网络安全-对称加密

对称密钥密码算法，也叫做单钥密码算法或私钥密码算法，发送方和接收方共同拥有相同的密钥，发送方使用这个密钥将明文数据加密成密文，然后发送给接收方，接收方收到密文后使用这个密钥将密文解密成明文读取。因为这个密钥既用来进行加密数据，也用来进行解密数据，所以叫做对称密钥，它是一种加密大量数据的加密方法。

对称密钥密码体制有很多种加密算法，常用的对称加密算法包括DES、3DES、AES、RC4、SM1（国产）、SM4（国产）等。这类算法的长处是加密速度快，便于硬件实现和大规模生产，但由于对称密钥算法的加密密钥和解密密钥时是相同的单个密钥，以是这类加密算法需要保障密钥安全。所以，在使用对称密钥算法加密通信前，必要有安全信道来传递密钥。

DES是一种分组数据加密技术（先将数据分成固定长度的小数据块，之后进行加密），速度较快，适用于大量数据加密，DES是应用最广泛的对称密码算法(由于计算能力的快速进展，DES已不在被认为是安全的)；

DES 加解密算法详解：

1 ） In Action

· 有明文M(64位) = 0123456789ABCDEF，即 M(64位) = 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

· L(32位) = 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
R(32位) = 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

· 有密钥K(64位) = 133457799BBCDFF1，即 K(64位) = 00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001

· 其中末尾红色标注为奇偶校验位，即实际密钥为56位。

2 ）第一步：生成 16 个子钥 (48 位 )

· 对 K 使用 PC-1(8×7)
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

· 从而，由 K(64 位 ) = 00010011 00110100 01010111 01111001 10011011 10111100 11011111 11110001

· 得到 K+(56位) = 1111000 0110011 0010101 0101111 0101010 1011001 1001111 0001111

· 进而， C0(28位) = 1111000 0110011 0010101 0101111
D0(28位) = 0101010 1011001 1001111 0001111

· C1和D1分别为C0和D0左移1位。… C3和D3分别为C2和D2左移2位 …

· 从而得到 ** C1D1 ～ C16D16 ：

· C1 = 1110000110011001010101011111
D1 = 1010101011001100111100011110

· C2 = 1100001100110010101010111111
D2 = 0101010110011001111000111101

· C3 = 0000110011001010101011111111
D3 = 0101011001100111100011110101

· C4 = 0011001100101010101111111100
D4 = 0101100110011110001111010101

· …
…

· C15 = 1111100001100110010101010111
D15 = 1010101010110011001111000111

· C16 = 1111000011001100101010101111
D16 = 0101010101100110011110001111

· Kn(48 位 ) = PC-2( CnDn(56 位 ) )

· PC-2(8×6)

· 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

· 最终得到所有16个子钥，每个48位：
K1 = 000110 110000 001011 101111 111111 000111 000001 110010
K2 = 011110 011010 111011 011001 110110 111100 100111 100101
K3 = 010101 011111 110010 001010 010000 101100 111110 011001
K4 = 011100 101010 110111 010110 110110 110011 010100 011101
K5 = 011111 001110 110000 000111 111010 110101 001110 101000
K6 = 011000 111010 010100 111110 010100 000111 101100 101111
K7 = 111011 001000 010010 110111 111101 100001 100010 111100
K8 = 111101 111000 101000 111010 110000 010011 101111 111011
K9 = 111000 001101 101111 101011 111011 011110 011110 000001
K10 = 101100 011111 001101 000111 101110 100100 011001 001111
K11 = 001000 010101 111111 010011 110111 101101 001110 000110
K12 = 011101 010111 000111 110101 100101 000110 011111 101001
K13 = 100101 111100 010111 010001 111110 101011 101001 000001
K14 = 010111 110100 001110 110111 111100 101110 011100 111010
K15 = 101111 111001 000110 001101 001111 010011 111100 001010
K16 = 110010 110011 110110 001011 000011 100001 011111 110101

3 ）第二步：用子钥对 64 位数据加密

· 对明文 M 使用 IP(8×8)

· 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

· 由于M(64位) =0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

· 对M运用IP，故有 IP(64位) = 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010

· IP(64位) = L0(32位) + R0(32位)

· 故

· L0 (32位) = 1100 1100 0000 0000 1100 1100 1111 1111
R0 (32位) = 1111 0000 1010 1010 1111 0000 1010 1010

· 从L0和R0开始，循环16次，得出L1R1到L16R16，依据递推公式：

· Ln = R(n-1)
Rn = L(n-1) + f (R(n-1),Kn)

L1=R0

R1=L0异或F(R0,K1)

· 其中除了Kn为48位，其他变量及函数均为32位。

· 其中+号表示异或XOR运算，函数f 从一个32位的数据块R(n-1)和一个48位子钥Kn得到一个新的32位数据块。

· 先将32位R(n-1)按照下表扩展到48位，在进行异或运算

· 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,

· 得到48位数，将48位数顺序分成8份，6位一份，作为输入，通过第6位中的1和6作为行数2-5作为列数在S盒中进行置换最后形成32位的f (R(n-1),Kn)

· 101000 行10 列0100à4   à1101 à 13

· S[1]:
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,

· S[2]:
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,

· S[3]

· ….

