DES, RC4, RC5, AES, RSA, MD5, SHA1 安全算法分析
1. 基于对称密钥的加密算法主要有DES、RC4、RC5, AES
对称加密(也叫私钥加密)指加密和解密使用相同密钥的加密算法。有时又叫传统密码算法，就是加密密钥能够从解密密钥中推算出来，同时解密密钥也可以从加密密钥中推算出来。而在大多数的对称算法中，加密密钥和解密密钥是相同的，所以也称这种加密算法为秘密密钥算法或单密钥算法。它要求发送方和接收方在安全通信之前，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可以对他们发送或接收的消息解密，所以密钥的保密性对通信性至关重要。
1.1 DES
全称为Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1976年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），随后在国际上广泛流传开来。
DES算法的入口参数有三个:Key、Data、Mode。其中Key为7个字节共56位,是DES算法的工作密钥;Data为8个字节64位,是要被加密或被解密的数据;Mode为DES的工作方式,有两种:加密或解密。
DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块,它所使用的密钥也是64位，其算法主要分为两步：
（1）初始置换
其功能是把输入的64位数据块按位重新组合,并把输出分为L0、R0两部分,每部分各长3 2位,其置换规则为将输入的第58位换到第一位,第50位换到第2位……依此类推,最后一位是原来的第7位。L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位,R0是右32位,例:设置换前的输入值为D1D2D3……D64,则经过初始置换后的结果为:L0=D58D50……D8;R0=D57D49……D7。
其置换规则见下表：
58,50,42,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,
62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8,
57,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,
61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7,
（2）逆置换
经过16次迭代运算后,得到L16、R16,将此作为输入,进行逆置换,逆置换正好是初始置换的逆运算，由此即得到密文输出。
1. 2 RC4算法
RC4算法的原理是“搅乱”，它包括初始化算法和伪随机子密码生成算法两大部分，在初始化的过程中， 密钥的主要功能是将一个256字节的初始数簇进行随机搅乱，不同的数簇在经过伪随机子密码生成算法的处理后可以得到不同的子密钥序列，将得到的子密钥序列和明文进行异或运算（XOR）后，得到密文。
由于RC4算法加密采用的是异或方式，所以，一旦子 密钥序列出现了重复，密文就有可能被破解，但是目前还没有发现密钥长度达到128位的RC4有重复的可能性，所以，RC4也是目前最安全的加密算法之一。
1. 3 RC5算法
RC5是种比较新的算法，Rivest设计了RC5的一种特殊的实现方式，因此RC5算法有一个面向字的结构：RC5-w/r/b，这里w是 字长其值可以是16、32或64对于不同的字长明文和密文块的分组长度为2w位，r是加密轮数，b是密钥 字节长度。由于RC5一个分组长度可变的 密码算法，为了便于说明在本文中主要是针对64位的分组w=32进行处理的，下面详细说明了RC5加密解密的处理过程：
（1）创建 密钥组
RC5算法加密时使用了2r+2个密钥相关的的32位字： ，这里r表示加密的轮数。创建这个密钥组的过程是非常复杂的但也是直接的，首先将密钥字节拷贝到32位字的数组L中(此时要注意处理器是little-endian顺序还是big-endian顺序)，如果需要，最后一个字可以用零填充。然后利用线性同余发生器模2初始化数组S：
对于i=1到2(r+1)-1： （本应模 ，本文中令w=32）
其中对于16位字32位分组的RC5，P=0xb7e1 Q=0x9e37
对于32位字和64位分组的RC5，P=0xb7e15163 Q=0x9e3779b9
对于64位字和128位分组，P=0xb7151628aed2a6b Q=0x9e3779b97f4a7c15
最后将L与S混合，混合过程如下：
i=j=0
A=B=0
处理3n次（这里n是2(r+1)和c中的最大值，其中c表示输入的密钥字的个数）
（2）加密处理
