密碼學安全演算法--對稱加密演算法
對稱加密也稱為常規加密、單鑰加密，在非對稱加密(公鑰加密)開發之前是唯一使用的加密型別，直到現在，它也仍然是使用最廣泛的加密型別之一。最常見對稱加密演算法是：DES、3DES、AES、RC4。
對稱加密演算法基本原理
先上圖，對稱加密工作過程
在整個工作過程中涉及到以下幾個概念
- 明文：也就是原始資訊或者說原始資料。也就是上圖中的A。
- 加密演算法：對明文進行各種替換或轉換操作的一種演算法。也就是①過程執行的演算法。
- 金鑰：金鑰也是加密演算法的輸入，加密演算法進行替換或轉換的具體操作依賴於這個金鑰。也就是上圖中描述的金鑰Key。
- 密文：經過加密演算法打亂的訊息輸出。密文的輸出取決於明文與金鑰，對於相同的明文，不同的金鑰會產生不同的密文。也就是上圖中的B。
- 解密演算法
對稱加密的分類：流加密與分組加密
- 流加密每次加密資料流的一位(bit)或者一個位元組(byte)。如RC4。
- 分組加密(通常也成為塊加密)是將明文進行分組，加密演算法對每個分組分別加密，通常明文分組和加密後得到的密文分組等長。典型的分組大小是64bit或128bit。如DES，3DES，AES。
DES
Data Encryption Standard 資料加密標準，該標準中的資料加密演算法(Data Encryption Algorithm)，簡稱DEA，國內對DES和DEA兩個術語的使用有點混亂。DES是IBM公司發明的，在1977年應徵作為美國國家密碼標準方案。隨著CPU計算速度的提升，以及硬體成本的下降，1999年美國國家標準技術研究所頒佈新標準，規定DES只能用於歷史遺留系統以及3DES中。
DES採用64bit分組長度
3DES
| 金鑰大小(bit) | 金鑰個數 | 每微秒執行一次解密所需要的時間 | 每微妙執行一百萬次解密所需要的時間 |
| 56 | 256 = 7.2*1016 | 255μs=1142年 | 10.01小時 |
1. 設計一套全新的演算法，例如AES，這個在後面會說到。
2. 為了保護已有軟硬體的投資，仍使用DES，但使用多個金鑰進行多次加密，這就是多重DES加密。
雙重加密
雙重加密是多重加密最簡單的形式，使用兩個金鑰。使用表示式敘述如下：
C： 代表加密後的密文(crypted)
E： 代表加密演算法(encrypt)
D： 代表解密演算法(decrypt)
K1,K2： 代表兩個金鑰(key)
P： 代表明文(proclaimed)
加密過程：
C = E( K2, E( K1, P ) )
解密過程：
P = D( K1, D( K2, C) )雙重DES加密表面上進行了兩次加密，從而金鑰長度為56×2=112bit，密碼強度增加了，但是在1992年在一篇論文中被證實存在下面的情況：
E(K2, E(K1, P)) = E(K3, P)也就是說存在金鑰K3能解密經過K1，K2進行雙重加密的密文，這意味著雙重DES退化成了單重DES了。顯然這種方式是不安全的。
使用兩個金鑰的三重加密
加密過程:
C = E( K1, D( K2, E( K1, P ) )
解密過程:
P = D( K1, E( K2, D( K1, C ) )這個加密方式就有意思了，先用K1進行加密，然後對加密的密文用K2進行解密，解密後的密文再用K1進行加密；解密過程就與之相反，並且該演算法當k1==k2時能與單重DES相容。這個奇特的想法最後也成為了美國的加密標準之一X9.17。
使用三個金鑰的三重加密
加密過程:
C = E( K3, D( K2, E( K1, P ) )
解密過程:
P = D( K3, E( K2, D( K1, C ) )這種加密方式1998年被列為美國加密標準X9.52，並且已經廣泛地替代了DES。過程很好理解。如果需要與DES進行相容，只需設定K3=K2或K2=K1；如果需要與前面的雙重金鑰的三重加密相容只需k1=k3。
知道了3DES與DES的關係，那我們就可以推出3DES的金鑰長度應該為DES的三倍也就是168bit，輸入的明文塊和輸出的密文塊仍然是64bit的。
更多3DES的資訊可以檢視wiki
AES
