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密码学之对称加密

本文将介绍比特序列运算中的异或运算,同时简单介绍DES、3DES、AES等对称加密算法,最后给出对应的Golang加密代码。

比特序列密码

首先我们要明白二个概念,一个是计算机编码,我们都知道计算机操作的对象并不是文字图像,而是有0和1排列组成的比特序列;一个是异或运算(XOR), 二个不同的比特位异或运算结果是1,不同的比特位异或运算结果是0。

假设我们将01001100这个比特序列成为A,将10101010这个比特序列成为B,那么A与B的异或运算结果就如下所示:

由于二个相同的数进行异或运算的结果是0,因此如果将A与B异或的结果再与B进行异或预算,则结果就会变回A。

可能你已经发现了,上面的计算和加密、解密的步骤非常相似。

  • 将明文A与秘钥B进行加密运算,得到密文A⊕B
  • 将密文A⊕B用秘钥B进行解密,得到明文A

实际上,主要选择一个合适的B,仅仅使用异或运算就可以实现一个高强度的密码。

DES

DES(Data EncryptionStandard) 是1977年美国联邦信息处理标准(FIPS)中所采用的一种对称密码(FIPS46.3)。DES一直以来被美国以及其他国家的政府和银行等广泛使用。然而,随着计算机的进步,现在DES已经能够被暴力破解,强度大不如前了。

RSA公司举办过破解DES密钥的比赛(DESChallenge),我们可以看一看RSA公司官方公布的比赛结果:

  • 1997年的DES Challenge1中用了96天破译密钥
  • 1998年的DES ChallengeIl-I中用了41天破译密钥
  • 1998年的DES ChallengeII-2中用了56小时破译密钥
  • 1999年的DES ChallengeIll中只用了22小时15分钟破译密钥

由于DES的密文可以在短时间内被破译,因此除了用它来解密以前的密文以外,现在我们不应该再使用DES了。

加密和解密

DES是一种将64比特的明文加密成64比特的密文的对称密码算法, 它的密钥长度是56比特。尽管从规格上来说,DES的密钥长度是64比特,但由于每隔7比特会设置一个用于错误检查的比特,因此实质上其密钥长度是56比特

DES是以64比特的明文(比特序列)为一个单位来进行加密的这个64比特的单位称为分组。一般来说,以分组为单位进行处理的密码算法称为分组密码(blockcipher),DES就是分组密码的一种。

DES每次只能加密64比特的数据,如果要加密的明文比较长,就需要对DES加密进行迭代(反复),而迭代的具体方式就称为模式(mode)(后续文章详细讲解分组密码的模式)。

大B -> bit

小b -> byte

秘钥长度(56bit + 8bit)/8 = 8byte

  • DES的加密与解密 - 图例

Go中对DES的操作

加解密实现思路
  • 加密 - CBC分组模式

    1. 创建并返回一个使用DES算法的cipher.Block接口
      • 秘钥长度为64bit, 即 64/8 = 8字节(byte)
    2. 对最后一个明文分组进行数据填充
      • DES是以64比特的明文(比特序列)为一个单位来进行加密的
      • 最后一组不够64bit, 则需要进行数据填充( 参考第三章)
    3. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用DES加密的BlockMode接口
    4. 加密连续的数据块
  • 解密

    1. 创建并返回一个使用DES算法的cipher.Block接口
    2. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用DES解密的BlockMode接口
    3. 数据块解密
    4. 去掉最后一组的填充数据
加解密的代码实现

在Go中使用DES需要导入的包:

import (
	"crypto/des"
	"crypto/cipher"
	"fmt"
	"bytes"
)
复制代码

DES加密代码:

// src -> 要加密的明文
// key -> 秘钥, 大小为: 8byte
func DesEncrypt_CBC(src, key []byte) []byte{
	// 1. 创建并返回一个使用DES算法的cipher.Block接口
	block, err := des.NewCipher(key)
	// 2. 判断是否创建成功
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 3. 对最后一个明文分组进行数据填充
	src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
	// 4. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用DES加密的BlockMode接口
	//    参数iv的长度, 必须等于b的块尺寸
	tmp := []byte("helloAAA")
	blackMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, tmp)
	// 5. 加密连续的数据块
	dst := make([]byte, len(src))
	blackMode.CryptBlocks(dst, src)

	fmt.Println("加密之后的数据: ", dst)

