图解密码技术——第三章
一、比特序列
1.比特序列由0、1构成，计算机中的数据都是由比特序列构成的。
2.将现实世界中的东西映射为比特序列的操作称为编码。如图：
这种编码规则叫ASCLL。因为这种语言计算机可以看懂，所以它并不是加密。
二、XOR
1.XOR，全名exclusive or,中文名叫异域。
2. 1个比特的XOR运算
0 XOR 0 = 0
1 XOR 1 = 0
1 XOR 0 = 1
0 XOR 1 = 1
如果将0等同于偶数，1等同于奇数，就相当于奇数和偶数的加法运算；
由于和加法运算相似，所以用符号
来表示XOR。
为了更加方便理解，大家可以想象黑白棋（奥罗赛棋）。一个棋子保持原状，不翻转看作0，另一个棋子翻转，看做1，那么，XOR就相当于将一个棋子进行翻转的操作。
根据上述场景，得到一个规律，即两个相同的数进行XOR计算的结果一定为0，因为棋子翻转两次和没有翻转的结果是一样的。
3.比特序列的XOR
1.长比特序列的XOR运算，就是将每个相对应比特进行XOR运算，但是不需要进位。
2.由于两个相同的数进行XOR计算的结果一定为0，所以两个长比特序列ABB的结果为A
3.使用XOR进行加解密
大家可以发现，上面的计算和加密、解密的步骤非常相似。
- 将明文A用秘钥B进行加密，得到密文AB
- 将密文AB用秘钥B进行解密，得到明文A
事实上，只要选定一个合适的B，仅仅使用XOR运算就能实现高强度的密码。只要将图像D进行两次XOR运算，就可以实现加解密。如图：第一行进行加密，第二行解密
最重要的是，蒙版中的比特序列的排列即秘钥必须是不可预测的，否则保密强度会大幅度降低。
这种不可预测的比特序列被称为随机数。
三、一次性密码本——绝对不会被破译的密码
只要通过暴力破解法对秘钥空间进行遍历，那么无论什么密码都会被破译，但一次性密码本是个例外，它是绝对不会被破译的密码，这一点已经得到证实
1.原理：
将明文与一串随机的比特序列进行XOR运算。
如：将明文midnight编码后形成了长64比特的比特序列，然后使用抛硬币的方法随机生成64比特的比特序列。经过XOR运算后，形成了64比特的的比特系列，这样的比特序列如果显示在计算机上，就像是乱码一样，因此密文通常不会被还原为字符，而是当做二进制来处理。
2.解密
密文和密钥进行进行XOR运算，得到明文。
3.为什么说一次性密码本是无法被破译的密码？
我们假设对密码本的密文进行暴力破解，那么总有一天会找到和加密是相同的密钥，解出密文midnight,这是毋庸置疑的。但是，我们无法判断它是否是正确的密文。
这是因为在尝试解密的过程中会出现规则字符串、英文单词或其他等看不懂的组合。由于明文中所有的排列组合都会出现，因此无法确定哪个是正确密文，也无法确定正确的秘钥。
一次性密码本是由维纳于1917年提出，并获取专利，因此又称为维纳密码（该专利已过有效期）。一次性密码本无法破译这一特性是由香农于1949年通过数学方法加以证明的。一次性密码本是无条件安全的，在理论上是无法破译的。
4.一次性密码本为什么没有被使用？
4.1密钥的配送
Alice把明文通过一次性加密本加密后将密文发送给Bob，一次性密码本无法破译，那么消息是安全的，但是Alice如何将秘钥发送给Bob呢？如果能安全发送秘钥，那就不需要一次性密码本了。所以，这就将消息的保密转换为密钥的保密
4.2密钥的重用
秘钥必须是随机的，不能使用过去使用过的随机比特序列，这是密码本“一次性”的缘由。如果是一样的，那么一旦秘钥泄漏，过去所有的通信消息，如果字母数相同的话，就会全部泄露。
4.3密钥的同步
密钥和明文的比特数相同，文件大小也相同。而在通信过程中，发送者和接收者的秘钥的比特序列是不允许错位的，否则无法解密。
4.4 密钥的生成
在一次性密码本中。需要大量的随机数。这里的随机数并不是通过计算机得到的伪随机数，而是无重现性的真正随机数。（世界上没有用过的，最简单的就是至少字典里没有出现过）