在创建完 密钥组后开始进行对明文的加密，加密时，首先将明文分组划分为两个32位字：A和B（在假设处理器 字节顺序是little-endian、w=32的情况下，第一个明文字节进入A的最低字节，第四个明文字节进入A的最高字节，第五个明文字节进入B的最低字节，以此类推），其中操作符<<<表示循环左移，加运算是模 （本应模 ，本文中令w=32）的。
输出的密文是在寄存器A和B中的内容
（3）解密处理
解密也是很容易的，把密文分组划分为两个字：A和B（存储方式和加密一样），这里符合>>>是循环右移，减运算也是模 （本应模 ，本文中令w=32）的。
1.4 AES算法
高级加密标准
（ 英语
：
Advanced Encryption Standard
， 缩写
：
AES
），在 密码学
中又称
Rijndael加密法
，是 美国联邦政府
采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的 DES
，已经被多方分析且广为全世界所使用。不同于它的前任标准DES，AES在软件及硬件上都能快速地加解密，相对来说较易于实作，且只需要很少的存储器。
AES的区块长度固定为128 比特，密钥长度则可以是128，192或256比特。AES加密有很多轮的重复和变换。大致步骤如下：1、密钥扩展（KeyExpansion），2、初始轮（Initial Round），3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最终轮（Final Round），最终轮没有MixColumns。
AES加密过程是在一个4×4的 字节矩阵上运作，这个矩阵又称为“状态（state）”，其初值就是一个明文区块（矩阵中一个元素大小就是明文区块中的一个Byte）。加密时，各轮AES加密循环（除最后一轮外）均包含4个步骤：
-
AddRoundKey — 矩阵中的每一个字节都与该次轮秘钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
-
SubBytes — 通过个非线性的替换函数，用 查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
-
ShiftRows — 将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
-
MixColumns — 为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每列的四个字节。
最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey取代。
2. 基于非对称密钥的加密算法主要有RSA
RSA公钥加密算法是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。今天只有短的RSA钥匙才可能被强力方式解破。到2008年为止，世界上还没有任何可靠的攻击RSA算法的方式。只要其钥匙的长度足够长，用RSA加密的信息实际上是不能被解破的。
RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但是想要对其乘积进行因式分解却极其困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。RSA的算法涉及三个参数，n、e1、e2。
其中，n是两个大质数p、q的积，n的二进制表示时所占用的位数，就是所谓的密钥长度。
e1和e2是一对相关的值，e1可以任意取，但要求e1与(p-1）*(q-1）互质；再选择e2，要求（e2*e1）mod((p-1）*(q-1））=1。
（n，e1）,(n，e2）就是密钥对。其中(n，e1）为公钥，(n，e2）为私钥。
RSA加解密的算法完全相同，设A为明文，B为密文，则：A=B^e2 mod n；B=A^e1 mod n；（公钥加密体制中，一般用公钥加密，私钥解密）
e1和e2可以互换使用，即：A=B^e1 mod n；B=A^e2 mod n;
3. 用于数字认证的哈希算法MD5, SHA-1，SHA-2(SHA-256，SHA-512)
Hash一般翻译做“散列”，也有直接音译为“哈希”的，就是把任意长度的输入（又叫做预映射， pre-image），通过散列算法，变换成固定长度的输出，该输出就是散列值。这种转换是一种压缩映射，也就是，散列值的空间通常远小于输入的空间，不同的输入可能会散列成相同的输出，而不可能从散列值来唯一的确定输入值。简单的说就是一种将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数。
3.1 MD5
对MD5算法简要的叙述可以为：MD5以512位分组来处理输入的信息，且每一分组又被划分为16个32位子分组，经过了一系列的处理后，算法的输出由四个32位分组组成，将这四个32位分组级联后将生成一个128位散列值。算法步骤如下：