	// 6. 将加密数据返回
	return dst
}
复制代码

DES解密代码

// src -> 要解密的密文
// key -> 秘钥, 和加密秘钥相同, 大小为: 8byte
func DesDecrypt_CBC(src, key []byte) []byte {
	// 1. 创建并返回一个使用DES算法的cipher.Block接口
	block, err := des.NewCipher(key)
	// 2. 判断是否创建成功
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 3. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用DES解密的BlockMode接口
	tmp := []byte("helloAAA")
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, tmp)
	// 4. 解密数据
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(src, dst)
	// 5. 去掉最后一组填充的数据
	dst = PKCS5UnPadding(dst)

	// 6. 返回结果
	return dst
}
复制代码

最后一个分组添加填充数据和移除添加数据代码

// 使用pks5的方式填充
func PKCS5Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte{
	// 1. 计算最后一个分组缺多少个字节
	padding := blockSize - (len(ciphertext)%blockSize)
	// 2. 创建一个大小为padding的切片, 每个字节的值为padding
	padText := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
	// 3. 将padText添加到原始数据的后边, 将最后一个分组缺少的字节数补齐
	newText := append(ciphertext, padText...)
	return newText
}

// 删除pks5填充的尾部数据
func PKCS5UnPadding(origData []byte) []byte{
	// 1. 计算数据的总长度
	length := len(origData)
	// 2. 根据填充的字节值得到填充的次数
	number := int(origData[length-1])
	// 3. 将尾部填充的number个字节去掉
	return origData[:(length-number)]
}
复制代码

测试函数

func DESText() {
	// 加密
	key := []byte("11111111")
	result := DesEncrypt_CBC([]byte("床前明月光, 疑是地上霜. 举头望明月, 低头思故乡."), key)
	fmt.Println(base64.StdEncoding.EncodeToString(result))
	// 解密
	result = DesDecrypt_CBC(result, key)
	fmt.Println("解密之后的数据: ", string(result))
}
复制代码

重要的函数说明

  1. 生成一个底层使用DES加/解密的Block接口对象

    函数对应的包: import "crypto/des"
    func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error)
    	- 参数 key: des对称加密使用的密码, 密码长度为64bit, 即8byte
    	- 返回值 cipher.Block: 创建出的使用DES加/解密的Block接口对象
    复制代码
  2. 创建一个密码分组为CBC模式, 底层使用b加密的BlockMode接口对象

    函数对应的包: import "crypto/cipher"
    func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
        - 参数 b: 使用des.NewCipher函数创建出的Block接口对象
        - 参数 iv: 事先准备好的一个长度为一个分组长度的比特序列, 每个分组为64bit, 即8byte
        - 返回值: 得到的BlockMode接口对象
    复制代码
  3. 使用cipher包的BlockMode接口对象对数据进行加/解密

    接口对应的包: import "crypto/cipher"
    type BlockMode interface {
        // 返回加密字节块的大小
        BlockSize() int
        // 加密或解密连续的数据块,src的尺寸必须是块大小的整数倍,src和dst可指向同一内存地址
        CryptBlocks(dst, src []byte)
    }
    接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
        - 参数 dst: 传出参数, 存储加密或解密运算之后的结果 
        - 参数 src: 传入参数, 需要进行加密或解密的数据切片(字符串)
    复制代码
  4. 创建一个密码分组为CBC模式, 底层使用b解密的BlockMode接口对象

    函数对应的包: import "crypto/cipher"
    func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
        - 参数 b: 使用des.NewCipher函数创建出的Block接口对象
        - 参数 iv: 事先准备好的一个长度为一个分组长度的比特序列, 每个分组为64bit, 即8byte, 
                   该序列的值需要和NewCBCEncrypter函数的第二个参数iv值相同
        - 返回值: 得到的BlockMode接口对象
    复制代码
  5. 自定义函数介绍

    对称加密加密需要对数据进行分组, 保证每个分组的数据长度相等, 如果最后一个分组长度不够, 需要进行填充
    func PKCS5Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte
        - 参数 ciphertext: 需要加密的原始数据
        - 参数 blockSize: 每个分组的长度, 跟使用的加密算法有关系
    		* des:64bit, 8byte
    		* 3des:64bit, 8byte
    		* aes: 128bit, 16byte
    复制代码

