兄弟連區塊鏈教程區塊鏈背後的資訊保安2DES、3DES加密演算法原理一
區塊鏈教程區塊鏈背後的資訊保安2DES、3DES加密演算法原理一，2018年下半年，區塊鏈行業正逐漸褪去發展之初的浮躁、迴歸理性，表面上看相關人才需求與身價似乎正在回落。但事實上，正是初期泡沫的漸退，讓人們更多的關注點放在了區塊鏈真正的技術之上。
DES、3DES加密演算法原理及其GO語言實現
DES加密演算法，為對稱加密演算法中的一種。70年代初由IBM研發，後1977年被美國國家標準局採納為資料加密標準，即DES全稱的由來：Data Encryption Standard。 對稱加密演算法，是相對於非對稱加密演算法而言的。兩者區別在於，對稱加密在加密和解密時使用同一金鑰，而非對稱加密在加密和解密時使用不同的金鑰，即公鑰和私鑰。 常見的DES、3DES、AES均為對稱加密演算法，而RSA、橢圓曲線加密演算法，均為非對稱加密演算法。
DES是以64位元的明文為一個單位來進行加密的，超過64位元的資料，要求按固定的64位元的大小分組，分組有很多模式，後續單獨總結，暫時先介紹DES加密演算法。 DES使用的金鑰長度為64位元，但由於每隔7個位元設定一個奇偶校驗位，因此其金鑰長度實際為56位元。奇偶校驗為最簡單的錯誤檢測碼，即根據一組二進位制程式碼中1的個數是奇數或偶數來檢測錯誤。
Feistel網路
DES的基本結構，由IBM公司的Horst Feistel設計，因此稱Feistel網路。 在Feistel網路中，加密的每個步驟稱為輪，經過初始置換後的64位明文，進行了16輪Feistel輪的加密過程，最後經過終結置換後形成最終的64位密文。
64位元明文被分為左、右兩部分處理，右側資料和子金鑰經過輪函式f生成用於加密左側資料的位元序列，與左側資料異或運算，運算結果輸出為加密後的左側，右側資料則直接輸出為右側。 其中子金鑰為本輪加密使用的金鑰，每次Feistel均使用不同的子金鑰。子金鑰的計算，以及輪函式的細節，稍後下文介紹。 由於一次Feistel輪並不會加密右側，因此需要將上一輪輸出後的左右兩側對調後，重複Feistel輪的過程，DES演算法共計進行16次Feistel輪，最後一輪輸出後左右兩側無需對調。
DES加密和解密的過程一致，均使用Feistel網路實現，區別僅在於解密時，密文作為輸入，並逆序使用子金鑰。
go標準庫中DES演算法實現如下：
func cryptBlock(subkeys []uint64, dst, src []byte, decrypt bool) {
b := binary.BigEndian.Uint64(src)
//初始置換
b = permuteInitialBlock(b)
left, right := uint32(b>>32), uint32(b)
var subkey uint64
//共計16次feistel輪
for i := 0; i < 16; i++ {
//加密和解密使用子金鑰順序相反
if decrypt {
subkey = subkeys[15-i]
} else {
subkey = subkeys[i]
}
//feistel輪函式
left, right = right, left^feistel(right, subkey)
}
//最後一輪無需對調
preOutput := (uint64(right) << 32) | uint64(left)
//終結置換
binary.BigEndian.PutUint64(dst, permuteFinalBlock(preOutput))
}
//程式碼位置src/crypto/des/block.go
初始置換和終結置換
進入Feistel輪之前，64位明文需做一次初始置換。Feistel輪結束後，需做一次反向操作，即終結置換。 初始置換和終結置換目的是為加強硬體的破解難度而加的。
附go標準庫中使用的初始置換表和終結置換表如下：
//初始置換表
var initialPermutation = [64]byte{
6, 14, 22, 30, 38, 46, 54, 62,
4, 12, 20, 28, 36, 44, 52, 60,
2, 10, 18, 26, 34, 42, 50, 58,
0, 8, 16, 24, 32, 40, 48, 56,
7, 15, 23, 31, 39, 47, 55, 63,
5, 13, 21, 29, 37, 45, 53, 61,
3, 11, 19, 27, 35, 43, 51, 59,
1, 9, 17, 25, 33, 41, 49, 57,
}
//終結置換表
var finalPermutation = [64]byte{
24, 56, 16, 48, 8, 40, 0, 32,
25, 57, 17, 49, 9, 41, 1, 33,
26, 58, 18, 50, 10, 42, 2, 34,
27, 59, 19, 51, 11, 43, 3, 35,
28, 60, 20, 52, 12, 44, 4, 36,
29, 61, 21, 53, 13, 45, 5, 37,
30, 62, 22, 54, 14, 46, 6, 38,
31, 63, 23, 55, 15, 47, 7, 39,
}
//程式碼位置src/crypto/des/const.go
子金鑰的計算
DES初始金鑰為64位，其中8位用於奇偶校驗，實際金鑰為56位，64位初始金鑰經過PC-1金鑰置換後，生成56位串。 經PC-1置換後56位的串，分為左右兩部分，各28位，分別左移1位，形成C0和D0，C0和D0合併成56位，經PC-2置換後生成48位子金鑰K0。 C0和D0分別左移1位，形成C1和D1，C1和D1合併成56位，經PC-2置換後生成子金鑰K1。 以此類推，直至生成子金鑰K15。但注意每輪迴圈左移的位數，有如下規定：
var ksRotations = [16]uint8{1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1}
//程式碼位置src/crypto/des/const.go
go標準庫中DES子金鑰計算的程式碼如下：
func (c *desCipher) generateSubkeys(keyBytes []byte) {
key := binary.BigEndian.Uint64(keyBytes)
//PC-1金鑰置換，生成56位串
permutedKey := permuteBlock(key, permutedChoice1[:])
//56位串分左右兩部分，各28位，ksRotate為依次迴圈左移1位
leftRotations := ksRotate(uint32(permutedKey >> 28))
rightRotations := ksRotate(uint32(permutedKey<<4) >> 4)
//生成子金鑰
for i := 0; i < 16; i++ {
//合併左右兩部分，之後PC-2置換
pc2Input := uint64(leftRotations[i])<<28 | uint64(rightRotations[i])
c.subkeys[i] = permuteBlock(pc2Input, permutedChoice2[:])
}
}
//程式碼位置src/crypto/des/block.go
附go標準庫中使用的PC-1置換表和PC-2置換表：
//PC-1置換表
var permutedChoice1 = [56]byte{
7, 15, 23, 31, 39, 47, 55, 63,
6, 14, 22, 30, 38, 46, 54, 62,
5, 13, 21, 29, 37, 45, 53, 61,
4, 12, 20, 28, 1, 9, 17, 25,
33, 41, 49, 57, 2, 10, 18, 26,
34, 42, 50, 58, 3, 11, 19, 27,
35, 43, 51, 59, 36, 44, 52, 60,
}
//PC-2置換表
var permutedChoice2 = [48]byte{
42, 39, 45, 32, 55, 51, 53, 28,
41, 50, 35, 46, 33, 37, 44, 52,
30, 48, 40, 49, 29, 36, 43, 54,
15, 4, 25, 19, 9, 1, 26, 16,
5, 11, 23, 8, 12, 7, 17, 0,
22, 3, 10, 14, 6, 20, 27, 24,
}
//程式碼位置src/crypto/des/const.go
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