1.填充
在MD5算法中，首先需要对信息进行填充，使其位长对512求余的结果等于448，
并且填充必须进行，即使其位长对512求余的结果等于448。因此，信息的位长（Bits Length）将被扩展至N*512+448，N为一个非负整数，N可以是零。
填充的方法如下：
1) 在信息的后面填充一个1和无数个0，直到满足上面的条件时才停止用0对信息的填充。
2) 在这个结果后面附加一个以64位二进制表示的填充前信息长度（单位为Bit），如果二
进制表示的填充前信息长度超过64位，则取低64位。
经过这两步的处理，信息的位长=N*512+448+64=(N+1）*512，即长度恰好是512的整数倍。这样做的原因是为满足后面处理中对信息长度的要求。
2. 初始化变量
初始的128位值为初试链接变量，这些参数用于第一轮的运算，以 大端 字节序来表示，他们分别为： A=0x01234567，B=0x89ABCDEF，C=0xFEDCBA98，D=0x76543210。
（每一个变量给出的数值是高字节存于内存低地址，低字节存于内存高地址，即大端字节序。在程序中变量A、B、C、D的值分别为0x67452301，0xEFCDAB89，0x98BADCFE，0x10325476）
3. 处理分组数据
每一分组的算法流程如下：
第一分组需要将上面四个链接变量复制到另外四个变量中：A到a，B到b，C到c，D到d。从第二分组开始的变量为上一分组的运算结果，即A = a， B = b， C = c， D = d。
主循环有四轮（MD4只有三轮），每轮循环都很相似。第一轮进行16次操作。每次操作对a、b、c和d中的其中三个作一次非线性函数运算，然后将所得结果加上第四个变量，文本的一个子分组和一个常数。再将所得结果向左
环移一个不定的数，并加上a、b、c或d中之一。最后用该结果取代a、b、c或d中之一。
以下是每次操作中用到的四个非线性函数（每轮一个）。
F( X ,Y ,Z ) = ( X & Y ) | ( (~X) & Z )
G( X ,Y ,Z ) = ( X & Z ) | ( Y & (~Z) )
H( X ,Y ,Z ) =X ^ Y ^ Z
I( X ,Y ,Z ) =Y ^ ( X | (~Z) )
（&是与（And），|是或（Or），~是非（Not），^是异或（Xor））
这四个函数的说明：如果X、Y和Z的对应位是独立和均匀的，那么结果的每一位也应是独立和均匀的。
F是一个逐位运算的函数。即，如果X，那么Y，否则Z。函数H是逐位奇偶操作符。
假设Mj表示消息的第j个子分组（从0到15），常数ti是4294967296*abs( sin(i) ）的整数部分，i 取值从1到64，单位是弧度。（4294967296=2
32）
现定义：
FF(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti ) 操作为 a = b + ( (a + F(b,c,d) + Mj + ti) << s)
GG(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti ) 操作为 a = b + ( (a + G(b,c,d) + Mj + ti) << s)
HH(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + H(b,c,d) + Mj + ti) << s)
II(a ,b ,c ,d ,Mj ,s ,ti) 操作为 a = b + ( (a + I(b,c,d) + Mj + ti) << s)
注意：“<<”表示循环左移位，不是左移位。
这四轮（共64步）是：
第一轮
FF(a ,b ,c ,d ,M0 ,7 ,0xd76aa478 )
FF(d ,a ,b ,c ,M1 ,12 ,0xe8c7b756 )
FF(c ,d ,a ,b ,M2 ,17 ,0x242070db )
FF(b ,c ,d ,a ,M3 ,22 ,0xc1bdceee )
FF(a ,b ,c ,d ,M4 ,7 ,0xf57c0faf )
FF(d ,a ,b ,c ,M5 ,12 ,0x4787c62a )
FF(c ,d ,a ,b ,M6 ,17 ,0xa8304613 )
FF(b ,c ,d ,a ,M7 ,22 ,0xfd469501)
FF(a ,b ,c ,d ,M8 ,7 ,0x698098d8 )
FF(d ,a ,b ,c ,M9 ,12 ,0x8b44f7af )
FF(c ,d ,a ,b ,M10 ,17 ,0xffff5bb1 )
FF(b ,c ,d ,a ,M11 ,22 ,0x895cd7be )
FF(a ,b ,c ,d ,M12 ,7 ,0x6b901122 )
