1.什么是對稱密碼算法 網(wǎng)絡(luò)安全通信中要用到兩類密碼算法，一類是對稱密碼算法，另一類是非對稱密碼算法。對稱密碼算法有時又叫傳統(tǒng)密碼算法、秘密密鑰算法或單密鑰算法，非對稱密碼算法也叫公開密鑰密碼算法或雙密鑰算法。對稱密碼算法的加密密鑰能夠從解密密鑰中推算出來，反過來也成立。在大多數(shù)對稱算法中，加密解密密鑰是相同的。它要求發(fā)送者和接收者在安全通信之前，商定一個密鑰。對稱算法的安全性依賴于密鑰，泄漏密鑰就意味著任何人都能對消息進行加密解密。只要通信需要保密，密鑰就必須保密。
對稱算法又可分為兩類。一次只對明文中的單個位（有時對字節(jié)）運算的算法稱為序列算法或序列密碼。另一類算法是對明文的一組位進行運算，這些位組稱為分組，相應(yīng)的算法稱為分組算法或分組密碼。現(xiàn)代計算機密碼算法的典型分組長度為64位――這個長度既考慮到分析破譯密碼的難度，又考慮到使用的方便性。后來，隨著破譯能力的發(fā)展，分組長度又提高到128位或更長。
常用的采用對稱密碼術(shù)的加密方案有5個組成部分（如圖所示）
1)明文：原始信息。
2)加密算法：以密鑰為參數(shù)，對明文進行多種置換和轉(zhuǎn)換的規(guī)則和步驟，變換結(jié)果為密文。
3)密鑰：加密與解密算法的參數(shù)，直接影響對明文進行變換的結(jié)果。
4)密文：對明文進行變換的結(jié)果。
5)解密算法：加密算法的逆變換，以密文為輸入、密鑰為參數(shù)，變換結(jié)果為明文。
2.對稱密碼常用的數(shù)學(xué)運算 對稱密碼當中有幾種常用到的數(shù)學(xué)運算。這些運算的共同目的就是把被加密的明文數(shù)碼盡可能深地打亂，從而加大破譯的難度。
◆移位和循環(huán)移位 移位就是將一段數(shù)碼按照規(guī)定的位數(shù)整體性地左移或右移。循環(huán)右移就是當右移時，把數(shù)碼的最后的位移到數(shù)碼的最前頭，循環(huán)左移正相反。例如，對十進制數(shù)碼12345678循環(huán)右移1位（十進制位）的結(jié)果為81234567，而循環(huán)左移1位的結(jié)果則為23456781。
◆置換 就是將數(shù)碼中的某一位的值根據(jù)置換表的規(guī)定，用另一位代替。它不像移位操作那樣整齊有序，看上去雜亂無章。這正是加密所需,被經(jīng)常應(yīng)用。
◆擴展 就是將一段數(shù)碼擴展成比原來位數(shù)更長的數(shù)碼。擴展方法有多種,例如,可以用置換的方法，以擴展置換表來規(guī)定擴展后的數(shù)碼每一位的替代值。
◆壓縮 就是將一段數(shù)碼壓縮成比原來位數(shù)更短的數(shù)碼。壓縮方法有多種，例如，也可以用置換的方法，以表來規(guī)定壓縮后的數(shù)碼每一位的替代值。
◆異或 這是一種二進制布爾代數(shù)運算。異或的數(shù)學(xué)符號為⊕ ，它的運算法則如下：
1⊕1 = 0
0⊕0 = 0
1⊕0 = 1
0⊕1 = 1
也可以簡單地理解為，參與異或運算的兩數(shù)位如相等，則結(jié)果為0，不等則為1。
◆迭代 迭代就是多次重復(fù)相同的運算，這在密碼算法中經(jīng)常使用，以使得形成的密文更加難以破解。
3.DES算法簡介 下面我們將介紹一種流行的對稱密碼算法DES。
DES是Data Encryption Standard（數(shù)據(jù)加密標準）的縮寫。它是由IBM公司研制的一種對稱密碼算法，美國國家標準局于1977年公布把它作為非機要部門使用的數(shù)據(jù)加密標準，三十年來，它一直活躍在國際保密通信的舞臺上，扮演了十分重要的角色。
DES是一個分組加密算法，典型的DES以64位為分組對數(shù)據(jù)加密，加密和解密用的是同一個算法。它的密鑰長度是56位（因為每個第8 位都用作奇偶校驗），密鑰可以是任意的56位的數(shù)，而且可以任意時候改變。其中有極少數(shù)被認為是易破解的弱密鑰，但是很容易避開它們不用。所以保密性依賴于密鑰。