综上，能够使用密码本的，只有那些机密性重于一切，且可以花费大量财力和物力来生成并配送密钥的场合。比如：大国之间会的热线会一次性密码本。所以，一次性密码本是一种几乎没有实用性的密码。
但是，一次性密码本的思路却孕育出了流密码。流密码使用的不是真正的随机比特序列，而是伪随机数生成器生成的比特序列。流密码虽然不是无法破译的，但只要是高性能的伪随机数生成器，就能够建出强度较高的密码系统。关于流密码，将在第四章详细探讨。
不正确。因为一次性密码本的密钥无论使用任何压缩软件都无法进行压缩。压缩软件的压缩原理，是找出输入数据中出现冗余的重复序列，并将它们替换成较短的数据。然而一次性密码本所使用的秘钥是随机的，其中并不包含任何冗余的重复序列。反过来说，如果一个比特序列能够被压缩，就说明它不是一个随机的比特序列。
四、DES
1.介绍
DES是1977年美国联邦信息处理标准中所采用的对称密码。一整以来被美国以及其他国家的政府和银行等广泛使用。然后随着计算机的进步，DES已经能够被暴力破解了，强度也大不如前。由于DES可以被短时间内破译，因此，除了用它来解密以前的密文以外，现在我们应该不再使用DES了。
2.加密和解密
DES是一种将64比特的明文加密成64比特的密文的对称密码算法，他的密钥长度是56比特。尽管从规格上来说，DES的密钥长度是64比特，但由于每隔7个比特会设置一个用于错误检查的比特（共8个用于检查错误的比特），因此实质上其密钥的长度是56比特。
DES是以64比特的明文为一个单位来加密的，这64比特的单位称为分组。一般来说，以分组为单位进行处理的密码算法称为分组密码。DES就是分组密码的一种。
DES每次只能加密64比特的数据，如果要加密的明文比较长，就需要对DES加密进行迭代（反复），而迭代的具体方式就称为模式。
3.DES的结构（Feistel网络）
DES的基本结构是由Horst Feistel设计的,因此也称为Feistel网络、Feistel结构、Feistel密码。这一结构在其他很多密码算法中也有应用。
在Feistel网络中，加密的各个步骤称为轮，加密过程就是进行若干次轮的循环。DES是一种16轮循环的Feistel网络。
4.Feistel网络的具体结构
轮函数的作用是根据右侧和子密钥生成对左侧进行加密的比特序列，它也是密码系统的核心。
子密钥是指本轮加密所使用的秘钥。在Feistel网络中，每一轮都需要使用一个不同的子密钥。由于子密钥只在一轮中使用，它只是一个局部秘钥，因此成为子密钥。
但是，这样右侧根本没有被加密，隐刺我们需要用不同的子密钥对一轮的处理重复若干次，并在每两轮处理之间将左侧和右侧的数据对调,如图：
那么，Feistel网络应该如何解密呢？只要将下一轮加密的输出结果用相同的子密钥重新运行一次，而且无论轮函数的具体算法是什么，这样就可以将密文正确的还原成明文。关于这一点，还可以从XOR的性质（俩个相同的数进行XOR运算的结果为0）进行思考。
有多个轮的情况下也是一样的。也就是说，Feistel网络的解密操作只要按照相反的顺序来使用子密钥就可以完成了，而Feistel网络本身的结构，在加密和解密时都是完全相同的。
下面我们来总结一下Feistel网络结构的性质。
1.Feistel网络的轮数可以增加。无论进行多少轮的加密计算，都不会出现无法解密的情况。
2.加密时无论使用任何函数作为轮函数都可以正确解密。也就是说，即使用轮函数的输出结果无法逆向计算出输出的值（即该函数不存在反函数）也没问题。轮函数可以无须考虑解密的问题，可以被设计的任意复杂。
3.加密和解密可以用完全相同的结构来实现。因为这个，用于实现DES算法的硬件设备的设计也变容易了。
综上，无论任何轮数、任何轮函数、Feistel网络都可以用相同的结构实现加密和解密，且加密的结果必定能够正确解密。AES的候选密码算法中有三种使用了Feistel网络。
五、三重DES
由于DES能够在现实的时间内被暴力破解，因此我们需要一种能够代替DES的分组密码，三重DES密码就是出于这个目的被开发的。