FF(d ,a ,b ,c ,M13 ,12 ,0xfd987193 )
FF(c ,d ,a ,b ,M14 ,17 ,0xa679438e )
FF(b ,c ,d ,a ,M15 ,22 ,0x49b40821 )
第二轮
GG(a ,b ,c ,d ,M1 ,5 ,0xf61e2562 )
GG(d ,a ,b ,c ,M6 ,9 ,0xc040b340 )
GG(c ,d ,a ,b ,M11 ,14 ,0x265e5a51 )
GG(b ,c ,d ,a ,M0 ,20 ,0xe9b6c7aa )
GG(a ,b ,c ,d ,M5 ,5 ,0xd62f105d )
GG(d ,a ,b ,c ,M10 ,9 ,0x02441453 )
GG(c ,d ,a ,b ,M15 ,14 ,0xd8a1e681 )
GG(b ,c ,d ,a ,M4 ,20 ,0xe7d3fbc8 )
GG(a ,b ,c ,d ,M9 ,5 ,0x21e1cde6 )
GG(d ,a ,b ,c ,M14 ,9 ,0xc33707d6 )
GG(c ,d ,a ,b ,M3 ,14 ,0xf4d50d87 )
GG(b ,c ,d ,a ,M8 ,20 ,0x455a14ed )
GG(a ,b ,c ,d ,M13 ,5 ,0xa9e3e905 )
GG(d ,a ,b ,c ,M2 ,9 ,0xfcefa3f8 )
GG(c ,d ,a ,b ,M7 ,14 ,0x676f02d9 )
GG(b ,c ,d ,a ,M12 ,20 ,0x8d2a4c8a )
第三轮
HH(a ,b ,c ,d ,M5 ,4 ,0xfffa3942 )
HH(d ,a ,b ,c ,M8 ,11 ,0x8771f681 )
HH(c ,d ,a ,b ,M11 ,16 ,0x6d9d6122 )
HH(b ,c ,d ,a ,M14 ,23 ,0xfde5380c )
HH(a ,b ,c ,d ,M1 ,4 ,0xa4beea44 )
HH(d ,a ,b ,c ,M4 ,11 ,0x4bdecfa9 )
HH(c ,d ,a ,b ,M7 ,16 ,0xf6bb4b60 )
HH(b ,c ,d ,a ,M10 ,23 ,0xbebfbc70 )
HH(a ,b ,c ,d ,M13 ,4 ,0x289b7ec6 )
HH(d ,a ,b ,c ,M0 ,11 ,0xeaa127fa )
HH(c ,d ,a ,b ,M3 ,16 ,0xd4ef3085 )
HH(b ,c ,d ,a ,M6 ,23 ,0x04881d05 )
HH(a ,b ,c ,d ,M9 ,4 ,0xd9d4d039 )
HH(d ,a ,b ,c ,M12 ,11 ,0xe6db99e5 )
HH(c ,d ,a ,b ,M15 ,16 ,0x1fa27cf8 )
HH(b ,c ,d ,a ,M2 ,23 ,0xc4ac5665 )
第四轮
II(a ,b ,c ,d ,M0 ,6 ,0xf4292244 )
II(d ,a ,b ,c ,M7 ,10 ,0x432aff97 )
II(c ,d ,a ,b ,M14 ,15 ,0xab9423a7 )
II(b ,c ,d ,a ,M5 ,21 ,0xfc93a039 )
II(a ,b ,c ,d ,M12 ,6 ,0x655b59c3 )
II(d ,a ,b ,c ,M3 ,10 ,0x8f0ccc92 )
II(c ,d ,a ,b ,M10 ,15 ,0xffeff47d )
II(b ,c ,d ,a ,M1 ,21 ,0x85845dd1 )
II(a ,b ,c ,d ,M8 ,6 ,0x6fa87e4f )
II(d ,a ,b ,c ,M15 ,10 ,0xfe2ce6e0 )
II(c ,d ,a ,b ,M6 ,15 ,0xa3014314 )
II(b ,c ,d ,a ,M13 ,21 ,0x4e0811a1 )
II(a ,b ,c ,d ,M4 ,6 ,0xf7537e82 )
II(d ,a ,b ,c ,M11 ,10 ,0xbd3af235 )
II(c ,d ,a ,b ,M2 ,15 ,0x2ad7d2bb )
II(b ,c ,d ,a ,M9 ,21 ,0xeb86d391 )
所有这些完成之后，将a、b、c、d分别在原来基础上再加上A、B、C、D。
即a = a + A，b = b + B，c = c + C，d = d + D
然后用下一分组数据继续运行以上算法。
4. 输出:
最后的输出是a、b、c和d的级联。
3.2 SHA-1
