加密算法簡介

加密算法就是加密的方法，在密碼學中，加密是將明文信息隱藏起來，使之缺少特殊信息時不可讀。加密算法可以分為兩類：對稱加密和非對稱加密。

1. 對稱加密

將信息使用一個密鑰進行加密，解密時使用同樣的密鑰，同樣的算法進行解密。

2. 非對稱加密

非對稱加密又稱公開密鑰加密，密鑰分為私密密鑰和公開密鑰，通過公鑰加密，私鑰解密的過程，并且加密和解密算法不同。

關(guān)于對稱加密

對稱加密是加密和解密雙方持有相同的私鑰，即加密方通過密鑰執(zhí)行加密過程，解密方通過相同的密鑰執(zhí)行解密過程，因為雙方持有相同的密鑰，所以叫做對稱加密。同時，因為密鑰理論上只有加解密雙方持有，所以也叫做私鑰加密。常見的對稱加密算法有：DES，3DES，AES 以及 RC4 等。

對稱加密分為序列密碼和分組密碼兩類，如下圖：

1. 序列密碼

序列密碼單獨加密每個位，它是通過將密鑰序列中的每個位 與每個明文位相加實現(xiàn)的。同步序列密碼的密碼序列僅僅取決于密鑰，而異步序列密碼序列則取決于密鑰和密文，如 RC4。

2. 分組密碼

分組密碼每次使用相同的密鑰加密整個明文位分組。這意味著對給定分組內(nèi)任何明文位的加密都依賴于與它同在一個分組內(nèi)的其他所有明文位。絕大多數(shù)分組密碼的分組長度要么是 128 位（16 字節(jié)），比如 AES，要么是 64 位（8 字節(jié)），比如 DES 和 3DES。

對稱加密特點

1. 算法可逆，即加密后可以通過解密還原數(shù)據(jù)。
2. 加密效率高，加密速度快
3. 安全性沒有非對稱加密高，因為密鑰分發(fā)時存在安全隱患

對稱加密算法

在寫對稱加密算法之前，有必要先提一下分組加密的操作模式有哪些，因為分組加密是對稱加密中應(yīng)用最多的加密方式，并且可以有不同的操作模式。

分組加密模式

1. 電子密碼本模式（ECB）

ECB 模式要求明文長度必須是所使用密碼的分組大小的整數(shù)倍，比如在 AES（后面會提到）中，明文長度應(yīng)該是 16 字節(jié)的整數(shù)倍，如果不滿足此長度要求，則必須對其進行填充，填充的方式有很多種，比如：在明文后附加單個"1"，然后再根據(jù)需要附加足夠多的"0"位，直到明文的長度達到分組長度的整數(shù)倍，如果明文的長度剛好是分組長度的整數(shù)倍，則填充的所有位剛好形成了一個單獨的額外分組。ECB 加密解密如下圖：

ECB 優(yōu)缺點：

1. 加密和解密之間的分組同步不是必須的，即如果數(shù)據(jù)丟失，接收方還是可能解密已收到的分組。
2. 加密高度確定，即只要密鑰不變，相同的明文分組總是產(chǎn)生相同的密文分組。
3. 明文分組的加密是完全獨立的，與前面的分組沒有任何關(guān)系。如果攻擊者將密文分組重新排序，有可能會得到有效的明文。
4. 密碼分組鏈接模式（CBC）

2. 密碼分組鏈接模式（CBC）

CBC 模式主要基于兩種思想。第一，所有分組的加密都鏈接在一起，是得密文不僅依賴，而且還依賴前面所有的明文分組。第二，加密過程使用的初始向量（IV）進行了隨機化。

3. 輸出反饋模式（OFB）

OFB 模式使用分組密碼來構(gòu)建一個序列密鑰加密方案。注意，在 OFB 模式中，密鑰序列不是按位產(chǎn)生，而是以分組方式產(chǎn)生。密碼的輸出是 b 個密鑰序列位，其中 b 為所使用的分組密碼的寬度；將 b 為的明文與該 b 位的密鑰序列進行異或操作即可實現(xiàn)對明文的加密。如下圖：

