加密算法系列之：des加密、aes加密、3des加密、对称加密、非对称加密、Hash 算法

加密算法导读

• 加密一般分为对称加密(Symmetric Key Encryption)和非对称加密(Asymmetric Key Encryption)

• 常见的对称加密算法：DES、3DES、DESX、Blowfish、IDEA、RC4、RC5、RC6 和 AES

• 常见的非对称加密算法：RSA、ECC （移动设备用）、Diffie-Hellman、El Gamal、DSA （数字签名用）

• 常见的 Hash 算法：MD2、MD4、MD5、HAVAL、SHA、SHA-1、HMAC、HMAC-MD5、HMAC-SHA1

• 分组加密算法中，有ECB,CBC,CFB,OFB这几种算法模式

什么是对称密码算法

• 网络安全通信中要用到两类密码算法，加密一般分为对称加密(Symmetric Key Encryption)和非对称加密(Asymmetric Key Encryption)。对称密码算法有时又叫传统密码算法、秘密密钥算法或单密钥算法，非对称密码算法也叫公开密钥密码算法或双密钥算法。对称密码算法的加密密钥能够从解密密钥中推算出来，反过来也成立。在大多数对称算法中，加密解密密钥是相同的。它要求发送者和接收者在安全通信之前，商定一个密钥。对称算法的安全性依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都能对消息进行加密解密。只要通信需要保密，密钥就必须保密。

• 对称算法又可分为两类。一次只对明文中的单个位（有时对字节）运算的算法称为序列算法或序列密码。另一类算法是对明文的一组位进行运算，这些位组称为分组，相应的算法称为分组算法或分组密码。现代计算机密码算法的典型分组长度为64位――这个长度既考虑到分析破译密码的难度，又考虑到使用的方便性。后来，随着破译能力的发展，分组长度又提高到128位或更长。

• 常用的采用对称密码术的加密方案有5个组成部分：

  • 1)明文：原始信息。
  • 2)加密算法：以密钥为参数，对明文进行多种置换和转换的规则和步骤，变换结果为密文。
  • 3)密钥：加密与解密算法的参数，直接影响对明文进行变换的结果。
  • 4)密文：对明文进行变换的结果。
  • 5)解密算法：加密算法的逆变换，以密文为输入、密钥为参数，变换结果为明文。

• 分组加密算法中，一般有ECB,CBC,CFB,OFB这几种算法模式。

什么是DES加密

• DES是Data Encryption Standard（数据加密标准）的缩写。它是由IBM公司研制的一种对称密码算法，美国国家标准局于1977年公布把它作为非机要部门使用的数据加密标准，三十年来，它一直活跃在国际保密通信的舞台上，扮演了十分重要的角色。

• DES是一个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密用的是同一个算法。它的密钥长度是56位（因为每个第8 位都用作奇偶校验），密钥可以是任意的56位的数，而且可以任意时候改变。其中有极少数被认为是易破解的弱密钥，但是很容易避开它们不用。所以保密性依赖于密钥。

• DES加密的算法框架如下：

  • 首先要生成一套加密密钥，从用户处取得一个64位长的密码口令，然后通过等分、移位、选取和迭代形成一套16个加密密钥，分别供每一轮运算中使用。

• DES解密过程：

  • 在了解了加密过程中所有的代替、置换、异或和循环迭代之后，读者也许会认为，解密算法应该是加密的逆运算，与加密算法完全不同。恰恰相反，经过密码学家精心设计选择的各种操作，DES获得了一个非常有用的性质：加密和解密使用相同的算法！

加密工作模式：ECB、CBC、CFB、OFB

• ECB   电子密码本模式：Electronic codebook  每块堵路加密 

  • 优点：分块处理 并行处理

  • 缺点：同样的原文得到相同的密文  容易被攻击

• CBC 密码分组链接：Cipher-block chaining  每块加密依赖前一块的密文

  • 优点：同样的原文得到不同的密文  原文微下的改变影响后面全部密文

  • 缺点：加密需要串行处理  误差传递

• CFB Cipher Feedback (CFB)/密文反馈模式

  • 密文反馈（CFB，Cipher feedback）模式类似于CBC，可以将块密码变为自同步的流密码；工作过程亦非常相似，CFB的解密过程几乎就是颠倒的CBC的加密过程：需要使用一个与块的大小相同的移位寄存器，并用IV将寄存器初始化。然后，将寄存器内容使用块密码加密，然后将结果的最高x位与平文的x进行异或，以产生密文的x位。下一步将生成的x位密文移入寄存器中，并对下面的x位平文重复这一过程。解密过程与加密过程相似，以IV开始，对寄存器加密，将结果的高x与密文异或，产生x位平文，再将密文的下面x位移入寄存器。
  • 与CBC相似，平文的改变会影响接下来所有的密文，因此加密过程不能并行化；而同样的，与CBC类似，解密过程是可以并行化的。