三重DES

现在DES已经可以在现实的时间内被暴力破解,因此我们需要一种用来替代DES的分组密码,三重DES就是出于这个目的被开发出来的。

三重DES(triple-DES)是为了增加DES的强度,将DES重复3次所得到的一种密码算法,通常缩写为3DES

三重DES的加密

三重DES的加解密机制如下图所示:

加->解->加 -> 目的是为了兼容DES(如果三个秘钥都一样)

3des秘钥长度24字节 = 1234567a 1234567b 1234567a

明文: 10

秘钥1: 2

秘钥2: 3

秘钥3: 4

加密算法: 明文+秘钥

解密算法: 密文-秘钥

10+2-3+4

)

明文经过三次DES处理才能变成最后的密文,由于DES密钥的长度实质上是56比特,因此三重DES的密钥长度就是56×3=168比特, 加上用于错误检测的标志位8x3, 共192bit

从上图我们可以发现,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。在加密算法中加人解密操作让人感觉很不可思议,实际上这个方法是IBM公司设计出来的,目的是为了让三重DES能够兼容普通的DES。

当三重DES中所有的密钥都相同时,三重DES也就等同于普通的DES了。这是因为在前两步加密-->解密之后,得到的就是最初的明文。因此,以前用DES加密的密文,就可以通过这种方式用三重DES来进行解密。也就是说,三重DES对DES具备向下兼容性。

如果密钥1和密钥3使用相同的密钥,而密钥2使用不同的密钥(也就是只使用两个DES密钥),这种三重DES就称为DES-EDE2。EDE表示的是加密(Encryption) -->解密(Decryption)-->加密(Encryption)这个流程。

密钥1、密钥2、密钥3全部使用不同的比特序列的三重DES称为DES-EDE3。

尽管三重DES目前还被银行等机构使用,但其处理速度不高,而且在安全性方面也逐渐显现出了一些问题。

Go中对3DES的操作

加解密实现思路
  • 加密 - CBC分组模式

    1. 创建并返回一个使用3DES算法的cipher.Block接口
      • 秘钥长度为64bit*3=192bit, 即 192/8 = 24字节(byte)
    2. 对最后一个明文分组进行数据填充
      • 3DES是以64比特的明文(比特序列)为一个单位来进行加密的
      • 最后一组不够64bit, 则需要进行数据填充( 参考第三章)
    3. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用3DES加密的BlockMode接口
    4. 加密连续的数据块
  • 解密

    1. 创建并返回一个使用3DES算法的cipher.Block接口
    2. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用3DES解密的BlockMode接口
    3. 数据块解密
    4. 去掉最后一组的填充数据
加解密的代码实现

3DES加密代码

// 3DES加密
func TripleDESEncrypt(src, key []byte) []byte {
	// 1. 创建并返回一个使用3DES算法的cipher.Block接口
	block, err := des.NewTripleDESCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 对最后一组明文进行填充
	src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
	// 3. 创建一个密码分组为链接模式, 底层使用3DES加密的BlockMode模型
	blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:8])
	// 4. 加密数据
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	return dst
}
复制代码

3DES解密代码

// 3DES解密
func TripleDESDecrypt(src, key []byte) []byte {
	// 1. 创建3DES算法的Block接口对象
	block, err := des.NewTripleDESCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 创建密码分组为链接模式, 底层使用3DES解密的BlockMode模型
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:8])
	// 3. 解密
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	// 4. 去掉尾部填充的数据
	dst = PKCS5UnPadding(dst)
	return dst
}
复制代码

重要的函数说明

  1. 生成一个底层使用3DES加/解密的Block接口对象

    函数对应的包: import "crypto/des"
    func NewTripleDESCipher(key []byte) (cipher.Block, error)
    	- 参数 key: 3des对称加密使用的密码, 密码长度为(64*3)bit, 即(8*3)byte
    	- 返回值 cipher.Block: 创建出的使用DES加/解密的Block接口对象
    复制代码
  2. 创建一个密码分组为CBC模式, 底层使用b加密的BlockMode接口对象

