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對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有

云知道對稱

1.對稱密碼基礎
加密是為了防止要傳達的內容被別人知道 。例如 ， 你如果想在課堂上傳小紙條給后位小紅說：i love coding ， 但又怕在遞紙條的過程中被老師看到 ， 知道了你的心思 ， 于是將每個字母變字母表中的后一個字母（如a變成b ， i變成j ， z變成a） ， 得到密文：j mpwf dpejoh ， 這樣即老師人拿到這紙條 ， 也不知道你說的是什么 。
這就是一個加密的過程 ， 把原本的內容稱為明文 ， 一般用p表示；加密后得到的內容稱為密文 ， 一般用c表示；而加密的這個過程可以看做是一個加密函數E ， 即
c=E(p)
E是指Encrypt ， 函數輸入是明文 ， 輸出是加密之后的密文 。上面的例子中i love coding便是明文 ， j mpwf dpejoh便是密文 ， 而把字母在字母表中向后移動一位的操作就是加密函數 。
在小紅得到小紙條后 ， 可以根據你加密的方法 ， 將每個字母變成字母表中的前一個字母 ， 就可以從你的密文小紙條得到你要說的內容i love coding ， 心領神會 ， 順便還會懷疑一下你的腦袋……無論怎樣 ， 這個解密的過程就也可以看做是一個解密函數D ， 即
p=D(c)
D是指Decrypt ， 函數輸入是密文 ， 輸出是解密之后的明文 。
在這個過程這種 ， 小紅能夠成功解密小紙條的前提是 ， 你得和她在課前約定好你加密的時候移動的是1位 ， 2位還是幾位 ， 不然他就會和老師一樣一臉懵逼 ， 不知道你在說啥 。你們提前約定好的這個“幾位” ， 就是加密和解密的密鑰k ， 你會根據這個秘鑰來進行加密 ， 小紅會根據這個秘鑰來進行解密 。
所以你的傳紙條的動作抽象成這個過程：
明文p---->加密函數E---->密文c---->傳輸---->密文c----->解密函數D---->明文p
或者用公式來表達是：
c=Dk(Ek(c))
用大白話說就是：明文用同一個密鑰先加密再解密得到的還是同一個明文（等于沒說…）
從這里我們可以總結出加密體質的五個要素：{明文p ， 密文c ， 密鑰k ， 加密函數E ， 解密函數D} ， 對稱解密的的意思就是說 ， 加密和解密的密鑰是一樣的 ， 上面的過程是不是正好很對稱呢?
為了方便使用 ， 不用每次自己手動掰手指數字符 ， 你還寫了Python程序：
# 移位密碼
def _move_leter(letter, n):
"""
把字母變為字母表后n位的字母,z后面接a
:param letter: 小寫字母
:param n: 要移動的字母
:return: 移動的結果
"""
return chr((ord(letter) - ord('a') + n) % 26 + ord('a'))
def Encrypt(k, p):
"""
移位密碼加密函數E
:param k: 秘鑰k,每個字母在字母表中移動k位
:param p: 明文p
:return: 密文c
"""
letter_list = list(p.lower())
c = ''.join([_move_leter(x, k) for x in letter_list])
return c
def Decrypt(k, c):
"""
移位密碼解密函數D
:param k: 秘鑰k,每個字母在字母表中移動k位
:param c: 密文c
:return: 明文p
"""
letter_list = list(c.lower())
p = ''.join([_move_leter(x, -k) for x in letter_list])
return p
if __name__ == '__main__':
p = 'ilovecoding'
print('明文：' + p)
print('密文：' + Encrypt(1, p))
print('解密：' + Decrypt(1, Encrypt(1, p)))
assert Decrypt(1, Encrypt(1, p)) == p
運行這段代碼 ， 就可以看到輸出了：
明文：ilovecoding
密文：jmpwfdpejoh
解密：ilovecoding
終于 ， 現在你能和你的小紅秘密地傳達紙條內容了 ， 迎來全班人羨慕的目光 ， 從此走上人生巔峰 ， 本文到此結束 。
…Hey ， 醒醒…
2.密碼分析
面對你倆日益頻繁的紙條往來 ， 老師終于坐不住了 ， 他想知道你倆寫的到底是啥 ， 于是在某次逮到你遞紙條之后 ， 決定下功夫破解你所使用的密碼 ， 也就是密碼分析 。
根據他的了解 ， 以你的水平 ， 最可能用的就是移位密碼 ， 但具體每次移動了幾位 ， 無法直接觀察得出 。不過他又一想 ， 你移動的位數頂多是25位 ， 因為 ， 移動26位的效果等于沒移動 ， 移27位的效果不就跟移動1位的效果是一樣的嘛！這就是說 ， 你的密碼只能是0-25中的某一個數字 ， 而不可能是其他的 ， 就這么二十幾個秘鑰 ， 一個一個試就能知道你寫的是啥！
老師果然聰明絕頂 ， 關鍵是也還會Python ， 就索性寫了一個程序 ， 每次嘗試用不同的秘鑰來進行解密 ， 并觀察解密出來的內容是否有意義：
