兄弟连区块链教程区块链背后的信息安全2DES、3DES加密算法原理一

区块链教程区块链背后的信息安全2DES、3DES加密算法原理一，2018年下半年，区块链行业正逐渐褪去发展之初的浮躁、回归理性，表面上看相关人才需求与身价似乎正在回落。但事实上，正是初期泡沫的渐退，让人们更多的关注点放在了区块链真正的技术之上。

DES、3DES加密算法原理及其 GO 语言实现

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 Standard。 对称加密算法，是相对于非对称加密算法而言的。两者区别在于，对称加密在加密和解密时使用同一密钥，而非对称加密在加密和解密时使用不同的密钥，即公钥和私钥。 常见的DES、3DES、AES均为对称加密算法，而RSA、椭圆曲线加密算法，均为非对称加密算法。

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，后续单独总结，暂时先介绍DES加密算法。 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。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。

Feistel网络

DES的基本结构，由IBM公司的Horst Feistel设计，因此称Feistel网络。 在Feistel网络中，加密的每个步骤称为轮，经过初始置换后的64位明文，进行了16轮Feistel轮的加密过程，最后经过终结置换后形成最终的64位密文。

64比特明文被分为左、右两部分处理，右侧数据和子密钥经过轮函数f生成用于加密左侧数据的比特序列，与左侧数据异或运算，运算结果输出为加密后的左侧，右侧数据则直接输出为右侧。 其中子密钥为本轮加密使用的密钥，每次Feistel均使用不同的子密钥。子密钥的计算，以及轮函数的细节，稍后下文介绍。 由于一次Feistel轮并不会加密右侧，因此需要将上一轮输出后的左右两侧对调后，重复Feistel轮的过程，DES算法共计进行16次Feistel轮，最后一轮输出后左右两侧无需对调。

DES加密和解密的过程一致，均使用Feistel网络实现，区别仅在于解密时，密文作为输入，并逆序使用子密钥。

go标准库中DES算法实现如下：

func cryptBlock(subkeys []uint64, dst, src []byte, decrypt bool) {
    b := binary.BigEndian.Uint64(src)
    //初始置换
    b = permuteInitialBlock(b)
    left, right := uint32(b>>32), uint32(b)

    var subkey uint64
    //共计16次feistel轮
    for i := 0; i < 16; i++ {
        //加密和解密使用子密钥顺序相反
        if decrypt {
            subkey = subkeys[15-i]
        } else {
            subkey = subkeys[i]
        }
        //feistel轮函数
        left, right = right, left^feistel(right, subkey)
    }
    //最后一轮无需对调
    preOutput := (uint64(right) << 32) | uint64(left)
    //终结置换
    binary.BigEndian.PutUint64(dst, permuteFinalBlock(preOutput))
}
//代码位置src/crypto/des/block.go

初始置换和终结置换

进入Feistel轮之前，64位明文需做一次初始置换。Feistel轮结束后，需做一次反向操作，即终结置换。 初始置换和终结置换目的是为加强硬件的破解难度而加的。

附go标准库中使用的初始置换表和终结置换表如下：

//初始置换表
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,
}

//终结置换表
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,
}
//代码位置src/crypto/des/const.go

子密钥的计算

DES初始密钥为64位，其中8位用于奇偶校验，实际密钥为56位，64位初始密钥经过PC-1密钥置换后，生成56位串。 经PC-1置换后56位的串，分为左右两部分，各28位，分别左移1位，形成C0和D0，C0和D0合并成56位，经PC-2置换后生成48位子密钥K0。 C0和D0分别左移1位，形成C1和D1，C1和D1合并成56位，经PC-2置换后生成子密钥K1。 以此类推，直至生成子密钥K15。但注意每轮循环左移的位数，有如下规定：

var ksRotations = [16]uint8{1, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 1}
//代码位置src/crypto/des/const.go

go标准库中DES子密钥计算的代码如下：

func (c *desCipher) generateSubkeys(keyBytes []byte) {
    key := binary.BigEndian.Uint64(keyBytes)
    //PC-1密钥置换，生成56位串
    permutedKey := permuteBlock(key, permutedChoice1[:])

    //56位串分左右两部分，各28位，ksRotate为依次循环左移1位
    leftRotations := ksRotate(uint32(permutedKey >> 28))
    rightRotations := ksRotate(uint32(permutedKey<<4) >> 4)

    //生成子密钥
    for i := 0; i < 16; i++ {
        //合并左右两部分，之后PC-2置换
        pc2Input := uint64(leftRotations[i])<<28 | uint64(rightRotations[i])
        c.subkeys[i] = permuteBlock(pc2Input, permutedChoice2[:])
    }
}
//代码位置src/crypto/des/block.go

附go标准库中使用的PC-1置换表和PC-2置换表：

//PC-1置换表
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置换表
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,
}
//代码位置src/crypto/des/const.go

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