• OFB Output Feedback (OFB)/输出反馈模式

  • 输出反馈模式（Output feedback, OFB）可以将块密码变成同步的流密码。它产生密钥流的块，然后将其与平文块进行异或，得到密文。与其它流密码一样，密文中一个位的翻转会使平文中同样位置的位也产生翻转。这种特性使得许多错误校正码，例如奇偶校验位，即使在加密前计算而在加密后进行校验也可以得出正确结果。
  • 每个使用OFB的输出块与其前面所有的输出块相关，因此不能并行化处理。然而，由于平文和密文只在最终的异或过程中使用，因此可以事先对IV进行加密，最后并行的将平文或密文进行并行的异或处理。
  • 可以利用输入全0的CBC模式产生OFB模式的密钥流。这种方法十分实用，因为可以利用快速的CBC硬件实现来加速OFB模式的加密过程。

什么是3DES加密

• 3DES，即triple-DES，简单地说就是3次DES加解密的组合。现已不推荐使用。（E表示Encrypt，D表示Decrypt。）
• 加密：cipthertext = E(k3, D(k2, E(k1, plaintext)))
• 解密：plaintext = D(k1, E(k2, D(k3, ciphertext)))
• 特点：如果三个密钥都一样，拿刚好和DES一样。

什么是AES加密

• AES, Advanced Encryption Standard，是现行的对称加密标准。目前（2017）如果使用对称加密，应该使用AES。当然，只能说当前AES算法是安全的，不能保证AES永远都是安全的。
• 分组：128bit。
• 密钥：128bit、192bit、256bit。
• Go语言包只支持128bit，因此下例子中使用的是128bit

DSA （Digital Signature Algorithm）

• DSA（Digital Signature Algorithm）是Schnorr和ElGamal签名算法的变种，被美国NIST作为DSS(DigitalSignature Standard)。

• DSA加密算法主要依赖于整数有限域离散对数难题，素数P必须足够大，且p-1至少包含一个大素数因子以抵抗Pohlig &Hellman算法的攻击。M一般都应采用信息的HASH值。DSA加密算法的安全性主要依赖于p和g，若选取不当则签名容易伪造，应保证g对于p-1的大素数因子不可约。其安全性与RSA相比差不多。

• DSA 一般用于数字签名和认证。在DSA数字签名和认证中，发送者使用自己的私钥对文件或消息进行签名，接受者收到消息后使用发送者的公钥来验证签名的真实性。DSA只是一种算法，和RSA不同之处在于它不能用作加密和解密，也不能进行密钥交换，只用于签名,它比RSA要快很多.

ECC （Elliptic Curves Cryptography），椭圆曲线密码编码学。

• 椭圆曲线密码学（英语：Elliptic curve cryptography，缩写为ECC），一种建立公开密钥加密的算法，基于椭圆曲线数学。椭圆曲线在密码学中的使用是在1985年由Neal Koblitz和Victor Miller分别独立提出的。

• 椭圆曲线密码学的主要优势是在某些情况下它比其他的方法使用更小的密钥 — — 比如RSA加密算法 — — 提供相当的或更高等级的安全。椭圆曲线密码学的另一个优势是可以定义群之间的双线性映射，基于Weil对或是Tate对；双线性映射已经在密码学中发现了大量的应用，例如基于身份的加密。不过一个缺点是加密和解密操作的实现比其他机制花费的时间长。

• 椭圆曲线密码学,是一种建立公开密钥加密的算法,也就输非对称加密.类似的还有RSA,EIGamal算法等.ECC被公认为在给定密钥长度下最安全的加密算法.

双线性映射解释：在数论中，一个双线性映射是由两个向量空间上的元素，生成第三个向量空间上一个元素之函数，并且该函数对每个参数都是线性的。

什么是RSA

• RSA加密算法是一种非对称加密算法，在公开密钥加密和电子商业中被广泛使用。RSA是1977年由罗纳德·李维斯特（Ron Rivest）、阿迪·萨莫尔（Adi Shamir）和伦纳德·阿德曼（Leonard Adleman）一起提出的。当时他们三人都在麻省理工学院工作。RSA就是他们三人姓氏开头字母拼在一起组成的。

• 这种算法非常可靠，密钥越长，它就越难破解。根据已经披露的文献，目前被破解的最长RSA密钥是768个二进制位。也就是说，长度超过768位的密钥，还无法破解（至少没人公开宣布）。因此可以认为，1024位的RSA密钥基本安全，2048位的密钥极其安全。

• RSA算法用到的数学知识

  • 寻找两个不相同的质数
  • 模运算
  • 互质数,又称互素。若N个整数的最大公因子是1，则称这N个整数互质。
  • 指数运算
  • 同余
  • 根据欧拉函数和欧拉公式
  • 模反元素