OFB 模式首先使用分組密碼加密 IV，得到的密鑰輸出為 b 位密鑰序列的第一個集合；將前一個密鑰輸出反饋給分組密碼進行加密，即可計算出密鑰序列位的下一個分組；不斷重復(fù)此過程。因為使用的是同步序列密碼，所以加密與解密操作完全相同，且加密解密位異或操作。OFB 的一個優(yōu)點就是分組密碼的計算與明文無關(guān)。因此，可以預(yù)計算密鑰序列材料的一個或多個分組 S1。

4. 密碼反饋模式（CFB）

CFB 模式也使用分組密碼作為構(gòu)建序列密碼的基本元件，與 OFB 模式相同的是，CFB 也使用了反饋；而不同的是，OFB 反饋的是分組密碼的輸出，而 CFB 反饋的是密文。OFB 的基本思想是：要生成第一個密鑰序列分組 S1，必須先加密 IV；而所有后續(xù)密鑰序列分組 S2，S3，。。。都是通過加密前一個密文得到的。如下圖所示：

根據(jù)序列密碼加密，CFB 加密解密操作也完全相同，但 CFB 模式是一個異步序列密鑰加密。

5. 計數(shù)器模式（CTR）

與 OFB 和 CFB 模式一樣，密鑰序列也是以分組方式計算的。分組密碼的輸入為一個計數(shù)器，每當分組密碼計算一個新密鑰序列分組時，該計數(shù)器都會產(chǎn)生一個不同的值，如下圖所示：

初始化分組密碼的輸入時必須避免兩次使用相同過的輸入值，如果攻擊者知道了使用相同輸入加密的明文中的任何一個，就可以計算出密鑰序列分組，從而可以解密其他明文。計數(shù)器模式最大的特點就是并行化，因為計數(shù)器模式不需要任何反饋。加入有兩個分組加密引擎，即可以讓兩個引擎同時使用第一個分組密碼加密計數(shù)器值 CTR1 和 CTR2，這兩個分組密碼引擎完成后，一個繼續(xù)加密 CTR3，而另一個則加密 CTR4。

6. 伽羅瓦計數(shù)器模式（GCM）

GCM 是一種計算消息驗證碼的加密模式。MAC（消息驗證碼）由發(fā)送者計算密碼校驗和，并附加在消息后面，接收方也會計算此消息的密碼校驗和，并校驗與發(fā)送者發(fā)送過來的是否相同，這樣便可以確認消失是否是發(fā)送者發(fā)送過來的，且密文是否有被修改過。

主流對稱加密算法實現(xiàn)（Go 語言）

下面將逐一介紹上面提到的對稱加密的算法實現(xiàn)。

1. RC4

RC4 為流加密算法，即前面提到的序列加密，由偽隨機數(shù)生成器和異或運算組成，密鑰長度可變，范圍在[1,255]。RC4 一個字節(jié)一個字節(jié)地加解密，由于采用的是異或運算，使用的是同一套算法。

func?Encrypt(bytes?[]byte,?key?[]byte)?([]byte,?error)?{
????c,?err?:=?rc4.NewCipher(key)
????if?err?!=?nil?{
????????return?nil,?err
????}
????var?dst?=?make([]byte,?len(bytes))
????c.XORKeyStream(dst,?bytes)
????return?dst,?nil
}

//RC4為序列密碼加密，采用異或運算，所以此處直接調(diào)用解密算法
func?Decrypt(encryptData,?key?[]byte)?([]byte,?error)?{
????return?Encrypt(encryptData,?key)
}

2. DES（3DES）

DES 是一種使用 56 位（7 字節(jié)）（注：其實 DES 的輸入密鑰是 64 位（8 字節(jié)），但是每個字節(jié)的第 8 位都作為前面 7 位的一個奇校驗位，所以實際密鑰有效位為 56 位。）密鑰對 64 位（8 字節(jié)）長分組進行加密的算法，加、解密過程使用相同對密鑰。

DES 算法機制為迭代，一共 16 輪，每輪操作完全相同，但使用不同的子密鑰，子密鑰都是由主密鑰推導(dǎo)而來的，都是從輸入密鑰中選擇 48 個置換位。DES 加密流程如下：

