Go-Des和3Des算法详解与代码

目录

Des

发展史

分组密码算法设计思想

Des概述

初始置换与逆置换

Feistel结构

轮函数F

E扩展

密钥加

S盒代换

P置换

密钥编排

3Des

优缺点

分组模式

CBC

CFB

OFB

Des的Go实现

明文填充

加密

解密

结果截图

参考

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Des

发展史

• 1973年5月美国联邦政府提出征求在传输和存储数据中保护计算机数据的密码算法的建议；
• 1975年3月，美国国家标准局（NBS）首次公布IBM公司提出的算法Lucifer中选；
• 1977年1月NBS正式向社会公布，采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的数据加密标准（Data Encryption Standard)，DES正式成为美国联邦政府信息处理标准，即FIPS-46标准，同年7月开始生效。
•     此后，每隔5年美国国家保密局（NSA）对DES作新的评估，并重新审定它是否继续作为联邦加密标准。

分组密码算法设计思想

1.  如果密码体制不是幂等的（F2+F），那么多次迭代有可能提高密码体制的安全性。
2.  采用迭代结构的优点：软、硬件实现节省了代码（硬件）资源。
3. 混淆：明文/密钥和密文之间的关系复杂。
4. 扩散：明文/密钥的每一个比特都影响密文的每一个比特。

Des概述

• 明文和密文分组长度为64比特
• 算法包含两部分：迭代加解密和密钥编排
• Feistel结构（加解密相似）：加密和解密除密钥编排不同外，完全相同
• 密钥长度：56比特（DES的密钥空间：），每7比特后为一个奇偶校验位（第8位），共64比特
• 轮函数采用混乱和扩散的组合，共16轮

整体结构

明文进行初始置换（Initial Permutation,IP），通过密钥编排算法将密钥拆成16个，进行16轮迭代，最后通过逆置换得到密文。

初始置换与逆置换

将输入的64位数据块按位重新组合，把输出分为L0、R0两部分，每部分长32位。

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

表中的数字代表新数据中此位置的数据在原数据中的位置，即原数据块的第58位放到新数据的第1位，第50位放到第2位，……依此类推。置换后的数据分为L0和R0两部分。

逆置换就是放回原位置，例如，1位置在40位置，那么逆置换的第一个就是40，我就不一个个画了

40	...
...	...

由于初始置换是公开的，没有密码意义。有很多DES实现都去除了，有人认为是当时为了更好放到DES芯片中。

Feistel结构

一轮迭代

按下述规则进行16次迭代，1≤i≤16

轮函数F

F(,)以长度为32比特串作为第一输入，以长度为48比特串作为第二个输入，产生长度为32比特的输出。

E扩展

32	1	2	3	4	5
4	5	6	7	8	9
8	9	10	11	12	13
12	13	14	15	16	17
16	17	18	19	20	21
20	21	22	23	24	25
24	25	26	27	28	29
28	29	30	31	32	1

将扩展为48位，左右两列数据是扩展的数据，扩展的数据是从相邻位置取的一位，可理解为循环队列。靠近32位的位为1，靠近1位的位为32，其余就是下一行首或上一行末。

密钥加

将的E扩展和进行异或

S盒代换

使用8个S盒S1……S8，每个Si是一个固定的4*16阶矩阵，其元素取0~15之间的整数。
给定长度为6的比特串，如Bj=b1b2b3b4b5b6，Sj(Bj)计算如下：

1. b1b6两个比特确定了Sj的行r的二进制表示（0≤r≤3），
2. b2b3b4b5四个比特确定了Sj的列c的二进制表示（0≤c≤15），
3. Sj(Bj)定义成长度为4的比特串的值Sj(r,c)。由此可以算出Cj=Sj(Bj)，1≤j≤8。

S盒1如下：

14	4	13	1	2	15	11	8	3	10	6	12	5	9	0	7
0	15	7	4	14	2	13	1	10	6	12	11	9	5	3	8
4	1	14	8	13	6	2	11	15	12	9	7	3	10	5	0
15	12	8	2	4	9	1	7	5	11	3	14	10	0	6	13

其他的我就不粘贴了，都是公开的，网上能找到，这里只是为了举个例子。

假如，S1的输入Bj为110011

1. b1b6为11，r=3
2. b2b3b4b5为1001，c=9
3. S1(3,9)为11，二进制为1011，Cj就是11了，即用1011替换了110011。

P置换

P盒如下：

16	7	20	21	29	12	28	17
1	15	23	26	5	18	31	10
2	8	24	14	32	27	3	9
19	13	30	6	22	11	4	25