def analyze(c):
"""
移位密碼分析
:param c: 密文c
:return:
"""
for k in range(26):
# 用不同的秘鑰k嘗試解密
print('秘鑰%d：' % k + Decrypt(k, c))
if __name__ == '__main__':
c = 'jmpwfdpejoh'
analyze(c)
運行程序輸出結果為：
秘鑰0：jmpwfdpejoh
秘鑰1：ilovecoding
秘鑰2：hknudbnchmf
秘鑰3：gjmtcambgle
...........
逐行觀察輸出結果 ， 到第二行的時候就能看到原來的明文 ， 也就知道了你要對小紅說的內容以及你們所約定的秘鑰 。面對你冒著巨大風險在課堂上所傳遞的紙條內容 ， 老師心里可能也是復雜的…
Anyway ， 你的小秘密已經被老師知道了 ， 此時比較灰心 ， 一直在想 ， 究竟是什么原因致使紙條計劃失敗？其實原因很明顯 ， 各位也看出來了 ， 小明所使用的加密體制中 ， 可用的秘鑰太少 ， 或者說秘鑰空間太小 ， 別人直接一一列舉進行窮搜就能破解 ， 這就提示我們：一個好的加密體制 ， 它的秘鑰空間應該是足夠大的 。
其實 ， 你此次所用的移位密碼是古典的加密體制之一 ， 據說凱撒打仗時就用這種方法與將軍們聯系 ， 所以位移密碼也叫凱撒密碼（Caesar cipher） 。類似的還有代換密碼 ， 仿設射密碼等等 ， 都是將單個字母替換成別的字母 ， 來達到加密的目的 。報紙上的猜謎游戲就經常用這些方法 ， 一般根據字母頻率進行破解 ， 有興趣可以進行進一步的了解 。
所以到底要用什么樣的加密方法 ， 才能保證我和小紅的秘密不被人偷窺呢？
2.1 密碼分析情形
俗話說 ， 知己知彼 ， 百戰不殆 ， 了解破解者的密碼分析方法 ， 或許能夠幫助我們想出更安全的密碼體制 ?？梢栽诓煌那樾蜗驴疾烀艽a體制的安全性 ， 一般我們都假設破解者知道我們所使用的密碼體制 ， 也就是說 ， 不把密碼體制的安全性寄托在加密和解密方法的保密性上 ， 而是放在秘鑰上 。
破解者的目的就是找出所使用的秘鑰 ， 常見的有以下幾種攻擊情形：
唯密文攻擊： 破解者擁有密文c 。這就是老師破解紙條的情形 。
已知明文攻擊： 破解者擁有一些明文p及其對應的密文c ?？紤]到實際情形 ， 這個假設是比較合理的 ， 例如破解者獲得一封郵件加密后的密文 ， 可以猜測一個詞很可能是'hi'或者'dear' ， 這樣就可能找到一個明文–密文對 。
選擇明文攻擊： 破解者能夠指定一個明文p ， 獲得其對應的密文c ， 較強的假設 。
選擇密文攻擊： 破解者指定一個密文c ， 獲得其對應的明文 ， 較強的假設 。
天啊 ， 你不禁驚呼 ， 在這么強的假設下 ， 真的會有密碼體制能夠存活嗎？
答案是有 ， 而且這種密碼體制已經被廣泛應用 ， 甚至可以說無處不在 ， 它就是AES（Advanced Encryption Standard） 。
3.SPN網絡
難道不是要介紹AES嗎 ， 怎么會變成SPN網絡 ， 這是啥？可以吃嗎？
AES、DES等很多現代對稱加密方法的核心就是SPN網絡 ， 它是代換-置換網絡（Substitution-Permutation Network）的縮寫 ， 是現代對稱加密方法設計的藍本 ?？梢哉f ， 了解SPN網絡 ， 就基本了解了AES 。
很巧的是 ， 這個網絡正好是容易理解的 。SPN網絡的思想很簡單：既然加密一次不夠安全 ， 那我就加密多次 ， 把第一次加密產生的密文再進行加密 ， 解密的時候我連續進行兩次解密就可以了 ， 這樣是不是就安全了一些呢？
對于密碼體制 S1  ， 其加密與解密函數為 E1 與 D1 ， 對于密碼體制 S2 ， 其加密與解密函數為 E2 與 D2  ， 我構造出一個新的密碼體制 S3 ， 其加密函數為：
c=E2（E1(p)）
解密函數為：
p=D1(D2(c))
記為 S3=S1*S2
這樣破解 S3 就可能會困難些 。這個想法是不是很直接呢？這個思想在1949年才被提出 ， 而提出者 ， 可能理科生都多少聽過他的名字——香農（Shannon） 。
注意 ， 不是任何的加密體制都可以這樣“乘”起來變得更強 ， 例如對于你的移位密碼 ， 嵌套起來還是移位密碼（為什么？） ， 沒有任何改善 ， 即 S1*S1=S1 ， 這樣的密碼體制被稱為冪等的 。
如果密碼體制不是冪等的 ， 那么多次迭代就可能能夠提高安全性 ， SPN就是使用這種思想 ， 包含多輪的迭代 ， 每輪的操作都是相同的 。下面 ， 介紹SPN單輪的操作：
3.1 SPN單輪操作
SPN網絡是對一定長度的比特進行操作的 ， 在本文中的SPN網絡中 ， 一次加密的長度為16個比特 ， 即2字節 ， 也就是說每次加密16比特的明文 ， 輸出16比特的密文 。
一個SPN網絡包含多輪迭代 ， 每輪迭代的操作內容都一樣是：異或運算–>分組代換–>單比特置換
3.1.1 第一步——異或運算
異或運算是比較常見的二元比特運算 ， 用⊕表示 ， 其規則就是“相同得0 ， 不同得1”：
0 ⊕ 0 = 0
1 ⊕ 1 = 0
1 ⊕ 0 = 1
0 ⊕ 1 = 1
對于比特串 ， 直接按每一位對應進行計算即可以了：
0011 ⊕ 1010 = 1001
