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对称加密(2) 对称加密算法

 

经典的对称加密算法是DES算法，后来又衍生出3DES、TripleDES等增强型的DES算法。此外，.NET还提供了RC2、Rijndael等对称加密算法。下面分别详细介绍。

 DES加密算法

对称加密算法中最经典的算法莫过于DES加密算法。DES加密采用的是分组加密的方法，使用56位密钥加密64位明文，最后产生64位密文。DES算法的基本流程如图6-2所示。

 

 

 

图6-2  DES加密算法基本流程

现在对图6-2的整个流程做简要的分析。DES对64位的明文分组M进行操作，M经过一个初始置换IP置换成m₀，将m₀明文分成左半部分和右半部分m₀=（L₀,R₀），各32位长。然后进行16轮完全相同的运算，这些运算称为函数f，在运算过程中，数据与密匙结合。经过16轮运算之后，可以看到第16轮运算，将右侧第15轮运算的结果（R₁₅）作为左侧运算的最终结果（L₁₆），而右侧最后的结果（R₁₆）为左侧第15轮运算结果（L₁₅）和函数f运算结果的异或运算所得。此后，再将左、右部分合在一起经过一个逆置换，输出密文。

实际加密过程要分成两个同时进行的过程，即加密过程和密钥生成过程，如图6-3所示。结合图6-2和图6-3简单讲解密钥生成过程。

 

图6-3  加密与密钥生成

如图6-3所示，在16轮循环的每一轮中，密匙位移位，然后再从密匙的64位中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作替代成新的32位数据，在将其置换一次。这四步运算构成了图6-2中的函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输出与左半部分结合，其结果成为新的右半部分，原来的右半部分成为新的左半部分。该操作重复16次。

DES算法的解密过程和加密过程几乎完全相同，只是使用密钥的顺序相反。

关于DES算法的更加详细的细节不在本书的讲解范围之内，请读者参考相关资料。

NIST（National Institute of Standards and Technology，美国国家标准技术研究院）在1999年发布了新的DES加密标准，3DES取代DES成为新的加密标准。3DES采用168位的密钥，三重加密，但速度较慢。之后，又出现了AES（Advanced Encryption Standard，先进加密标准）等高级对称机密算法。

TripleDES加密算法

由于DES算法安全性方面的原因，为了提高DES算法的抗攻击性，因此提出了Triple-DES算法。

Triple-DES算法的基本原理是：用两个密钥对数据进行3次加密/解密运算。即首先使用第一个密钥对数据进行加密，然后用第二个密钥对其进行解密，最后用第一个密钥再加密。这两个密钥可以是同一个，也可以不同，它们也可以来源于一个128位密钥，只是在加密/解密时将其分割成两个64位的密钥，分别轮换使用这两个64位密钥去完成加密/解密运算。Triple-DES算法保留了DES算法运算速度快的特点，通过增加运算次数和密钥长度（两个64位密钥相当于128位密钥）来增加破解者的破解时间，但是从密码学本身来说，其安全强度并没有增加。

RC系列算法

现在我们用到的RC系列算法包括RC2、RC4、RC5、RC6算法，其中RC4是序列密码算法，其他三种是分组密码算法。

（1）  RC2算法

该算法设计的目的是用来取代DES算法，它采用密钥长度可变的对明文采取64位分组的分组加密算法，属于Festel网络结构。

（2）  RC4算法

该算法是一个密钥长度可变的面向字节流的加密算法，以随机置换为基础。该算法执行速度快，每输出1字节的结果仅需要8~16字节的机器指令。RC4算法比较容易描述，它首先用8~2048位可变长度的密钥初始化一个256字节的状态矢量S。S的成员标记为S[0],S[1]，…，S[255]，整个置换过程都包含0～255的8比特数。对于加密和解密，设字节数据为K，由S中256个元素按一定方式选出一个元素生成，每生成一个K值，元素中的数据就要被重新置换一次。RC4初始化的伪代码如代码清单6-1所示。

代码清单6-1  RC4初始化的伪代码

for i=0 to 255

{

  S[i]=i;

  T[i]=K[i mod KeyLen ];

}

j=0;

for i=0 to 255

{

  j=(j+T[i]+S[i]) mod 256;

swap(S[i],S[j];

}

如代码清单6-1所示，初始化开始时，S的元素按从0到255依次赋值，同时建立一个临时矢量T。如果密钥K的长度为256字节，则将K赋值给T。否则，若密钥长度为KeyLen字节，则将K的值赋给T的前KeyLen个元素，并循环重复用K余下的元素赋给T剩下的元素。从“j=0”开始，用T产生S的初始置换。从S[0]~S[255]，对每个S[i]根据T[i]确定的方案，将S[i]置换成S中的另一字节。

在完成S的初始化之后，输入密钥将被抛弃，接下来将使用密钥流，生成密钥流的伪代码如代码清单6-2所示。

代码清单6-2  生成密钥流

i=0；

j=0；

while（true）

{

   i=(i+1) mod 256;

   j=(j+S[i]) mod 256;

   swap(S[i],j[i];

   T=(S[i]+S[j]) mod 256;

   K=S[T];

}

如代码清单6-2所示，密钥流的生成是从S[0]到S[255]，对每个S[i]根据当前S的值将S[i]与S中的另一字节替换，当S[255]完成置换后操作继续重复。在加密过程中将K的值与下一明文字节异或，解密过程中将K的值与下一密文字节异或即可。