3DES 即為三重 DES 加密，3DES 加密密鑰長度為 192 位（24 字節(jié)）。

解密過程主要為密鑰編排逆轉(zhuǎn)，即解密的第一輪需要子密鑰 16；第二輪需要子密鑰 15；以此類推。

func?Encrypt(plainText?[]byte,?key?[]byte)?([]byte,?error)?{
????//block,?err?:=?des.NewTripleDESCipher(key)為三重DES加密
????block,?err?:=?des.NewCipher(key)
????if?err?!=?nil?{
????????return?nil,?err
????}

????blockSize?:=?block.BlockSize()?????????????????????//分組大小
????plainText?=?paddingWithPKCS5(plainText,?blockSize)?//填充

????var?cipherText?=?make([]byte,?len(plainText))

????//ECB每個分組單獨加密
????var?temp?=?cipherText
????for?len(plainText)?>?0?{
????????block.Encrypt(temp,?plainText[:blockSize])
????????plainText?=?plainText[blockSize:]
????????temp?=?temp[blockSize:]
????}
????return?cipherText,?nil
}

func?Decrypt(cipherText?[]byte,?key?[]byte)?([]byte,?error)?{
????//block,?err?:=?des.NewTripleDESCipher(key)為三重DES加密
????block,?err?:=?des.NewCipher(key)
????if?err?!=?nil?{
????????return?nil,?err
????}

????blockSize?:=?block.BlockSize()?//分組大小

????var?plainText?=?make([]byte,?len(cipherText))

????//ECB每個分組單獨加密
????var?temp?=?plainText
????for?len(cipherText)?>?0?{
????????block.Decrypt(temp,?cipherText[:blockSize])
????????cipherText?=?cipherText[blockSize:]
????????temp?=?temp[blockSize:]
????}
????plainText?=?unPaddingWithPKCS5(plainText)
????return?plainText,?nil
}

func?paddingWithPKCS5(data?[]byte,?blockSize?int)?[]byte?{
????//需要填充的值以及數(shù)量
????padding?:=?blockSize?-?len(data)%blockSize
????//組裝填充值([]byte)
????var?paddingData?=?[]byte{byte(padding)}
????paddingData?=?bytes.Repeat(paddingData,?padding)
????//append填充
????data?=?append(data,?paddingData...)
????return?data
}

func?unPaddingWithPKCS5(data?[]byte)?[]byte?{
????padding?:=?int(data[len(data)-1])
????return?data[:len(data)-padding]
}

3. AES

AES 擁有三種不同的密鑰長度抵抗蠻力攻擊，分別為 128 位，192 位和 256 位，分組大小為 128 位。

func?Encrypt(plainText?[]byte,?key?[]byte)?([]byte,?error)?{
????block,?err?:=?aes.NewCipher(key)
????if?err?!=?nil?{
????????return?nil,?err
????}

????blockSize?:=?block.BlockSize()?????????????????????//分組大小
????plainText?=?paddingWithPKCS5(plainText,?blockSize)?//填充

????var?cipherText?=?make([]byte,?len(plainText))

????//CBC模式
????blockMode?:=?cipher.NewCBCDecrypter(block,?key[:blockSize])
????blockMode.CryptBlocks(cipherText,plainText)
????return?cipherText,?nil
}

func?Decrypt(cipherText?[]byte,?key?[]byte)?([]byte,?error)?{
????block,?err?:=?aes.NewCipher(key)
????if?err?!=?nil?{
????????return?nil,?err
????}

????blockSize?:=?block.BlockSize()?//分組大小

????var?plainText?=?make([]byte,?len(cipherText))

????//CBC模式
????blockMode?:=?cipher.NewCBCEncrypter(block,?key[:blockSize])
????blockMode.CryptBlocks(plainText,?cipherText)

????plainText?=?unPaddingWithPKCS5(plainText)

????return?plainText,?nil
}

引用資料

《維基百科》《深入淺出密碼學——常用加密技術(shù)原理與應(yīng)用》

最后

如有錯誤，請不吝賜教！Thanks！

附上代碼鏈接：https://github.com/pyihe/secret。