1.概念
三重DES是为了增强DES的强度，将DES重复三次所得到的一种密码算法。通常缩写为3DES
2.加密
明文经过三次DES处理，密钥的实际长度为56*3=168比特
从图中可以发现，三次DES处理是加密——解密——加密，这让人感到不可思议。实际上这是为了兼容DES。当三个秘钥相同时，就相当于进行了一次DES加密；如果秘钥1和秘钥3相同，则称为DES-ESE2;如果三个秘钥都不相同，则称为DES-ESE3。
3.解密
解密的过程与加密相反，执行顺序为解密——加密——解密
4.现状
尽管现在（2015年）还在被银行等机构使用使用，但其处理速度不高，而且在安全性方面也逐渐显现出了一些问题。
六、AES
对称密码的新标准——AES
1.介绍
2.选定过程
3.AES最终确定
七、Rijndael
1.介绍
Rijndael是由比利时密码Joan Daemen和 Vincent Rijmen设计的分组密码算法，于2000年被选为新一代标准密码算法——ASE。今后会有越来越多的密码软件支持这种算法。
Rijndael的分组长度为128比特，密钥长度可以以32比特为单位在128比特到256比特的范围内进行选择（不过在ASE的规格中，密钥长度只有128、192、256比特三种）
2.Rijndael的加密和解密
Rijndael算法由多个轮构成，Rijndael使用了SPN结构。.Rijndael的输入分组为128比特，也就是16字节。
Rijndael一轮加密步骤如下:
- SubBytes处理，即以每个字节的值（0-255的任意值）为索引，从一张拥有256个值的替换表S-Box中查找出对应值的处理。也就是说，将一个字节的值转换为另一个字节的值，相当于简单介绍密码的256个字母的版本。
- ShiftRows处理，即对SubBytes处理的输出以字节为单位，进行打乱处理。这种打乱处理是有规律的。
- MixColumns处理，对一个4字节的数进行比特运算，将其变为另一个4字节的数
- AddRoundKey处理，即MixColumns处理的输出与轮秘钥进行XOR运算
事实上，在Rijndael中需要重复10-14轮计算。钰Feistel网络相比，这种方法的优势在于加密所需要的轮数更少，SubBytes、ShiftRows、MixColumns可以分别按字节、行、列为单位进行并行计算。
Rijndael一轮解密：
由图可知：SubBytes、ShiftRows、MixColumns分别存在反向运算，这是因为Rijndael不像Feistel网络一样能够用同一种结构实现加密和解密。
3.Rijndael的破译
对于Rijndael来说，可能存在以前并不存在的新的攻击方式。Rijndael的算法背后有这严谨的数学结构，也就是说从明文到密文都可以用公式来表达，这是以前任何密码算法都不具备的性质。如果Rijndael的公式可以通过数学运算来求解，那就意味着Rijndael能够通过数学方法进行破译，这也为新的攻击方式提供了可能。不过，这只是假设，到现在为止还没有出现针对Rijndael的有效攻击。
4.应该使用哪种对称密码？
最好不要使用DES在新的用途上，现在已经能够在较短的时间内完成对DES的破译。但是，在某些情况下也要保持与旧版本软件的兼容性。
处于兼容性的因素三重DES在今后还会使用一段时间，但会逐渐被AES所取代。
今后应该使用的算法是AES。
当然根据使用目的以及与旧软件的兼容性等原因，可能其他密码算法更有效。
一般来说，不应该使用任何自制的密码算法，毕竟密码强度无法保证。
八、小结
对称密码：秘钥空间巨大，可以抵制暴力破解；算法上没有弱点，可以抵制其他类型的攻击。
但是，还存在秘钥配送问题，这需要公钥密码技术。
本章介绍的几乎所有的密码算法，都只能将一个固定长度的分组进行加密。当加密的明文长度超过分组长度是，就需要对密码算法进行迭代。这将在下一章介绍。