图解DES、3DES和AES加密算法

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一、DES

1. 加密和解密

DES是一种将64bit的明文加密成64bit的密文的对称加密算法。它的密钥长度是56bit。从规格上来讲，DES密钥长度是64bit，但是由于每隔7bit会设置一个用于校验检查的校验位，所以实质上密钥长度是56bit。64位的密钥都会被分成8个8位的块。其中，每个块的第7位都会被用作校验位，用于检验该块的其他7位中1的个数是否为奇数。如果不是奇数，那么校验位会被设置为1，否则为0。

这个校验位的目的是为了检查密钥的正确性和完整性，以确保在加密和解密过程中不会出现错误。如果密钥被篡改或者传输过程中发生了错误，那么校验位就会被检测出来，从而保证密钥的正确性和可靠性。

DES是以64bit的明文为一个单位来进行分组加密的，所以DES每次只能加密64bit的数据。如果需要加密很长的数据，就需要对DES加密进行迭代，而迭代的具体方式就称为模式（ECB、CBC、CFB、OFB、CTR）。

2. DES的结构(Feistel网络)

DES的基本结构是由Horst Feistel设计的，因此也叫Feistel网络、Feistel 结构 或者Feistel密码。很多密码算法中都用到这种结构。
在Feistel网络中，加密的各个步骤称之为轮，整个加密过程就是进行若干次轮的循环。DES 是一种16轮循环的Feistel网络。

上图表示Fesitel网络中的一轮，根据上图讲解一下Fesitel网络的具体结构。

1. 上面两个方框表示本轮要加密的64bit 明文，输入的数据会被分为左右两个部分分别处理。
2. 下面两个方框表示本轮输出的左侧（密文）和右侧（明文）
3. 中间的子密钥指的是本轮加密所使用的密钥，在Fesitel网络中，每一轮都需要不同的子密钥。由于子密钥只是在一轮中使用，所以它是局部密钥，因此才被称为子密钥。
4. 轮函数 的作用是根据 右侧 和 子密钥 生成对左侧进行加密的bit序列，它是密码系统的核心。将轮函数输出的bit序列与左侧进行异或运算，其结果就是加密后的左侧。
5. 输入的右侧将直接输出

生成子密钥的过程如下：

1. 首先，将64位的密钥通过一个称为初始置换（Initial Permutation）的置换表进行重排，得到一个56位的密钥，其中8位被用作校验位，不参与后续的计算。
2. 然后，将这个56位的密钥分成左右两个28位的部分，分别称为C0和D0。
3. 接下来，对C0和D0进行16轮的迭代，每轮迭代都包括以下步骤：
   a. 对Cn和Dn进行左移操作，得到Cn+1和Dn+1。左移操作将Cn和Dn的位数分别向左移动1或2位，具体的移动次数由轮数决定。
   b. 将Cn+1和Dn+1合并成一个56位的密钥Kn+1，通过一个称为压缩置换（Compression Permutation）的置换表进行重排，得到一个48位的子密钥Kn。
   c. 将生成的子密钥Kn存储起来，作为加密和解密时使用的密钥。
   
   
   
4. 最后，经过16轮迭代之后，就生成了16个48位的子密钥，这些子密钥被用于加密和解密数据。

二、3DES

1. 3DES加密

3DES也是三重DES，是为了增加DES的强度，将DES重复3次所得到的一种加密算法。

由于DES密钥长度实质上是56bit，此三重DES的密钥长度就是3*56=168 bit。
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。为什么加密算法中要加入解密算法呢？其目的是为了让3DES兼容普通的DES。
当三重DES中所有密钥都相同时，三重DES就等于普通的DES了。因为前两次加密-解密得到的就是最初的明文，然后在进行一次DES加密，就相当于只做了一次DES加密。因此以前用DES加密的密文，也能用3DES来进行解密。

如果密钥1和密钥3相同，密钥2使用不同的密钥，这种三重DES就称为 DES_EDE2，如下图：

2. 3DES解密

三、AES

AES也是分段加密的，它是取代DES而成为新标准的一种对称密码算法。

1. AES最终候选算法和算法确定

AES最终候选算法名单

最终Rijndael，被NIST选定为AES标准

2. Rijndael

2.1 什么是Rijndael

Rijndael的分组长度和密钥长度可以分别以32bit为单位在128bit~256bit范围内进行选择，不过在AES的规格中，分组长度固定为128bit，密钥长度只有128、192和256bit 三种。

2.2 Rijndael的加密和解密

和DES一样，Rijndael算法也是由多个轮构成，其中每一轮分别为SubBytes（逐字节替换）、ShiftRows（平移行）、MixColumns（混合列） 和 AddRoundKey（与轮密钥异或） 共4个步骤。

3. AES密钥生成

上面讲了明文加密过程，现在讲一下AES密钥生成过程.

128位密钥也是用字节为单位的矩阵表示，矩阵的每一列被称为1个32位比特字。通过密钥编排函数该密钥矩阵被扩展成一个44个字组成的序列W[0],W[1], … W[42],W[43]，该序列的前4个元素W[0],W[1],W[2],W[3]是原始密钥，用于加密运算中的初始轮AddRoundKey。后面40个字分为10组，每组4个字（128比特）分别用于10轮加密运算中的AddRoundKey，如下图所示：

图片来源：密码学基础：AES加密算法

4. AES算法流程图

每一轮加密中，都会依次执行SubBytes、ShiftRows、MixColumns和AddRoundKey四个操作，其中AddRoundKey操作在第一轮加密是唯一的操作。在最后一轮加密中，没有MixColumns操作，只有SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey操作。

因此，总的来说，AES加密算法的轮数为11轮（10轮加密和1轮初始轮）或13轮（12轮加密和1轮初始轮）或15轮（14轮加密和1轮初始轮），具体取决于所使用的密钥长度。

参考博客：The Design of Rijndael、密码学基础：AES加密算法、AES加密算法的详细介绍与实现

参考书籍：《图解加解密技术》