安全哈希算法（Secure Hash Algorithm）主要适用于数字签名标准 （Digital Signature Standard DSS）里面定义的数字签名算法（Digital Signature Algorithm DSA）。对于长度小于2^64位的消息，SHA1会产生一个160位的消息摘要。当接收到消息的时候，这个消息摘要可以用来验证数据的完整性。在传输的过程中，数据很可能会发生变化，那么这时候就会产生不同的消息摘要。 SHA1有如下特性：不可以从消息摘要中复原信息；两个不同的消息不会产生同样的消息摘要。SHA1在许多安全协议中广为使用，包括TLS和SSL、PGP、SSH、S/MIME和IPsec，曾被视为是MD5（更早之前被广为使用的散列函数）的后继者。
SHA1始终把消息当成一个位（bit）字符串来处理。
(1)
补位：消息必须进行补位，以使其长度在对512取模以后的余数是448。也就是说，（补位后的消息长度）%512 = 448。即使长度已经满足对512取模后余数是448，补位也必须要进行。
补位是这样进行的：先补一个1，然后再补0，直到长度满足对512取模后余数是448。总而言之，补位是至少补一位，最多补512位。
(2)补长度：所谓的补长度是将原始数据的长度补到已经进行了补位操作的消息后面。通常用一个64位的数据来表示原始消息的长度。然后我们把整个消息分成一个一个512位的数据块，分别处理每一个数据块，从而得到消息摘要。
(3)使用常量：
系列的常量字K(0), K(1), ... , K(79)，如果以16进制给出。它们如下：
Kt = 0x5A827999 (0 <= t <= 19)
Kt = 0x6ED9EBA1 (20 <= t <= 39)
Kt = 0x8F1BBCDC (40 <= t <= 59)
Kt = 0xCA62C1D6 (60 <= t <= 79)
(4)使用函数：
在SHA1中我们需要一系列的函数。每个函数ft (0 <= t <= 79)都操作32位字B，C，D，并且产生32位字作为输出。
ft(B,C,D)可以如下定义：
ft(B,C,D) = (B AND C) or ((NOT B) AND D) ( 0 <= t <= 19)
ft(B,C,D) = B XOR C XOR D (20 <= t <= 39)
ft(B,C,D) = (B AND C) or (B AND D) or (C AND D) (40 <= t <= 59)
ft(B,C,D) = B XOR C XOR D (60 <= t <= 79).
(5)计算消息摘要：
必须使用进行了补位和补长度后的消息来计算消息摘要。计算需要两个 缓冲区
，每个都由5个32位的字组成，还需要一个80个32位字的 缓冲区
。第一个5个字的 缓冲区
被标识为A，B，C，D，E。第二个5个字的 缓冲区
被标识为H0, H1, H2, H3, H4。80个字的缓冲区被标识为W0, W1,..., W79。
另外还需要一个一个字的TEMP 缓冲区。
为了产生 消息摘要，在第3.2部分中定义的512位（16个字）的 数据块M1, M2,..., Mn
会依次进行处理，处理每个 数据块Mi 包含80个步骤。
在处理所有 数据块之前，缓冲区{Hi} 被初始化为下面的值（16进制）
H0 = 0x67452301
H1 = 0xEFCDAB89
H2 = 0x98BADCFE
H3 = 0x10325476
H4 = 0xC3D2E1F0.
现在开始处理M1, M2, ... , Mn。为了处理 Mi,需要进行下面的步骤
(1). 将 Mi 分成 16 个字 W0, W1, ... , W15, W0 是最左边的字
(2). 对于 t = 16 到 79 令
W[t] = S1(W[t-3] XOR W[t-8] XOR W[t-14] XOR W[t-16]).
(3). 令 A = H0, B = H1, C = H2, D = H3, E = H4.
(4) 对于 t = 0 到 79，执行下面的循环
TEMP = S5(A) + ft(B,C,D) + E + Wt + Kt;
E = D; D = C; C = S30(B); B = A; A = TEMP;
(5). 令 H0 = H0 + A, H1 = H1 + B, H2 = H2 + C, H3 = H3 + D, H4 = H4 + E.
在处理完所有的 Mn, 后， 消息摘要是一个160位的字符串，以下面的顺序标识
H0 H1 H2 H3 H4.
3.3 SHA-2(SHA-256，SHA-512)
NIST发布了三个额外的SHA变体，这三个函数都将讯息对应到更长的讯息摘要。以它们的摘要长度（以位元计算）加在原名后面来命名：SHA-256，SHA-384和SHA-512。SHA-256和SHA-512是很新的杂凑函数，前者以定义一个word为32位元，后者则定义一个word为64位元。它们分别使用了不同的偏移量，或用不同的常数，然而，实际上二者结构是相同的，只在循环执行的次数上有所差异。SHA-384则是前述二种杂凑函数的截短版，利用不同的初始值做计算。