3DES缺點是演算法執行相對較慢。因為原來DEA是為70年代的硬體設計的，演算法程式碼並不是很高效，而3DES是DEA演算法的3輪迭代，因此更慢。而且DEA和3DES的分組大小都是64bit，3DES金鑰長度卻是168bit，處於加密效率和安全的考慮，需要更大的分組長度。於是AES應運而生。
Advanced Encryption Standard 高階加密標準，該標準是美國國家標準技術研究所於2001年頒佈的。AES旨在取代DES成為廣泛使用的標準，2006年AES已成為最流行的對稱加密演算法。
AES使用的分組大小為128bit，金鑰長度可以為128、192、256 bit。最簡單最常用的也就是128 bit的金鑰。
AES的詳細內容可以檢視wiki
下面列個表，大致的總結一下分組加密演算法。
| 分組(塊)加密標準 | 分組大小 | 金鑰長度 |
|---|---|---|
| DES | 64 bit = 8 byte | 56 bit = 7 byte |
| 3DES | 64 bit = 8 byte | 168 bit = 21 byte |
| AES | 128 bit = 16 byte | 128|192|256 bit =16|24|32 byte |
流加密實現原理
真隨機數，偽隨機數
因為隨機數在加密演算法中相當重要，而且RC4中就使用了偽隨機數生成演算法。所以有必要理解什麼是偽隨機數，什麼事真隨機數。看一下Wiki中對真隨機數和偽隨機數的界定。
根據密碼學原理，隨機數的隨機性檢驗可以分為三個標準：
- 統計學偽隨機性。統計學偽隨機性指的是：在給定的隨機位元流樣本中，1的數量大致等於0的數量，同理，“10”“01”“00”“11”四者數量大致相等。類似的標準被稱為統計學隨機性。滿足這類要求的數字在人類“一眼看上去”是隨機的。
- 密碼學安全偽隨機性。其定義為：給定隨機樣本的一部分和隨機演算法(RNG,Random number generator)，不能有效的演算出隨機樣本的剩餘部分。
- 真隨機性。其定義為：隨機樣本不可重現。實際上只要給定邊界條件，真隨機數並不存在，可是如果產生一個真隨機數樣本的邊界條件十分複雜且難以捕捉（比如計算機本身的輻射波動值），可以認為用這個方法演算出來了真隨機數。
相應的，隨機數也分為三類：
- 偽隨機數：滿足第一個條件的隨機數。
- 密碼學安全的偽隨機數：同時滿足前兩個條件的隨機數。可以通過密碼學安全偽隨機數生成器計算得出。
- 真隨機數：同時滿足三個條件的隨機數。
真正的隨機數是使用物理現象產生的：比如擲錢幣、骰子、使用電子元件的噪音、核裂變等等。這樣的隨機數生成器叫做物理性隨機數生成器，它們的缺點是技術要求比較高。
在實際應用中往往使用偽隨機數就足夠了。這些數列是“似乎”隨機的數，實際上它們是通過一個固定的、可以重複的演算法產生的(只是重複的週期比較大)。它們不真正地隨機，因為它們實際上是可以計算出來的，但是它們具有類似於隨機數的統計特徵(分佈均勻)。這樣的生成器叫做偽隨機數生成器(PRNG, pseudo-random number generator)。
流加密的基本原理
流加密的原理很簡單，用前面提到的偽隨機數生成器(PRNG)根據祕鑰來生成一個與明文長度一樣的金鑰流，然後將金鑰流與明文流進行異或運算從而得到加密後的密文。解密時用同樣的演算法，根據金鑰通過PRNG得到金鑰流，將金鑰流與密文進行異或運算即可。這裡面遵循了一個很簡單的原則：對一個數據進行兩次相同的異或運算得到的還是原來的資料。
流加密的優缺點
優點：
- 實現簡單。流加密生成金鑰流後，只要進行一次異或運算即可；而像DES這樣的分組加密需要經過Feistel加密網路(16輪的置換操作)。
- 速度更快。因為流加密的簡單操作少，所以速度也比分組加密快。
- 變長金鑰。金鑰只負責生成金鑰流，金鑰流的生成與金鑰長度關係不大，這就使得流加密可以使用變長金鑰。
自己實現一個簡單的流加密
知道了上面的原理，我們可以實現一個簡單的流加密演算法，從而更深層的瞭解流加密演算法的原理。
首先我們知道C語言stdlib.h函式庫中有一個rand()函式可以生成0~0x7FFF範圍內的偽隨機數，而且可以通過srand()來設定隨機數種子，我們就用這兩個函式來實現一個流加密演算法：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
