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所謂對稱密碼，是指在加密和解密時使用的都是同一密鑰，比如之前提到的愷撒密碼。而非對稱密碼，也稱之為公鑰密碼，是指在加密和解密時使用不同密鑰的方式。
本章會主要介紹幾種對稱密碼，如DES、三重DES、AES等，在這之前，要先了解一下什麽是比特序列運算。

1、比特序列運算

在這之前，我們先來看一個異或運算（不同取1，相同取0），假如有二進制數01001100為A，10101010為B，則兩者異或結果為C：

A 0100 1100
B 1010 1010
C 1110 0110

將異或的結果C和B再進行異或運算，結果又會變回A：

C 1110 0110
B 1010 1010
A 0100 1100

上面的計算，就和加解密的步驟非常相似：

• A是明文，B是密鑰，C是密文
• 發送者將A通過密鑰B加密得到C，接收者將收到的C通過密鑰B解密得到A

而我們知道，計算機的操作對象並不是文字，而是由0和1排列組成的比特序列。所以加密的過程，實際上就是將表示明文的比特序列，轉換為表示密文的比特序列。
由於同一個比特序列進行兩次異或運算後會回到最初的狀態，不妨來一個由很多點組成的圖像“字母D”，如下圖，白點作為0，黑點作為1：
由此看到，這裏使用的蒙版就是一個比特序列，使用異或運算將原來的圖像進行了掩蓋。 當然，這裏只是為了形象地表示，實際上在計算機中，圖片雖然也是0和1的序列，但並不是按如上使用0和1進行類似像素描點來展示的。但不論如何我們已經知道，數據可以通過一個隨機的比特序列進行異或運算，達到加密的目的。

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2、DES

Data Encryption Standard 是1977年美國聯邦信息處理標準中采用的一種對稱密碼，但是隨著計算機的進步，DES已經能夠在數小時能被暴力破解，所以我們現在也不應該再使用DES了。
DES是一種將64比特的明文加密成64比特的密文的對稱密碼算法，這裏的64比特的單位成為分組。DES的密鑰長度為56比特，另外還有7比特用於設置錯誤檢查。由於其基本結構是由Horst Feistel設計，因此也稱為Feistel網絡。

2.1 Feistel網絡的加密

Feistel網絡中，加密的各個步驟稱之為“輪”，整個加密過程就是進行若幹次輪循環。
Feistel網絡中，每一輪都需要使用不同的密鑰，因為它只是一個局部密鑰，所以稱為子密鑰。加密算法如上圖，明文被分為左側和右側兩部分，輪函數根據右側數據和子密鑰，計算出一串比特序列，用該序列和左側數據進行異或運算，作為加密後的左側數據。
但這樣一來右側根本就沒有加密，所以在下一輪需要將左右側數據對調，再換一個子密鑰繼續進行加密，說白了，就是把之前沒加密的右側數據也加密。每輪處理32比特，最後一輪結束後不需要對調。
如下圖加密96比特明文，即進行三輪加密：

2.2 Feistel網絡的解密

不論輪函數具體是什麽，根據異或運算的特性，Feistel網絡的解密，只需要把每輪加密的結果使用相同的子密鑰重新運算一次，即可還原為明文，如下圖：

2.3 Feistel網絡的性質

• 無論使用任何輪函數都可以正確解密
• 加密和解密可以用完全相同的結構來實現，只是循環次數不同

2.4 三重DES

三重DES就是將DES重復三次得到的一種密碼算法，通常縮寫為3DES。它的加密機制如下圖所示： 由於DES密鑰長度為56比特，所以三重DES的密鑰長度則為56*3=168比特。
從上圖我們可以看出，3DES並不是進行三次加密，而是進行了加密、解密、加密。這裏加入解密是為了兼容原來的DES，將三重加密都使用相同密鑰，那麽在加密和解密後得到的還是明文，再進行第三次加密，即和原來的DES效果相同。因此，以前DES加密的秘聞，也可以通過3DES解密。

• 如果所有密鑰都相同，則結果和普通的DES等價
• 如果密鑰1、3相同，2不同，則稱為DES-EDE2
• 密鑰完全不同，則稱為DES-EDE3

3DES的解密過程和加密過程正好相反，是以密鑰3、2、1的順序執行 “解密、加密、解密” 的操作。
盡管3DES目前還被銀行等機構使用，但是其處理速度不高，且安全性方面也逐漸顯現了一些問題。

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3、AES

DES的安全性逐漸出現了一些問題，自然就出現了取代它的 Advanced Encryption Standard，這種加密算法是從眾多候選算法中評選出的名為Rijndael的對稱密碼算法，確定其成為AES。Rijndael沒有使用Feistel網絡，而是使用了SPN結構。
DES的分組是64比特，而Rijndael的分組則是128比特，也就是16字節，它的算法首先需要逐個字節地進行SubBytes處理，所謂SubBytes，即以每個字節的值（0~255中任意值）為索引，從一張擁有256個值得替換表中找出對應值的處理，也就是說，把一個1字節的值替換為另一個1字節的值，這類似於簡單替換密碼，不過是256個字母的版本。
SubBytes之後要進行ShiftRows處理，即將SubBytes的輸出以字節為單位進行打亂，這種打亂是有規律的。ShiftRows之後進行MixColumns處理，即對一個4字節的值進行比特運算，將其變為另一個4字節值。
最後，將MixColumns的輸出與輪密鑰進行異或運算（Rijndael算法也是和Feistel一樣是采取輪的），即進行AddRoundKey，到這裏，Rijndael的一輪就結束了。實際上，在Rijndael中需要重復進行10~14輪計算。這種算法和之前的Feistel相比，因為輸入的所有比特都會被加密，而不是每輪只加密一半，所以優勢在於加密所需要的輪數更少。
小結一下加密過程就是：

• SubBytes：16個字節，每個字節進行替換表替換
• ShiftRows：平移行（有規律平移，如下圖，第一個字節移動到對應MixColumns的第一個字節，第二個字節對應第二個MixColumns的第二個字節，第三個對應第三個MixColumns的第三個，以此類推）
• MixColumns：對每4字節進行比特運算，變成另外的4字節值
• AddRoundKey：與輪密鑰進行異或運算

解密過程則分別存在反向運算InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns，這是因為Rijndale不像Feistel網絡一樣可以使用同種結構實現加密和解密。 在書中提到，Rijndael還沒有出現針對性的有效攻擊，但因其背後有著嚴謹的數學結構，從明文到密文的計算過程可以全部用公式表達，意味著能夠通過數學方法進行破譯，這為新的攻擊方式產生了可能。
盡管作者提到DES已能在數小時內破譯，但可能涉於篇幅對於DES也沒有案例進行破譯講解。所以DES和AES這部分的知識點大概也就這樣理解吧，了解就行。核心還是在於對稱密碼的特點，即加密和解密使用相同的密鑰，這裏的兩個算法都涉及以異或運算作為基礎。

《圖解密碼技術》[02] 對稱密碼