加密算法

2020-03-09 本文已影响0人 GitArtOS

一、对称密钥算法

概述

对称加密（Symmetric-key algorithm）是指加解密用同一个密钥的算法，根据具体实现分为流加密和分组加密两种类型：

流加密（Stream cipher）是对称加密常用的一种实现方法，加密和解密双方使用相同伪随机加密数据流，一般都是逐位异或随机密码本的内容。
分组加密加密（Block cipher），也叫块加密，将明文分成多个等长的模块（block），使用确定的算法和对称密钥对每组分别加密解密。现代分组加密建立在迭代的思想上产生密文。迭代产生的密文在每一轮加密中使用不同的子密钥，而子密钥生成自原始密钥。

对称加密普遍比非对称加密速度要快，实现更简单，适合大量内容的加密

DES

DES (Data Encryption Standard) 是一种分组加密算法

DES算法的入口参数有三个:Key,Data,Mode，Key是密钥密钥占7个字节56位（64位里另外8位是用来校验的），Data是加密内容，占8个字节64位，Mode是加密还是解密。

DES算法于1976被确定，现在已经被认为不够安全，主要原因是56位的密钥过短。据说这个算法因为包含一些机密设计元素，被怀疑内含美国国家安全局（NSA）的后门。

DES算法有个拓展算法叫3DES，就是对数据块进行三次DES加密，增加爆破成本，但本质上也不够安全。

RC4

RC4 (Rivest Cipher 4)是一种流加密算法

RC4起源于1987年，现在已经被认为不够安全。
RC4由伪随机数生成器和异或运算组成。RC4的密钥长度可变，范围是[1,255]。RC4一个字节一个字节地加解密。给定一个密钥，伪随机数生成器接受密钥并产生一个S盒。S盒用来加密数据，而且在加密过程中S盒会变化。

由于异或运算的对合性，RC4加密解密使用同一套算法。这个算法实现起来很简单，只用了最基本的加、异或、循环，话说我大学时某个课程设计的做的加密算法就是简化版的RC4。

之后还出现了RC5、RC6加密算法，但RC5和RC6都是分组加密，和RC4原理并不一样。

RC5

RC5 （Rivest Cipher 5） 是一种分组加密算法，它和RC2，RC4，RC6都是同一个叫Ronald Rivest的人设计的。

相比RC4，RC5的密钥成了128位，但RC5仍然只需要基础的加、异或、循环运算，可以在很多硬件上实现。RC5有三个参数：字的大小，循环轮数（round），密钥中的8位字节个数，所以可以说RC5是一种可变加密算法。实际上循环轮数12轮以下的RC5都被认为是不安全的，会被差分分析法（Differential cryptanalysis）攻击，18-20轮才足够安全。

目前来说，RC5还是挺安全的，因为实现简单，消耗资源少，在一些传感器、嵌入式设备上使用很合适。

RC6

RC6 （Rivest Cipher 6） 是RC5的加强版，也属于分组加密算法。

RC6算法在RC5算法基础之上针对RC5算法中的漏洞，主要是循环移位的位移量并不取决于要移动次数的所有比特，通过采用引入乘法运算来决定循环移位次数的方法，对RC5算法进行了改进，从而大大提高了RC6算法的安全性。

RC6曾作为AES（高级加密标准）备选算法之一，但最终AES选择了Rijndael算法。

AES

最后压轴出场的是最著名的单密钥对称加密算法AES (Rijndael)，AES是Advanced Encryption Standard的缩写，是美国国家标准与技术研究院2001年发布的新加密标准。

AES现在就是指的限定了区块长度和密钥长度的Rijndael算法，同样属于分组加密算法，该算法是两位比利时学者1998年发布的。起初还有很多算法参与了AES甄选，最终Rijndael凭借高安全性和清晰的数学结构而被选用。

AES将Rijndael算法的区块长度固定为128位，密钥长度可选128，192或256比特（Rijndael原版支持128-256，n*32的区块长度和密钥长度）。

AES算法包括4个步骤：

AddRoundKey—矩阵中的每一个字节都与该次回合密钥（round key）做XOR运算；每个子密钥由密钥生成方案产生。
SubBytes—通过一个非线性的替换函数，用查找表的方式把每个字节替换成对应的字节。
ShiftRows—将矩阵中的每个横列进行循环式移位。
MixColumns—为了充分混合矩阵中各个直行的操作。这个步骤使用线性转换来混合每内联的四个字节。最后一个加密循环中省略MixColumns步骤，而以另一个AddRoundKey替换。

截止现在（2016），AES在算法层面上是安全的。2005年有人公布过一种缓存时序攻击法，但使用场景非常极端。

二、非对称秘钥算法

概述

公钥加密的思想于1974年被提出，相比对称加密无需共享密钥，更加安全。但是没法加密大量数据，一般用来加密对称加密的密钥，而用对称加密加密大量数据。
非对称加密的原理如下：