/*加密演算法：message被加密的訊息，count訊息長度，key加密金鑰*/
void crypto(char message[], int length, int key);
/*將字元位元組流轉16進位制*/
const char* toHexStr(const char* message, int length);
void main(int argc, char *argv[])
{
char msg[] = "Hello World!";
int key = 10;
int length = strlen(msg);
printf("before encryption:%s\n", toHexStr(msg, length));
// 加密
crypto(msg, sizeof(msg), key);
printf("after encryption :%s\n", toHexStr(msg, length));
// 解密
crypto(msg, sizeof(msg), key);
printf("after decryption :%s\n", toHexStr(msg, length));
system("pause");
}
void crypto(char message[], int length, int key)
{
char key_stream = 0;
int i = 0;
// 以金鑰作為種子
srand(key);
for (i = 0; i < length; i++)
{
// 生成與密文長度一致的金鑰流
key_stream = rand() & 0x00FF;
// 將明文與金鑰流進行異或運算得到密文
message[i] = message[i] ^ key_stream;
}
}
const char* toHexStr(const char* message, int length)
{
# define BUFFER_SIZE 4*1024+1
static const char CHAR_TABLE[] = "0123456789ABCDEF";
static char buffer[BUFFER_SIZE];
int i = 0, j = 0;
int high = 0, low = 0;
memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
while (i < length && j < BUFFER_SIZE)
{
// char只佔1個位元組，所以可以直接計算高4位和低四位
high = message[i] / 16;
low = message[i] % 16;
buffer[j++] = CHAR_TABLE[high & 0x000F];
buffer[j++] = CHAR_TABLE[low & 0x000F];
i++;
}
return buffer;
}我們可以看一下執行結果：
上面的程式把“Hello World!”這個字串進行了加密，金鑰是個整數10。這個加密演算法很簡單，所以也有很多缺陷，比如它只能接受正整數的金鑰，這些缺陷主要由於rand()這個隨機數產生器導致的，而很多知名流加密演算法就是在這個隨機數產生器上做文章。
RC4
Rivest Cipher 4是RSA公司的成員Ron Rivest於1987年設計的(RSA是三個麻省理工大學的學生創立的，著名的非對稱公鑰加密演算法RSA就是該公司發明的)。起初該演算法是商業機密，直到1994年，才被公之於眾。由於RC4具有演算法簡單，運算速度快，軟硬體實現都十分容易等優點，使其在一些協議和標準裡得到了廣泛應用。比如：SSL/TLS(Secure Sockets Layer/Transport Layer Security)，無線區域網WEP(Wired Equivalent Privacy)協議和WPA(Wi-Fi Protected Access)中都有RC4的應用。
Ron Rivest共設計了六套加密演算法，都以RC命名，其中RC4是流加密方式實現的，RC2是一種分組加密演算法實現，RC6更是AES演算法徵集的入圍者，更多內容點選這裡