ECC 和 RSA 相比

• 抗攻击性强。相同的密钥长度，其抗攻击性要强很多倍。
• 计算量小，处理速度快。ECC 总的速度比 RSA、DSA 要快得多。
• 存储空间占用小。ECC 的密钥尺寸和系统参数与 RSA、DSA 相比要小得多，意味着它所占的存贮空间要小得多。这对于加密算法在 IC 卡上的应用具有特别重要的意义。
• 带宽要求低。当对长消息进行加解密时，三类密码系统有相同的带宽要求，但应用于短消息时 ECC 带宽要求却低得多。带宽要求低使 ECC 在无线网络领域具有广泛的应用前景。

什么是非对称加密

公开密钥加密（英语：public-key cryptography，又译为公开密钥加密），也称为非对称加密（asymmetric cryptography），一种密码学算法类型，在这种密码学方法中，需要一对密钥(其实这里密钥说法不好，就是“钥”)，一个是私人密钥，另一个则是公开密钥。这两个密钥是数学相关，用某用户密钥加密后所得的信息，只能用该用户的解密密钥才能解密。如果知道了其中一个，并不能计算出另外一个。因此如果公开了一对密钥中的一个，并不会危害到另外一个的秘密性质。称公开的密钥为公钥；不公开的密钥为私钥。--wiki百科

• 指的是加、解密使用不同的密钥，一把作为公开的公钥，另一把作为私钥。公钥加密的信息，只有私钥才能解密。反之，私钥加密的信息，只有公钥才能解密。俗话来说：“要想使用非对称加密算法，首先要有一对key，一个被称为private key私钥，一个成为public key公钥，然后可以把你的public key分发给想给你传密文的用户，然后用户使用该public key加密过得密文，只有使用你的private key才能解密，也就是说，只要你自己保存好你的private key，就能确保，别人想给你发的密文不被破解，所以你不用担心别人的密钥被盗，没关系。 ”

Hash 算法

• Hash 算法特别的地方在于它是一种单向算法，用户可以通过 Hash 算法对目标信息生成一段特定长度的唯一的 Hash 值，却不能通过这个 Hash 值重新获得目标信息。因此 Hash 算法常用在不可还原的密码存储、信息完整性校验等。

• 单向散列函数一般用于产生消息摘要，密钥加密等，常见的有：

  • MD5 （Message Digest Algorithm 5）：是 RSA 数据安全公司开发的一种单向散列算法，非可逆，相同的明文产生相同的密文；
  • SHA （Secure Hash Algorithm）：可以对任意长度的数据运算生成一个 160 位的数值。

• SHA-1 与 MD5 的比较 :

  • 因为二者均由 MD4 导出，SHA-1 和 MD5 彼此很相似。相应的，他们的强度和其他特性也是相似，但还有以下几点不同：

  • 对强行供给的安全性：最显著和最重要的区别是 SHA-1 摘要比 MD5 摘要长 32 位。使用强行技术，产生任何一个报文使其摘要等于给定报摘要的难度对 MD5 是 2128 数量级的操作，而对 SHA-1 则是 2160 数量级的操作。这样，SHA-1 对强行攻击有更大的强度；

  • 对密码分析的安全性：由于 MD5 的设计，易受密码分析的攻击，SHA-1 显得不易受这样的攻击；

  • 速度：在相同的硬件上，SHA-1 的运行速度比 MD5 慢。

对称加密与非对称加密对比

• 在管理方面：公钥密码算法只需要较少的资源就可以实现目的，在密钥的分配上，两者之间相差一个指数级别（一个是 n 一个是 n2）。所以私钥密码算法不适应广域网的使用，而且更重要的一点是它不支持数字签名；

• 在安全方面：由于公钥密码算法基于未解决的数学难题，在破解上几乎不可能。对于私钥密码算法，到了 AES 虽说从理论来说是不可能破解的，但从计算机的发展角度来看。公钥更具有优越性；

• 从速度上来看：AES 的软件实现速度已经达到了每秒数兆或数十兆比特。是公钥的 100 倍，如果用硬件来实现的话这个比值将扩大到 1000 倍。

• 对称加密优缺点：对称加密相比非对称加密算法来说，加解密的效率要高得多、加密速度快。但是缺陷在于对于密钥的管理和分发上比较困难，不是非常安全，密钥管理负担很重。

• 非对称加密优缺点：安全性更高，公钥是公开的，密钥是自己保存的，不需要将私钥给别人。缺点：加密和解密花费时间长、速度慢，只适合对少量数据进行加密。

DES、3DES、AES、RSA（非对称加密）Go语言实现

代码托管已上传到Github，请访问连接查看：Go语言实现加密算法

Notice

• 非对称加密安全，但是效率比较慢，对称加密效率高，但是不安全。
• 一般来说，密钥越长，运行的速度就越慢，应该根据的我们实际需要的安全级别来选择，一般来说，RSA 建议采用 1024 位的数字，ECC 建议采用 160 位，AES 采用 128 为即可。

参考：

wiki百科-公开密钥加密

白话-对称加密算法 vs 非对称加密算法

对称加密算法和分组密码的模式

一文读懂对称加密算法、非对称加密算法和 Hash 算法

ECC椭圆曲线加密算法

RSA算法详解