異或的有比較有意思的性質：一個比特串亦或另一個比特串兩遍 ， 還是等于他自己 ， 即a ⊕ b ⊕ b = a ， 這是因為a ⊕ b ⊕ b = a ⊕ ( b ⊕ b ) =a ⊕ 0 = a ， 可以帶入一些例子試試看 。
SPN網絡中 ， 每一輪的第一步就是把輸入的比特串w和秘鑰k進行亦或：u = w ⊕ k ， 如：
0001110000100011 = 0010011010110111 ⊕ 0011101010010100
這一步的目的是根據秘鑰對明文進行混淆 。如果你只知道輸出u而不知道秘鑰k ， 那么你就猜不出實際輸入的w是什么 ， 它是什么都可能 ， 而且是等概率的 。例如對于1 = a ⊕ b ， 不告訴你b是0還是1 ， 你就不知道a是什么 。而對于和操作 ， 如果知道1 = a and b ， 那么就能確定a與b都是1 。
這就是第一步 ， 是不是很簡單呢？
3.1.2 第二步——分組代換
這一步也很簡單 ， 將第一步輸出的16比特的串分為4組 ， 每組4比特 ， 即0001110000100011寫成0001 1100 0010 0011 。然后對于每組再根據事先所定的表進行代換 ， 代換表長這樣：
圖1
就拿第一列來說 ， 表的意思是：如果你是0（0000） ， 那么我要把你換成成E（1110） ， 就是一個簡單的映射操作 。
原比特串長這樣：0001 1100 0010 0011 <==> 1 C 2 3 ， 再對每個字母查表得到：4 5 D 1 <==> 0100 0101 1101 0001 ， 這樣就得到代換后的比特串0100 0101 1101 0001 ， 完成了第二步 。
這個表一般稱為S盒（Substitution） ， 這個過程可以用v = S(u)表示 ， u是第一步異或的結果 ， 也是第二步分組代換的輸入 ， v是第二步的輸出 。需要注意 ， S盒的輸入和輸出一般是非線性的關系 。
3.1.3 第三步——單比特置換
單比特置換是將16比特中的每一比特 ， 根據P盒（Permutation）移動挪位 ， 這樣說很不直觀 ， 直接上例子 ， P盒長這樣：
圖2
拿第二列來說 ， 表的意思是：第2個比特要挪到第5個比特的位置 ， 舉個好看的例子：
0100 0000 0000 0000 置換后為==> 0000 1000 0000 0000
這個例子里面第二個比特的1挪到了第五的位置 ， 而其他位置的比特都是0 ， 挪位置之后還是0 。
對于第二部輸出的結果1100 1101 1100 0100 ， 置換后的比特串為0010 1110 0000 0111 ， 這樣就完成了第三步 。
這一步可以用W = S(v)表示 ， v是第二部的輸出 ， 也是第三步的輸入 ， W是第三步的輸出 ， P盒置換是一種線性的變換 。
這三步放在一起結果如下 ， 建議讀者自己計算一遍：
w = 0010 0110 1011 0111
k = 0011 1010 1001 0100
第一步 ， 異或運算：
u = w ⊕ k = 0001 1100 0010 0011
第二步 ， 分組代換：
v = S(u) = 0100 0101 1101 0001
第三步 ， 單比特置換：
W = P(v) = 0010 1110 0000 0111
可以寫成：W = P( S(w ⊕ k) ) ， 這樣就完成了一輪迭代 ， 里面用到的參數有k ， S盒與P盒 ， 如圖（圖片來自維基百科）：圖3
3.2 SPN的多輪迭代
弄清楚一輪的流程 ， SPN整體就很容易明白了 ， 就是一輪一輪的乘起來 ， 上一輪的輸出作為這一輪的輸入：
w0 = x
w1 = P(S(w0 ⊕ k1))
w2 = P(S(w1 ⊕ k2))
w3 = P(S(w2 ⊕ k3))
w4 = P(S(w3 ⊕ k4))
y = w4
w0就是16比特的明文 ， w4是4輪操作后的16比特密文結果 ， 是不是很簡單？需要注意的是 ， 每一輪迭代的秘鑰k是不一樣的 ， 一般是由一個基礎秘鑰經特定秘鑰編排算法生成的 ， 而使用的S盒P盒都是相同的 ， 會提前確定好 ， 并且是公開的 。
下圖是一個三輪SPN網絡的示意圖（圖片來自維基百科）：圖4
注意在最后一輪去掉了代換操作 ， 這樣做可以使加密算法稍微做一些調整就可以用來進行解密 。
OK! SPN網絡就是這些內容 ， 你已經掌握了它 ， 如果你還想和小紅傳紙條的話 ， 可以試試用它加密 ， 會比移位密碼更安全一些 。
什么？自己手動代換置換太麻煩？不用怕 ， 貼心的我已經為你準備好了Python代碼 。
3.3 用Python實現SPN網絡
我實現的是4輪迭代的SPN網絡 ， 以及加密和解密算法 ， 其結構圖如下（圖片來自 Cryptography Theory and Practice ）：圖5
每次加密輸入16比特的明文 ， 輸出16比特的密文 ， 代碼如下：
# S盒參數
S_Box = [14, 4, 13, 1, 2, 15, 11, 8, 3, 10, 6, 12, 5, 9, 0, 7]
# P盒參數
P_Box = [1, 5, 9, 13, 2, 6, 10, 14, 3, 7, 11, 15, 4, 8, 12, 16]
def gen_K_list(K):
"""
秘鑰編排算法 ， 由一個32比特秘鑰生成5個16比特子秘鑰
:param K: 32比特秘鑰
