《图解密码技术》笔记

这是《图解密码技术》的读书笔记

一些概念

对称密码 (symmetric cryptography)
公钥密码 (public-key cryptography)
单向散列函数 (one-way hash function)
消息认证码 (message authentication code)
数字签名 (digital signature)

接下来会对上述概念进行简单讲解

0. 经典密码

0.1 凯撒密码 (Caesar cipher)

凯撒密码是一种替换加密技术，明文中的所有字母都在字母表上向后（或向前）按照一个固定数目进行偏移后被替换成密文。

如偏移量是向后3位时，明文 DOG 就被加密为 GRJ，将字母表向前3位即可解密。

凯撒密码非常容易被暴力破解，而且在实际应用中也无法保证通信安全。

0.2 简单替换密码

简单替换加密是一种以偏移（如凯撒密码）或逆转或更复杂方式改变字母表上的字母顺序，并以此顺序书写的加密方式。

如将字母表 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 改变顺序为 ZEBRASCDFGHIJKLMNOPQTUVWXY 即可把明文 flee at once. we are discovered! 加密并省略掉标点成 SIAA ZQ LKBA VA ZOA RFPBLUAOAR

简单替换加密一般不容易被暴力破解但可通过频率分析进行破解

1. 对称密码

对称密码又称共享密钥密码，用相同的密钥进行加密和解密，如下图

1.1 一次性密码本

一次性密码本 (one time pad) 是一种将明文与密钥 (一串比特序列) 进行异或 (XOR) 运算获得密文，密文与密钥进行异或运算获得明文的加密算法。

在理论上此密码算法是牢不可破的，但实际操作起来有如下问题

密钥需要是真随机产生的
明文与密钥需要一样长
密钥仅能使用一次，用完需要销毁

1.2 DES

DES (Data Encryption Standard) 是一种将 64 比特的明文加密成 64 比特的密文分组对称密码算法。其密钥长度是 64 比特，但由于每隔 7 比特会设置一个错误检查比特，所以实际上真正的加密密钥只有 56 比特。虽然 DES 因为只有 56 比特的密钥长度而广受批评，但它还是对现代密码学产生了长远影响。

DES 是分组密码的一种，当要加密的明文比 64 比特长时就需要对明文分组进行加密，分组的方式称为模式 (mode)。

DES 由 Horst Feistel 设计，其基本结构为 Feistel 网络。在 Feistel 网络中，加密的步骤称为轮 (round)，整个加密过程就是进行若干轮的循环。DES 是一种 16 轮循环的 Feistel 网络。

一轮的步骤：

将输入的数据均分为左右两部分
右测直接成为该次运算输出的右侧
将右侧输入至轮函数 f
轮函数 f 根据右侧和子密钥计算出一串比特序列
将上一步的得到的比特序列与左侧进行 XOR 运算，并将结果作为加密后的左侧输出

因为 右侧 没有被加密，所以需要将左右两侧交换进行下一轮的运算，

Feistel 网络的特性：

轮数可以任意添加
加密和解密可以用完全相同的结构来实现

1.3 三重 DES

因为 DES 已经可以在较短的时间内被暴力破解，所以出现了 三重 DES 来应对这个问题，但处理速度较慢，安全性方面也没太大改善，所以已经不推荐使用。

三重 DES 的加密方式：

(图反了)

由于明文经过三次 DES 处理才会生成最终密文，所以三重 DES 的长度就由 56 比特变成了 56*3=168 比特。

三重 DES 并不是顺序的三次加密的叠加，而是加密-解密-加密的方式，这样做是为了向后兼容解密，当所有密钥都一样时，三重 DES 就等同于普通 DES 了。

三重 DES 解密的过程则与加密相反，以密钥 3 、密钥 2 和密钥 1 以 解密-加密-解密的方式进行解密

1.4 AES

AES (Advanced Encryption Standard) 是用来替代原先的 DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。

AES 的分块大小为 128 比特，而密钥长度则可以从 128，192 或 256 之间进行选择。

AES 更多的相关介绍可移步维基百科

2 分组密码的模式

DES 和 AES 都属于分组密码，分组密码自身只能加密长度等于密码分组长度的单块数据，若要加密变长数据，则数据必须先被划分为一些单独的密码块。通常而言，最后一块数据也需要使用合适填充方式将数据扩展到匹配密码块大小的长度。一种工作模式描述了加密每一数据块的过程，并常常使用基于一个通常称为初始化向量的附加输入值以进行随机化，以保证安全。

2.1 初始化向量

初始化向量是一个固定长度的输入值，一般是情况下是一个随机数。

初始化向量与密钥相比有不同的安全性需求，所以初始化向量通常无须保密。

2.2 填充

分组密码只能对确定长度的数据块进行处理，而明文的长度通常是可变的。因此部分模式需要最后一块在加密前进行填充。

2.3 电子密码本模式 (ECB)

最简单的加密模式，将需要加密的消息按照分组密码的分组大小划分为若干分组，对每一组进行独立加密。

2.4 密文分组链接模式 (CBC)

在 CBC 模式中，每个明文块先与前一个密文块进行异或后，再进行加密。在这种方法中，每个密文块都依赖于它前面的所有明文块。同时，为了保证每条消息的唯一性，在第一个块中需要使用初始化向量。

2.5 密文反馈模式 (CFB)

在 CFB 模式中，前一个密文分组会被送回密码算法的输入端，即密文反馈。

通过上图不难看出，在 CFB 模式中明文分组并没有通过密码来进行直接加密，实际上， CFB 模式与一次性密码本 (流密码) 很相似，都是将明文与随机比特序列进行 XOR 运算来得到密文，但由于分组密码的随机比特序列并不是真的随机数所以并不像一次性密码本那样具有不可破译性。

2.6 输出反馈模式 (OFB)

在 OFB 模式中，密码算法的输出会反馈到密码算法的输入中。

由于密文分组不依赖上一次加密的输出，所以 OFB 模式可以并行加密和解密。

2.7 计数器模式 (CTR)

在 CTR 模式中，每个分组对应一个逐次累加的计数器，并通过对计数器进行加密来生成密钥流。最终的密文是通过将计数器加密得到的比特序列，与明文分组进行 XOR 而得到的。

CTR 模式和 OFB 模式一样，加密和解密使用了完全相同的结构，因此在程序实现上比较容易。CTR 模式中可以任意顺序对分组进行加密和解密，因此在加密和解密时需要用到的计数器的值可以直接计算出来，这一性质是 OFB 模式所不具备的。能够以任意顺序处理分组，就意味着能够实现并行计算，在支持并行计算的系统中，CTR 模式的速度是非常快的。