整个描述是众所周知的。

移位行

此步骤在当前状态下循环移动最后三行。此操作与 MixColumns 操作一起提供扩散：在整个生成的密文输出中传播明文输入中的微小变化。这种“雪崩效应”可以防止攻击者知道明文-密文对的攻击：多次扩散操作，加上每次迭代中添加圆形密钥的混乱，使得即使知道明文和密文也难以恢复密钥。

混合列

最终操作将信息混合在一列中，从而提供进一步的扩散效果。

然后，根据所选的密钥大小，对这些操作组进行多次迭代。

我们已经看到，DES 和 AES 都是分别处理 64 位和 128 位明文块的对称加密算法。

审核编辑：郭婷