:return: [k1,k2,k3,k4,k5] ， 五個16比特子秘鑰
"""
Ks = []
for i in range(5, 0, -1):
ki = K % (2 ** 16)
Ks.insert(0, ki)
K = K >> 4
return Ks
def pi_s(s_box, ur):
"""
分組代換操作
:param s_box:S盒參數
:param ur:輸入比特串 ， 16比特
:return:輸出比特串 ， 16比特
"""
vr = 0
for i in range(4):
uri = ur % (2 ** 4)
vri = s_box[uri]
vr = vr + (vri << (4 * i))
ur = ur >> 4
return vr
def pi_p(p_box, vr):
"""
單比特置換操作
:param p_box:P盒參數
:param vr:輸入比特串 ， 16比特
:return:輸出比特串 ， 16比特
"""
wr = 0
for i in range(15, -1, -1):
vri = vr % 2
vr = vr >> 1
wr = wr + (vri << (16 - p_box[i]))
return wr
def reverse_Sbox(s_box):
"""
求S盒的逆
:param s_box:S盒參數
:return:S盒的逆
"""
re_box = [-1] * 16
for i in range(16):
re_box[s_box[i]] = i
return re_box
def reverse_Pbox(p_box):
"""
求P盒的逆
:param s_box:P盒參數
:return:P盒的逆
"""
re_box = [-1] * 16
for i in range(16):
re_box[p_box[i] - 1] = i + 1
return re_box
def do_SPN(x, s_box, p_box, Ks):
"""
4輪的SPN網絡 ， 可以用來進行加密或解密
:param x: 16比特輸入
:param s_box: S盒參數
:param p_box: P盒參數
:param Ks: [k1,k2,k3,k4,k5] ， 五個16比特子秘鑰
:return: 16比特輸出
"""
wr = x
for r in range(3):
ur = wr ^ Ks[r] # 異或操作
vr = pi_s(s_box, ur) # 分組代換
wr = pi_p(p_box, vr) # 單比特置換
ur = wr ^ Ks[3]
vr = pi_s(s_box, ur)
y = vr ^ Ks[4]
return y
def encrypt(K, x):
"""
根據秘鑰K對16比特明文x進行加密
:param K:32比特秘鑰
:param x:16比特明文
:return:16比特密文
"""
Ks = gen_K_list(K)
return do_SPN(x, S_Box, P_Box, Ks)
def decrypt(K, y):
"""
根據秘鑰K對16比特密文y進行解密 。
:param K:32比特秘鑰
:param y:16比特密文
:return:16比特明文
"""
Ks = gen_K_list(K)
Ks.reverse() # 秘鑰逆序編排
# 秘鑰置換
Ks[1] = pi_p(P_Box, Ks[1])
Ks[2] = pi_p(P_Box, Ks[2])
Ks[3] = pi_p(P_Box, Ks[3])
s_rbox = reverse_Sbox(S_Box) # S盒求逆
p_rbox = reverse_Pbox(P_Box) # P盒求逆
return do_SPN(y, s_rbox, p_rbox, Ks)
if __name__ == '__main__':
x = 0b0010011010110111
K = 0b00111010100101001101011000111111
print('初始明文：', format(x, '016b'))
print('加密密文：', format(encrypt(K, x), '016b'))
print('解密結果：', format(decrypt(K, encrypt(K, x)), '016b'))
assert decrypt(K, encrypt(K, x)) == x
可以直接看do_SPN函數 ， 函數里面循環3次 ， 對應3輪迭代 ， 第4輪迭代沒有置換操作 。encrypt與decrypt函數調用do_SPN函數即可進行加密和解密操作（為什么可以調用SPN進行解密？可以對照代碼觀察SPN的結構想一想） ， 運行程序輸出為：
初始明文： 0010011010110111
加密密文： 1011110011010110
解密結果： 0010011010110111
至此 ， SPN網絡已經完全實現！那么它的安全性如何呢？
首先 ， 我們知道 ， 這個SPN網絡的秘鑰是32位的 ， 大約是有4百萬的候選秘鑰 ， 這個數量的秘鑰 ， 手動窮搜是很難的 ， 用計算機來窮搜就會比較容易了 ， 不過我們隨時對它進行改造 ， 增加秘鑰長度 ， 如256位 ， 這時候機器窮搜也不行了 。