    函数对应的包: import "crypto/cipher"
    func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
        - 参数 b: 使用des.NewTripleDESCipher 函数创建出的Block接口对象
        - 参数 iv: 事先准备好的一个长度为一个分组长度的比特序列, 每个分组为64bit, 即8byte
        - 返回值: 得到的BlockMode接口对象
    复制代码
  3. 使用cipher包的BlockMode接口对象对数据进行加/解密

    接口对应的包: import "crypto/cipher"
    type BlockMode interface {
        // 返回加密字节块的大小
        BlockSize() int
        // 加密或解密连续的数据块,src的尺寸必须是块大小的整数倍,src和dst可指向同一内存地址
        CryptBlocks(dst, src []byte)
    }
    接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
        - 参数 dst: 传出参数, 存储加密或解密运算之后的结果 
        - 参数 src: 传入参数, 需要进行加密或解密的数据切片(字符串)
    复制代码
  4. 创建一个密码分组为CBC模式, 底层使用b解密的BlockMode接口对象

    函数对应的包: import "crypto/cipher"
    func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
        - 参数 b: 使用des.NewTripleDESCipher 函数创建出的Block接口对象
        - 参数 iv: 事先准备好的一个长度为一个分组长度的比特序列, 每个分组为64bit, 即8byte, 
                   该序列的值需要和NewCBCEncrypter函数的第二个参数iv值相同
        - 返回值: 得到的BlockMode接口对象
    复制代码

AES

AES(Advanced Encryption Standard)是取代其前任标准(DES)而成为新标准的一种对称密码算法。全世界的企业和密码学家提交了多个对称密码算法作为AES的候选,最终在2000年从这些候选算法中选出了一种名为Rijndael的对称密码算法,并将其确定为了AES。

Rijndael的分组长度为128比特,密钥长度可以以32比特为单位在128比特到256比特的范围内进行选择(不过在AES的规格中,密钥长度只有128、192和256比特三种)。

  • 128bit = 16字节
  • 192bit = 24字节
  • 256bit = 32字节

在go提供的接口中秘钥长度只能是16字节

AES的加密和解密

和DES—样,AES算法也是由多轮所构成的,下图展示了每一轮的大致计算步骤。DES使用Feistel网络作为其基本结构,而AES没有使用Feistel网络,而是使用了SPN Rijndael的输人分组为128比特,也就是16字节。首先,需要逐个字节地对16字节的输入数据进行SubBytes处理。所谓SubBytes,就是以每个字节的值(0~255中的任意值)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,也是说,将一个1字节的值替换成另一个1字节的值。

SubBytes之后需要进行ShiftRows处理,即将SubBytes的输出以字节为单位进行打乱处理。从下图的线我们可以看出,这种打乱处理是有规律的。

ShiftRows之后需要进行MixCo1umns处理,即对一个4字节的值进行比特运算,将其变为另外一个4字节值。

最后,需要将MixColumns的输出与轮密钥进行XOR,即进行AddRoundKey处理。到这里,AES的一轮就结東了。实际上,在AES中需要重复进行10 ~ 14轮计算。

通过上面的结构我们可以发现输入的所有比特在一轮中都会被加密。和每一轮都只加密一半输人的比特的Feistel网络相比,这种方式的优势在于加密所需要的轮数更少。此外,这种方式还有一个优势,即SubBytes,ShiftRows和MixColumns可以分别按字节、行和列为单位进行并行计算。

  • SubBytes -- 字节代换
  • ShiftRows -- 行移位代换
  • MixColumns -- 列混淆
  • AddRoundKey -- 轮密钥加

下图展示了AES中一轮的解密过程。从图中我们可以看出,SubBytes、ShiftRows、MixColumns分别存在反向运算InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns,这是因为AES不像Feistel网络一样能够用同一种结构实现加密和解密。

  • InvSubBytes -- 逆字节替代
  • InvShiftRows -- 逆行移位
  • InvMixColumns -- 逆列混淆

Go中对AES的使用

加解密实现思路
  • 加密 - CBC分组模式

    1. 创建并返回一个使用AES算法的cipher.Block接口
      • 秘钥长度为128bit, 即 128/8 = 16字节(byte)
    2. 对最后一个明文分组进行数据填充
      • AES是以128比特的明文(比特序列)为一个单位来进行加密的
      • 最后一组不够128bit, 则需要进行数据填充( 参考第三章)
    3. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用AES加密的BlockMode接口
    4. 加密连续的数据块
  • 解密

