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


Des

发展史

整体结构

Go-Des和3Des算法详解与代码

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

Go-Des和3Des算法详解与代码
一轮迭代

按下述规则进行16次迭代,1≤i≤16

Go-Des和3Des算法详解与代码 Go-Des和3Des算法详解与代码

轮函数F

Go-Des和3Des算法详解与代码

F(Go-Des和3Des算法详解与代码,Go-Des和3Des算法详解与代码)以长度为32比特串Go-Des和3Des算法详解与代码作为第一输入,以长度为48比特串Go-Des和3Des算法详解与代码作为第二个输入,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

Go-Des和3Des算法详解与代码扩展为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

Go-Des和3Des算法详解与代码的E扩展和Go-Des和3Des算法详解与代码进行异或

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

Go-Des和3Des算法详解与代码

 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:Go-Des和3Des算法详解与代码

解密:Go-Des和3Des算法详解与代码

Go-Des和3Des算法详解与代码

  • 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 FeedbGo-Des和3Des算法详解与代码

解密:Go-Des和3Des算法详解与代码

注意,解密函数与加密函数一致

Go-Des和3Des算法详解与代码

  • 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。

Go-Des和3Des算法详解与代码

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:%sn",string(cipherText)) 	decryText,_ := DesDecrypt(cipherText,iv,key) 	fmt.Printf("解密后:%sn",string(decryText))

结果截图

Go-Des和3Des算法详解与代码

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

Go-Des和3Des算法详解与代码

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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版权声明:玥玥 发表于 2021-06-10 10:42:07。
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