密码学【对称加密-DES\AES】

前言

在密码学中，加密算法分为双向加密和单向加密。单向加密包括MD5、SHA等摘要算法，它们是不可逆的。双向加密包括对称加密和非对称加密，对称加密包括AES加密、DES加密等。双向加密是可逆的，存在密文的密钥。AES算法是DES算法的替代者，也是现在最流行的加密算法之一。

前言

一、DES加密算法

一、DES加密算法

什么是DES加密算法

DES加密算法，为对称加密算法中的一种。70年代初由IBM研发，后1977年被美国国家标准局采纳为数据加密标准，即DES全称的由来：Data Encryption StandardDES，也是是目前最为流行的加密算法之一

DES加密算法的原理

DES还是一种分组加密算法，该算法每次处理固定长度的数据段，称之为分组。DES分组的大小是64位，如果加密的数据长度不是64位的倍数，可以按照某种具体的规则来填充位。

DES是以64比特的明文为一个单位来进行加密的，超过64比特的数据，要求按固定的64比特的大小分组，分组有很多模式。DES使用的密钥长度为64比特，但由于每隔7个比特设置一个奇偶校验位，因此其密钥长度实际为56比特（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1）。奇偶校验为最简单的错误检测码，即根据一组二进制代码中1的个数是奇数或偶数来检测错误。

分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。

梳理整个过程

第一步：将初始密钥(64位，实际使用54位)转换成16个子密钥(48位)，将明文（明文需要一组一组的来，一组64位）

第二步：将分组好的明文又拆分成2组32位配上密钥进行加密

第三步：进行16轮的替代或交换的方式进行加密，并且一轮使用一个子密钥

第四步：得到密文（一组一组的得到，一组为64位）

详细过程原理以及实现请看大佬文章数据加密算法--详解DES加密算法原理与实现 - DreamGo - 博客园 (cnblogs.com)

二、AES加密算法

什么是AES加密算法

AES是高级加密标准，在密码学中又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，目前已经被全世界广泛使用，同时AES已经成为对称密钥加密中最流行的算法之一。

AES加密算法的原理

AES为分组密码，分组密码也就是把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完整个明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128位(如果不足则使用填充方式)，也就是说，每个分组为16个字节（每个字节8位）。密钥的长度可以使用128位、192位或256位。密钥的长度不同，推荐加密轮数也不同，且每一轮均需要一个子密钥，如下表所示：

AES	密钥长度（32位比特字)	分组长度(32位比特字)	加密轮数
AES-128	4	4	10
AES-192	6	4	12
AES-256	8	4	14

Tip：平时大家所说的AES128，AES192，AES256，实际上就是指的AES算法对不同长度密钥的使用

密钥扩展：其复杂性是确保算法安全性的重要部分。当密钥长度是128位时,AES的加密算法共迭代10轮，需要10个子密钥。AES的密钥扩展的目的是将输入的128位密钥扩展成11个128位的子密钥。AES的密钥扩展算法是以字为一个基本单位（一个字为4个字节），刚好是密钥矩阵的一列。因此4个字（128位）密钥需要扩展成11个子密钥，共44个字。

生成子密钥的数量比AES算法的轮数多一个，因为第一个密钥加法层进行密钥漂白时也需要子密钥。密钥漂白是指在AES的输入和输出中都使用的子密钥的XOR加法子密钥在图中都存储在W[0]、W[1]、...、W[43]的扩展密钥数组之中。k1-k16表示原始密钥对应的字节

AES加密算法涉及4种操作：字节替代（SubBytes）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns）和轮密钥加（AddRoundKey）。下图给出了AES加解密的流程

梳理整个过程

第一步：将对密钥进行扩散，明文进行分组

第二步：进行加密算法过程：字节替代、行位移、列混肴、轮密钥加

第三步：生成密文

详细过程原理看大佬文章

AES加密算法原理（加密过程） - Shawn_Michaels - 博客园 (cnblogs.com)

三、DES与AES的区别比较

AES和DES算法的主要区别

AES与DES之间的主要区别在于加密过程。在DES中，将明文分为两半，然后再进行进一步处理；而在AES中，整个块不进行除法，整个块一起处理以生成密文。相对而言，AES比DES快得多，与DES相比，AES能够在几秒钟内加密大型文件。

由于DES中使用的共享密钥的比特大小较小，因此它被认为不如AES安全。DES被认为更容易受到暴力攻击，而到目前为止，尚未遇到任何严重攻击的AES。

在灵活性的基础上评估算法的实现，AES比DES更具灵活性，因为它允许包括128、192、256位在内的各种长度的文本，而DES允许对64位固定文本进行加密。

DES回合处理中使用的功能是扩展，置换和替换，具有回合键的XOR操作，而AES回合中使用的功能是子字节，移位行，混合列和添加回合键。AES实际上在硬件和软件实现上都是高效的，而DES最初只在硬件上有效。

DES算法缺点：

分组比较短、密钥太短、密码生命周期短、运算速度较慢。

DES算法优点：

DES算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。

AES算法缺点：

目前尚未存在对AES 算法完整版的成功攻击，但已经提出对其简化算法的攻击。

AES算法优点：

1、运算速度快，对内存的需求非常低，适合于受限环境。

2、分组长度和密钥长度设计灵活， AES标准支持可变分组长度，分组长度可设定为32比特的任意倍数，最小值为128比特，最大值为256比特。

3、 AES的密钥长度比DES大，它也可设定为32比特的任意倍数，最小值为128比特，最大值为256比特，所以用穷举法是不可能破解的。

4、具有很好的抵抗差分密码分析及线性密码分析的能力。

总而言之，AES和DES算法之间的区别就是加密过程，这两种算法都有自己的优缺点，相对来说，AES比DES安全性高，运算速度快。

四、加密解密工具推荐

在线AES加密/解密工具，可以输入密钥进行加密和解密，支持可逆加密和解密操作，大家可以去测试：https://md5.cn/