密码学相关基础一（对称加密篇）

一、加密

1.1、加密的定义

首先了解加密，我们先需要了解何为明文，何为密文？

• 明文：是指没有加密的文字（或者字符串），一般人都能看懂的意思
• 密文：密文是加了密的的文字，如果说明文是加密之前的文字，那么密文是对明文进行加密后的报文

密码学中，加密（英语：Encryption）是将明文信息改变为难以读取的密文内容，使之不可读的过程。
只有拥有解密方法的对象，经由解密过程，才能将密文还原为正常可读的内容。

1.2、加密算法

1.2.1、对称加密算法

在对称加密算法中，使用的密钥只有一个，发收信双方都使用这个密钥对数据进行加密和解密，这就要求解密方事先必须知道加密密钥。

常见的对称加密算法有DES，3DES，AES，RC2，RC4，RC5，SM4等算法。

• AES算法:（英语：Advanced Encryption Standard）

是美国联邦政府采用的一种分组加密标准。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。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。
现在，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。
所以，如果要使用对称加密算法，我们一般使用AES即可
。

• SM4算法:

是中华人民共和国政府采用的一种分组密码标准，由国家密码管理局于2012年3月21日发布，相关标准为“GM/T 0002-2012《SM4分组密码算法》（原SMS4分组密码算法）”。2016年8月，成为中国国家密码标准（GB/T 32907-2016）。
如果要求使用国密加密的新创场景我们使用SM4即可。
而想更深入AES，SM4就要说到分组算法，那么我们就要知道如何分组：

1.2.2、分组模式

常用的分组模式：比如ECB,CBC,CFB,OFB等等，具体的算法的优缺点如下图：

明文的长度不固定，而分组密码只能处理特定长度的一块数据，这就需要对分组密码的算法进行迭代，以便将一段很长的明文全部加密，而迭代的方法就是分组的模式。
我们这里讲用得比较多的ECB，CBC这两种模式

• ECB - Electronic Code Book, 电子密码本模式

在ECB模式中，将明文分组加密之后的结果将直接成为密文分组。相同的明文分组会被转换为相同的密文分组，我们可以将其理解为是一个巨大的“明文分组->密文分组”的对应表，因此ECB模式也称为电子密码本模式。

当最后一个明文分组的内容小于分组长度时，需要用一些特定的数据进行填充。

• 优点：简单，可以并发加密
• 缺点：ECB模式中，明文分组与密文分组是一一对应的关系，因此，如果明文中存在多个相同的明文分组，则这些明文分组最终都将被转换为相同的密文分组。且加密长度只能是分组的倍数，不够会补齐，这样一来，只要观察一下密文，就可以知道明文存在怎样的重复组合，并可以以此为线索来破译密码，因此ECB模式是存在一定风险的。是不可抗攻击的
• 举一个例子说明：

假设分组长度为128bit（16个字节），某银行的转账请求数据由以下3个分组构成。

分组1=付款人的银行账号

分组2=收款人的银行账号

分组3=转账金额。

场景是：从A-5374账号向B-6671账号转账1亿元

16进制数据表示如下：

将上面数据用ECB加密，加密后，看不出明文分组内容。

攻击者将密文分组1和2对调。

攻击者没有试图破译密码，但场景却发生了变化：

现在场景变成了：B-6671账号向A-5374账号转账1亿元。

完全相反，这就是ECB的弱点，不破译密文的情况下操纵明文。

• CBC密文分组链接模式
  CBC模式的全称是Cipher Block Chaining模式（密文分组链接模式），之所以叫这个名字，是因为密文分组像链条一样相互连接在一起。

在CBC模式中，首先将明文分组与前一个密文分组进行XOR异或运算，然后再进行加密，过程如下图：

我们来比较一下ECB模式与CBC模式的区别

ECB模式只进行了加密，而CBC模式则在加密之前进行了一次XOR。

• 初始向量
  当加密第一个明文分组时，由于不存在“前一个密文分组”，因此需要事先准备一个长度为一个分组的比特序列来代替“前一个密文分组”，这个比特序列称为初始化向量（Initialization Vector），通常缩写为IV，一般来说，每次加密时都会随机产生一个不同的比特序列来作为初始化向量。
• CBC模式的特点

明文分组在加密之前一定会与“前一个密文分组”进行XOR运算，因此即使明文分组1和明文分组2的值是相等的，密文分组1和2的值也不一定是相等的。这样一来，ECB模式的缺陷在CBC模式中就不存在了。

加密过程：在CBC模式中，无法单独对一个中间的明文分组进行加密。例如，如果要生成密文分组3，则至少需要凑齐明文分组1、2、3才行。

解密过程：假设CBC模式加密的密文分组中有一个分组损坏了。在这种情况下，只要密文分组的长度没有发生变化，则解密时最多只有2个分组受到数据损坏的影响。见下图：

假设CBC模式的密文分组中有一些比特缺失了，那么此时即便只缺失1比特，也会导致密文分组的长度发生变化，此后的分组发生错位，这样一来，缺失比特的位置之后的密文分组也就全部无法解密。见下图：

所以CBC优点在于安全性要高于ECB，不容易被主动攻击。
但是缺点也很明显，不利于并行计算，且需要额外的空间存储初始向量，容易出现误差影响后面的分组。
但是我们仍然推荐使用CBC。
下一篇为非对称加密和数字签证相关知识，有兴趣的同学可以浏览https://blog.csdn.net/qq_44754515/article/details/123594255?spm=1001.2014.3001.5502