    1. 创建并返回一个使用AES算法的cipher.Block接口
    2. 创建一个密码分组为链接模式的, 底层使用AES解密的BlockMode接口
    3. 数据块解密
    4. 去掉最后一组的填充数据
加解密的代码实现

AES加密代码

// AES加密
func AESEncrypt(src, key []byte) []byte{
	// 1. 创建一个使用AES加密的块对象
	block, err := aes.NewCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 最后一个分组进行数据填充
	src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
	// 3. 创建一个分组为链接模式, 底层使用AES加密的块模型对象
	blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:block.BlockSize()])
	// 4. 加密
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	return dst
}
复制代码

AES解密

// AES解密
func AESDecrypt(src, key []byte) []byte{
	// 1. 创建一个使用AES解密的块对象
	block, err := aes.NewCipher(key)
	if err != nil{
		panic(err)
	}
	// 2. 创建分组为链接模式, 底层使用AES的解密模型对象
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:block.BlockSize()])
	// 3. 解密
	dst := src
	blockMode.CryptBlocks(dst, src)
	// 4. 去掉尾部填充的字
	dst = PKCS5UnPadding(dst)
	return dst
}
复制代码

重要的函数说明

  1. 生成一个底层使用AES加/解密的Block接口对象

    函数对应的包: import "crypto/aes"
    func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error)
    	- 参数 key: aes对称加密使用的密码, 密码长度为128bit, 即16byte
    	- 返回值 cipher.Block: 创建出的使用AES加/解密的Block接口对象
    复制代码
  2. 创建一个密码分组为CBC模式, 底层使用b加密的BlockMode接口对象

    函数对应的包: import "crypto/cipher"
    func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
        - 参数 b: 使用aes.NewCipher函数创建出的Block接口对象
        - 参数 iv: 事先准备好的一个长度为一个分组长度的比特序列, 每个分组为64bit, 即8byte
        - 返回值: 得到的BlockMode接口对象
    复制代码
  3. 使用cipher包的BlockMode接口对象对数据进行加/解密

    接口对应的包: import "crypto/cipher"
    type BlockMode interface {
        // 返回加密字节块的大小
        BlockSize() int
        // 加密或解密连续的数据块,src的尺寸必须是块大小的整数倍,src和dst可指向同一内存地址
        CryptBlocks(dst, src []byte)
    }
    接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
        - 参数 dst: 传出参数, 存储加密或解密运算之后的结果 
        - 参数 src: 传入参数, 需要进行加密或解密的数据切片(字符串)
    复制代码
  4. 创建一个密码分组为CBC模式, 底层使用b解密的BlockMode接口对象

    函数对应的包: import "crypto/cipher"
    func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
        - 参数 b: 使用des.NewCipher函数创建出的Block接口对象
        - 参数 iv: 事先准备好的一个长度为一个分组长度的比特序列, 每个分组为128bit, 即16byte, 
                   该序列的值需要和NewCBCEncrypter函数的第二个参数iv值相同
        - 返回值: 得到的BlockMode接口对象
    复制代码

应选择哪种对称加密

前面介绍了DES、三重DES和AES等对称密码,那么我们到底应该使用哪一种对称密码算法呢?

  1. 今后最好不要将DES用于新的用途,因为随着计算机技术的进步,现在用暴力破解法已经能够在现实的时间内完成对DES的破译。但是,在某些情况下也需要保持与旧版本软件的兼容性。
  2. 出于兼容性的因素三重DES在今后还会使用一段时间,但会逐渐被AES所取代。
  3. 今后大家应该使用的算法是AES(Rijndael),因为它安全、快速,而且能够在各种平台上工作。此外,由于全世界的密码学家都在对AES进行不断的验证,因此即便万一发现它有什么缺陷,也会立刻告知全世界并修复这些缺陷。

一般来说,我们不应该使用任何自制的密码算法,而是应该使用AES。因为AES在其选定过程中,经过了全世界密码学家所进行的高品质的验证工作,而对于自制的密码算法则很难进行这样的验证。

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