消息发送方A在本地构建密钥对，公钥和私钥；
消息发送方A将产生的公钥发送给消息接收方B；
B向A发送数据时，通过公钥进行加密，A接收到数据后通过私钥进行解密，完成一次通信；
反之，A向B发送数据时，通过私钥对数据进行加密，B接收到数据后通过公钥进行解密。

RSA

RSA算法是最著名的非对称加密算法。RSA是1977年提出的，名字来源于Rivest、Shmir和Adleman三位作者。
我们平时用到的SSL协议，TLS协议都采用了该算法加密，SSH（Secure Shell）也是基于RSA实现的。

RSA的数学基础是极大整数的因数分解，具体实现过程如下：

随意选择两个大的质数p和q，p不等于q，计算N=pq。
根据欧拉函数，求得r=varphi (N) = varphi(p) * varphi(q)=(p-1)(q-1)
选择一个小于r的整数e，使e与r互质。并求得e关于r的模反元素，命名为d。
(N,e)是公钥，(N,d)是私钥。
加密时，加密的块 n^e ≡ c(MOD N)，得到的c就是密文。解密时，c^d ≡ n(MOD N)。

要破解RSA要解决怎么把一个极大数分解为两个质数p和q，然后通过欧拉函数再得到公钥和私钥。但极大数因数分解目前还没什么好办法，所以只要N足够大，RSA在算法层面上就是安全的。

当N的长度为256时，用普通电脑花几小时即可以分解，当N长度为512时需要花数月时间分解，1024时需要大型分布式系统才能分解，长度到2046则可以确保是完全安全的。目前已有记录里，被分解的极大数最大位数是768位，于2009年被分解。

RSA也常被用来做数字签名，在消息内附加一个私钥加密过的散列值（Message digest），以此来确保消息发送人是可靠的。
公钥私钥对生成

# 1.该命令会生成1024位的私钥,此时我们就可以在当前路径下看到rsa_private_key.pem文件了.
genrsa -out rsa_private_key.pem 1024
# 2.生成的密钥不是pcs8格式，我们需要转成pkcs8格式
pkcs8 -topk8 -inform PEM -in rsa_private_key.pem -outform PEM -nocrypt
# 3.生成 rsa 公钥
rsa -in rsa_private_key.pem -pubout -out rsa_public_key.pem

椭圆曲线算法

椭圆曲线算法（Elliptic curve cryptography）也是一种非对称加密算法，于1985年被提出，以下简称ECC。
相比RSA，同等破解难度时ECC的秘钥更短。另外，ECC可定义椭圆曲线群的双线性映射，该特性可能将来被用来实现身份基加密体制（Identity-Based Encryption，IBE）。

ECC的数学基础是求椭圆曲线离散对数问题。实现比较复杂我就不写了，因为我也看不懂(⊙﹏⊙)b。也正因为实现复杂，ECC的加解密速度慢，消耗资源也更多。

ECC也同样可以实现数字签名，叫做ECDSA。

ECC的秘钥长度最小要求是160位，建议是163位。目前已有的破解记录是109位，一万台机器破解了一年半。所以ECC在算法层面是可以保证安全的。

ElGamal

ElGamal加密算法是一种用于对采用Diff-Hellman方式进行交换的公钥进行加密，常被用于数字签名和密钥加密的算法，ElGamal的数学基础是有限域上的离散对数问题。

选择一个素数p和两个随机数g 、x （g、 x < p ），计算 y ≡ g^x（ mod p ），则其公钥为 y, g 和p ，私钥是x ，g和p可由一组用户共享。

ElGamal方法中一个明文对应两个加密结果(g^a和gb)，因此密文空间的大小是明文空间大小的两倍，也就是说纵观整个通信过程，收发密文的大小是实际明文大小的两倍。

三、哈希算法

概述

我们经常说MD5加密，但追根究底的话，MD5应该是哈希函数（Hash Function），而哈希函数并不等同于加密（Encrypt），不过我们平常也把哈希叫做加密。哈希函数也叫散列函数，散列函数把消息或数据压缩成摘要，使得数据量变小，将数据的格式固定下来。该函数将数据打乱混合，重新创建一个叫做散列值（hash values，hash codes，hash sums，或hashes）的指纹。散列值通常用来代表一个短的随机字母和数字组成的字符串。

说人话就是哈希（Hash）是将目标文本转换成具有相同长度的、不可逆的杂凑字符串，而加密（Encrypt）是将目标文本转换成具有不同长度的、可逆的密文。

哈希主要用来校验身份，错误检查，完整性检查。

MD5

MD5（Message-Digest5 Algorithm）即消息摘要算法，是最著名、应用最为广泛的一种哈希算法，于1992年被公开。MD5之前还有MD4、MD3、MD2等哥哥算法，MD5是最终的改进版。

MD5输入不定长度信息，输出固定长度为128-bits的散列