· S[8]

· 到此为止，我们得到了16对32位的数据块，即 L1R1, L2R2, L3R3, …, L16R16

· 最后一对L16R16就是我们需要的。

· 继续对R16L16(64位)运用一次重排列： IP-1(8×8)

· 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

· 即在 L16(32位) = 0100 0011 0100 0010 0011 0010 0011 0100
R16(32位) = 0000 1010 0100 1100 1101 1001 1001 0101
R16L16(64位) = 00001010 01001100 11011001 10010101 01000011 01000010 00110010 00110100

· 时，对R16L16运用IP-1，得 IP-1(64位) = 10000101 11101000 00010011 01010100 00001111 00001010 10110100 00000101 = 85E813540F0AB405

· 从而，经过以上步骤，最终从明文 M = 0123456789ABCDEF 得到密文 C = IP-1 = 85E813540F0AB405

· 以上为加密过程，要解密，依次反向计算即可。

/*
* 用jdk实现DES:
* */
public static void jdkDES(String src){
try{
// 生成KEY
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance('DES');
keyGenerator.init(56);
// 产生密钥
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
// 获取密钥
byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded();


// KEY转换
DESKeySpec desKeySpec = new DESKeySpec(bytesKey);
SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance('DES');
Key convertSecretKey = factory.generateSecret(desKeySpec);


// 加密（加解密方式：..工作模式/填充方式）
Cipher cipher = Cipher.getInstance('DES/ECB/PKCS5Padding');
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
System.out.println('jdk des encrypt:' + Hex.encodeHexString(result));

// 解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, convertSecretKey);
result = cipher.doFinal(result);
System.out.println('jdk des decrypt:' + new String(result));

} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}


3DES是一种基于DES的加密算法，使用3个不同密匙对同一个分组数据块进行3次加密，如此以使得密文强度更高。

/*
     *  用jdk实现3DES:
     *  */
            public static void jdk3DES(String src)    {
                try {
                    // 生成KEY
                    KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance('DESede');
                    // 必须长度是：112或168
//                keyGenerator.init(168);
                    keyGenerator.init(new SecureRandom());
                    // 产生密钥
                    SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
                    // 获取密钥
                    byte[] bytesKey = secretKey.getEncoded();
                    
                    
                    // KEY转换
                    DESedeKeySpec desKeySpec = new DESedeKeySpec(bytesKey);
                    SecretKeyFactory factory = SecretKeyFactory.getInstance('DESede');
                    Key convertSecretKey = factory.generateSecret(desKeySpec);
                    
                    
                    // 加密
                    Cipher cipher = Cipher.getInstance('DESede/ECB/PKCS5Padding');
                    cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, convertSecretKey);
                    byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
                    System.out.println('jdk 3des encrypt:' + Hex.encodeHexString(result));
                    
                    // 解密
                    cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, convertSecretKey);
                    result = cipher.doFinal(result);
                    System.out.println('jdk 3des decrypt:' + new String(result));
                    
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }

相较于DES和3DES算法而言，AES算法有着更高的速度和资源使用效率，安全级别也较之更高了，被称为下一代加密标准。AES将是未来最主要，最常用的对称密码算法；

/*
* 用jdk实现AES:
* */
public static void jdkAES(String src){
try{
// 生成KEY
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance('AES');
keyGenerator.init(128);
// 产生密钥
SecretKey secretKey = keyGenerator.generateKey();
// 获取密钥
byte[] keyBytes = secretKey.getEncoded();


// KEY转换
Key key = new SecretKeySpec(keyBytes, 'AES');


// 加密
Cipher cipher = Cipher.getInstance('AES/ECB/PKCS5Padding');
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, key);
byte[] result = cipher.doFinal(src.getBytes());
System.out.println('jdk aes encrypt:' + Hex.encodeHexString(result));

// 解密
cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, key);
result = cipher.doFinal(result);
System.out.println('jdk aes decrypt:' + new String(result));

} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}