长度为32比特串C=C1C2C3C4C5C6C7C8，根据上面的进行替换，原理和前面的IP一样，就是按照P盒放原始数据的多少位，第一个就放C的第16位，依次类推，最后组合一下即可，不再举例。

密钥编排

前面是迭代加解密，接下来说下密钥编排，密钥编排就是通过密钥K，获得每轮的密钥ki，过程如下

 给定64比特密钥K，根据固定的置换PC-1来处理K得到PC-1(K)=C0D0,其中C0和D0分别由最前和最后28比特组成。下面是PC-1，注意，不包括8,16,24,32,40,48,56和64，前面提到，这些是校验位。

57	49	41	33	25	17	9	1	58	50	42	34	26	18
10	2	59	51	43	35	27	19	11	3	60	52	44	36
63	55	47	39	31	23	15	7	62	54	46	38	30	22
14	6	61	53	45	37	29	21	13	5	28	20	12	4

计算Ci=LSi(Ci-1)和Di=LS(Di-1)，且Ki=PC-2(CiDi)，LSi表示循环左移两个或一个位置，具体地，如果i=1，2，9，16就移一个位置，否则就移两个位置，PC-2是另一个固定的置换。下面是PC-2

14	17	11	24	1	5	3	28	15	6	21	10
23	19	12	4	26	8	16	7	27	20	13	2
41	52	31	37	47	55	30	40	51	45	33	48
44	49	39	56	34	53	46	42	50	36	29	32

以上就是一轮中获取Ki的过程，每轮选取密钥K的不同48比特进行PC-2的置换，同样是16个矩阵，长宽与PC-2相同，这里就不粘贴了，不然文章太长了。

3Des

3DES，顾名思义，使用三次DES算法，有两种模式。

DES-EEE3模式：使用 P->DES加密->DES加密->DES加密->C 进行加密，使用 C->DES解密->DES解密->DES解密->P 进行解密。

DES-EDE3模式：使用 P->DES加密->DES解密->DES加密->C 进行加密，使用 C->DES解密->DES加密->DES解密->P 进行解密。

优缺点

优点：

• 密钥长度增加到112位或168位，克服了DES面临的穷举攻击。
• 相对于DES，增强了算法复杂度，提高了安全性。
• 由于DES已经大规模使用，升级到3DES比更新新算法成本小得多。
• DES比其它任何加密算法受到的分析时间都长的多，相应地，3DES抗分析能力更强。

不足：

• 3DES加解速度较慢。
• 虽然密钥长度增加了，但明文分组长度没变，与密钥长度的增长不匹配。

分组模式

分组密码在加密时，明文分组的长度是固定的，而实际应用中待加密消息的数据量是不定的，数据格式多种多样。为了能在各种应用场合使用DES，美国在FIPS PUS 74和81中定义了DES的4种运行模式：
ECB，CBC，CFB，OFB，分组密码工作模式描述了如何重复加密比较长的多个数据块。

ECB，CBC是块模式，CFB、OFB是流模式。ECB安全性比较差，先不学了，Go的包中也没有。

CBC

CBC(Cipher Block Chaining, 密码块链)模式中每一个分组要先和前一个分组加密后的数据进行异或操作，然后再进行加密。

加密：

解密：

• IV：initialization vector，初始向量，
• 将长消息分块，若最后一个分块不足分组长度，则需要填充
• 加密和解密过程分别调用加密算法和解密算法
• 存在密文扩展（明文填充带来的扩展和IV传输的扩展）
• 密文块需按顺序逐一解密
• 存在错误传播（只传播下一块密文）
• 适合大于一个分组长度的长数据加密

CFB

CFB(Cipher Feedback, 密码反馈)模式和CBC模式比较相似，前一个分组的密文加密后和当前分组的明文异或操作生成当前分组的密文。

加密：

解密：

注意，解密函数与加密函数一致。

• 消息作为比特流进行加密，无须分组填充
• 加密和解密过程只调用加密算法
• 存在密文扩展（IV传输的扩展）
• 密文块需按顺序逐一解密
• 存在错误传播（只传播后面的几块）
• 适合大于一个分组长度的长数据加密
• 可用于自同步序列密码