（3）  RC5算法

该算法是一种分组长度、密钥长度、加密迭代轮数都可变的分组加密算法。该算法主要包含三部分内容：密钥扩展、加密算法和解密算法。该算法包含三个参数：w（字的长度，单位：位）、r（迭代次数）、b（密钥长度，单位：字节）。由于RC5算法需要（2r+2）个w位密钥，所以需要密钥扩展。

通过密钥扩展，把密钥K扩展成密钥阵S，它由K所决定的t=2（r+1）个随机二进制字构成。密钥扩展算法利用了两个幻常数：

P_w=Odd（（e-2）2^w）[1]

Q_w=Odd（（Φ-1）2^w）[2]

函数Odd（x）的结果为与x最近的奇整数。密钥扩展的第一步是将密钥K转换成字格式，利用K的各字节构造字阵L。密钥扩展的第二步是利用模2³²线性同余算法初始化S阵。密钥扩展的第三步是L阵和S阵混合。

加密过程也很简单。假设选用的数据分组长度为2w位（w允许的值有16、32和64），迭代次数为r轮（r为0～255）。首先将明文划分成两个w位的字A和B，运算过程如代码清单6-3所示。

代码清单6-3  RC5算法加密过程

A=A+S₀;

B=B+S₁;

for i=1 to r

{

  A=（（A+B）<<<B））+S_2i;

  B= ((B+A) <<<A)) +S_2i+1;

}

代码清单6-3的结果输出到寄存器A和B中。

解密过程是加密过程的逆运算，基本过程如代码清单6-4所示。

代码清单6-4  RC5算法解密过程

for i=r down to 1

{

  B=((B- S_2i+1)>>>A)+A;

  A=((A- S_2i)>>>B)+B;

}

B=B-S₁;

A=A-S₀;

说明 加密和解密过程中的加减都是模2^w的，表示逐位异或。<<<表示循环左移，>>>表示循环右移。

（4）  RC6算法

RC6秉承了RC5设计简单、广泛使用数据相关的循环移位思想，同时增强了抵抗攻击的能力，改进了RC5中循环移位的位数依赖于寄存器中所有位的不足。

RC6的特点是输入的明文由原先2个区块扩展为4个区块，另外，在运算方面则是使用了整数乘法，而整数乘法的使用则在每一个运算回合中增加了扩散（diffusion）的行为，并且使得即使很少的回合数也有很高的安全性。同时，RC6中所用的操作可以在大部分处理器上高效率地实现，提高了加密速度。RC6是一种安全、架构完整而且简单的区块加密法。它提供了较好的测试结果和参数方面相当大的弹性。RC6可以抵抗所有已知的攻击，能够提供AES所要求的安全性，可以说是近几年来相当优秀的一种加密法。

Rijndael算法

Rijndael是一个反复运算的加密算法，它允许可变动的数据区块及密钥的长度。数据区块与密钥长度的变动是各自独立的。

在Rijndael算法中定义了两个名词：

1)        State：在运算过程中所产生的中间值，是一个4×N_b的矩阵，N_b可由数据长度除以32位求得，也就是把数据分割成Nb个区块。

2)        Cipher Key：用来做加密运算的密钥，形式是一个4×N_k的矩阵，N_k可由金钥长度除以32位求得，也就是把密钥分割成N_k个32位的子密钥。

在Rijndael算法中，运算的回合数（N_r）是由N_b及N_k决定的，回合数的变动定义如表6-1所示。

                表6-1  Rijndael算法回合变动定义

Nr	Nb=4	Nb=6	Nb=8
Nk=4	10	12	14
Nk=6	12	12	14
Nk=8	14	14	14

在Rijndael中使用了许多字节层级的运算，而这些运算是以GF（2⁸）为基础架构。也有一些采用了4-byte的字组运算。各种运算的定义如下：

（1） GF（2⁸）的定义

假设一个字节b由b₇b₆b₅b₄b₃b₂b₁b₀组成，可以把这些b_i想象成一个7次多项式的系数，而这些系数不是0就是1：

b₇ x⁷+ b₆ x⁶+ b₅ x⁵+ b₄ x⁴+ b₃ x³+ b₂ x²+ b₁ x + b₀

例如，（57）₁₆的二进制表示法为（0101,0111）_2，表示成多项式，则为：

x⁶+ x⁴+ x²+ x + 1

（2）加法

两个多项式的加法，则是定义为相同指数项的系数和再模2，简单地说，就是作EXOR运算（1+1=0）。例如：

（57）₁₆+（83）₁₆=（01010111）₂+（10000011）₂ = （11010100）₂ = （D₄）₁₆

或是

（x⁶+x⁴+x²+x+1）+（x⁷+x+1）=x⁷+x⁶+x⁴+x²

（3）乘法

在乘法运算中，多项式相乘之后的结果很容易造成溢位的问题，解决溢位的方式是把相乘的结果，再模余一个不可分解的多项式m（x）。在Rijndael中，定义一个这样的多项式为m（x）=x⁸+x⁴+x³+x+1或是（11B）₁₆例如：

（57）₁₆‧（83）₁₆

 =（x⁶+ x⁴+ x²+ x + 1）‧