對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有




對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有




對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有




對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有




對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有


一.什么是對稱加密
常見的加密方式分為三種：
1.正向加密：如MD5 ， 加密后密文固定 ， 目前還沒有辦法破解 ， 但是能夠通過數據庫撞庫有一定概率找到 ， 不過現在一般用這種方式加密都會加上鹽值 。
2.對稱加密：通過一個固定的對稱密鑰 ， 對需要傳輸的數據進行加密 ， 速度快 ， 但是安全性不高 ， 主要用于企業級內部系統中數據傳輸 。
3.非對稱加密：N把公鑰 ， 一把私鑰 ， 私鑰存放在服務器一方保管 ， 公鑰可以放在任意一個客戶端 ， 客戶端向服務器請求的密文只有拿到了秘鑰的服務器一端可以解密 。
【對稱加密如何實現,對稱加密的密鑰有】本文主要介紹對稱加密 。對稱加密是一種使用單鑰密碼系統的加密方法 ， 同一個密鑰可以同時用作信息的加密和解密 。由于其速度快 ， 對稱性加密通常在消息發送方需要加密大量數據時使用 。對稱加密也稱為密鑰加密 。所謂對稱 ， 就是采用這種加密方法的雙方使用方式用同樣的密鑰進行加密和解密 。密鑰是控制加密和解密過程的指令 。算法是一組規則 ， 規定如何進行加密和解密 。因此加密的安全性不僅取決于加密算法本身 ， 密鑰管理的安全性更是重要 。因為加密和解密都使用同一個密鑰 ， 如何把密鑰安全地傳遞到解密者手上就成了必須要解決的問題 。

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