OFB

OFB(Output Feedback，输出反馈)模式与CFB模式类似，区别在于使用上一个分组的密码序列加密生成当前分组的密码序列。

总结

• ECB是最快、最简单的分组密码模式，但它的安全性最弱，一般不推荐使用ECB加密消息，但如果是加密随机数据，如密钥，ECB则是最好的选择。
• CBC适合文件加密，而且有少量错误时不会造成同步失败，是软件加密的最好选择。
• CFB通常是加密分组序列所选择的模式，它也能容忍少量错误扩展，且具有同步恢复功能。推荐使用CTR模式代替。
• OFB是在极易出错的环境中选用的模式，但需有高速同步机制。推荐使用CTR模式代替。

CTR模式在学AES时再说。

好，以上都没什么用，因为DES被破解啦！！！（看到这句话的小伙伴都快哭了）不过，加强版还可以用，接下来就说说3DES。

Des的Go实现

我们不是使用Go语言来实现Des，已经有大神写好了，我们会调用就可以了。

des包

func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error)

创建并返回一个使用DES算法的cipher.Block接口。

cipher包

func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode

返回一个密码分组链接模式的、底层用b加密的BlockMode接口，初始向量iv的长度必须等于b的块尺寸。

BlockMode的方法

CryptBlocks(dst, src []byte) 

加密或解密连续的数据块，src的尺寸必须是块大小的整数倍，src和dst可指向同一内存地址 

func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode

返回一个密码分组链接模式的、底层用b解密的BlockMode接口，初始向量iv必须和加密时使用的iv相同。 

明文填充

CBC模式需要填充，解密后我们还需要去掉填充，由于填充什么没有要求，我们就填充缺少的长度，这样去掉填充时就容易切片了。

func PaddingLastGroup(plainText []byte,blockSize int) []byte{
	padNum := blockSize - len(plainText)%blockSize
	char := []byte{byte(padNum)}
	newPlain := bytes.Repeat(char,padNum)
	plainText = append(plainText,newPlain...)
	return plainText
}

func UnpaddingLastGroup(plainText []byte) []byte {
	length := len(plainText)
	number := int(plainText[length-1])
	return plainText[:length-number]
}

加密

• 使用des.NewCipher获取块
• 填充明文
• 使用cipher.NewCBCEncrypter生成CBC模式块
• 使用模式块的CryptBlocks进行加密，由于可指向同一内存地址，我们仍使用同一变量，节省内存

func DesEncrypt(plainText,iv, key []byte) ([]byte,error) {
	if len(iv) != 8{
		_, file, line, _ := runtime.Caller(0)
		return nil,util.Error(file,line+1,errors.IvError)
	}
	block, err :=des.NewCipher(key)
	if err != nil{
		_, file, line, _ := runtime.Caller(0)
		return nil,util.Error(file,line+1,errors.DesKeyError)
	}
	// padding plainText
	newText := util.PaddingLastGroup(plainText,des.BlockSize)
	// Create a CBC interface
	blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block,iv)
	// use same one to save space
	blockMode.CryptBlocks(newText,newText)
	return newText,nil
}

解密

• 使用des.NewCipher获取块
• 使用cipher.NewCBCDecrypter生成CBC模式块
• 使用模式块的CryptBlocks进行解密
• 去掉明文填充

func DesDecrypt(cipherText,iv,key []byte) ([]byte,error) {
	if len(iv) != 8{
		_, file, line, _ := runtime.Caller(0)
		return nil,util.Error(file,line+1,errors.IvError)
	}
	block, err :=des.NewCipher(key)
	if err != nil{
		_, file, line, _ := runtime.Caller(0)
		return nil,util.Error(file,line+1,errors.DesKeyError)
	}
	// Create a CBC interface
	blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block,iv)
	plainText := make([]byte,len(cipherText))
	blockMode.CryptBlocks(plainText,cipherText)
	return util.UnpaddingLastGroup(plainText),nil
}

部分测试代码

        iv := []byte("12345678")
	key := []byte("ladykill")
	plainText := []byte("hellocrypto")
	cipherText,err := DesEncrypt(plainText,iv,key)
	if err != nil{
		fmt.Println(err)
		os.Exit(0)
	}
	fmt.Printf("加密后：%s\n",string(cipherText))
	decryText,_ := DesDecrypt(cipherText,iv,key)
	fmt.Printf("解密后：%s\n",string(decryText))

结果截图

3Des只需要创建时使用des.NewTripleDESCipher(key)即可。

代码我放到了gitee上：https://gitee.com/frankyu365/gocrypto

您可以查看仓库Readme文档或Go-包管理(管理工具对比及go mod的使用)来进行安装

参考

《现代密码学教程 谷利泽，杨义先等》

Go标准库-crypto/des

Go标准库-crypto/cipher

更多Go相关内容：Go-Golang学习总结笔记

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