DES加密的算法框架如下： 首先要生成一套加密密鑰，從用戶處取得一個64位長的密碼口令，然后通過等分、移位、選取和迭代形成一套16個加密密鑰，分別供每一輪運算中使用。
DES對64位(bit)的明文分組M進行操作，M經(jīng)過一個初始置換IP，置換成m0。將m0明文分成左半部分和右半部分m0 = (L0，R0)，各32位長。然后進行16輪完全相同的運算（迭代），這些運算被稱為函數(shù)f，在每一輪運算過程中數(shù)據(jù)與相應(yīng)的密鑰結(jié)合。
在每一輪中，密鑰位移位，然后再從密鑰的56位中選出48位。通過一個擴展置換將數(shù)據(jù)的右半部分擴展成48位，并通過一個異或操作替代成新的48位數(shù)據(jù)，再將其壓縮置換成32位。這四步運算構(gòu)成了函數(shù)f。然后，通過另一個異或運算，函數(shù)f的輸出與左半部分結(jié)合，其結(jié)果成為新的右半部分，原來的右半部分成為新的左半部分。將該操作重復(fù)16次。
經(jīng)過16輪迭代后，左，右半部分合在一起經(jīng)過一個末置換（數(shù)據(jù)整理），這樣就完成了加密過程。
加密流程如圖所示。
DES解密過程： 在了解了加密過程中所有的代替、置換、異或和循環(huán)迭代之后，讀者也許會認為，解密算法應(yīng)該是加密的逆運算，與加密算法完全不同。恰恰相反，經(jīng)過密碼學(xué)家精心設(shè)計選擇的各種操作，DES獲得了一個非常有用的性質(zhì)：加密和解密使用相同的算法！
DES加密和解密唯一的不同是密鑰的次序相反。如果各輪加密密鑰分別是K1，K2，K3…K16，那么解密密鑰就是K16，K15，K14…K1。這也就是DES被稱為對稱算法的理由吧。
至于對稱密碼為什么能對稱? DES具體是如何操作的？本文附錄中將做進一步介紹，有興趣的讀者不妨去讀一讀探個究竟。
4.DES算法的安全性和發(fā)展 DES的安全性首先取決于密鑰的長度。密鑰越長，破譯者利用窮舉法搜索密鑰的難度就越大。目前，根據(jù)當今計算機的處理速度和能力，56位長度的密鑰已經(jīng)能夠被破解，而128位的密鑰則被認為是安全的，但隨著時間的推移，這個數(shù)字也遲早會被突破。
另外，對DES算法進行某種變型和改進也是提高DES算法安全性的途徑。
例如后來演變出的3-DES算法使用了3個獨立密鑰進行三重DES加密，這就比DES大大提高了安全性。如果56位DES用窮舉搜索來破譯需要2∧56次運算，而3-DES 則需要2∧112次。
又如，獨立子密鑰DES由于每輪都使用不同的子密鑰，這意味著其密鑰長度在56位的基礎(chǔ)上擴大到768位。DES還有DESX、CRYPT、GDES、RDES等變型。這些變型和改進的目的都是為了加大破譯難度以及提高密碼運算的效率。
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附錄：DES的實際操作A.密鑰生成第A-1步 取得密鑰 從用戶處取得一個64位(本文均指二進制位))長的密碼口令key ，
去除64位密碼中作為奇偶校驗位的第8、16、24、32、40、48、56、64位，剩下的56位作為有效輸入密鑰。
第A-2步 等分密鑰表1：
輸入密鑰位序/ A位序?qū)φ毡?br style="line-height: normal; " />
注：表中每個單元格的數(shù)字是輸入密鑰位序，每個單元格的位置排序就是A位序，從左向右排，排完一行接著排下一行。
表2:
輸入密鑰位序/ B位序?qū)φ毡?br style="line-height: normal; " />
把在第A-1步中生成的56位輸入密鑰分成均等的A、B兩部分，每部分為28位。不是簡單地前后一分為二，而是參照表1和表2把輸入密鑰的位值填入相應(yīng)的位置。 按照表1所示，A的第一位為輸入的64位密鑰的第57位，A的第2位為64位密鑰的第49位，……，依此類推，A的最后一位第28位是64位密鑰的第36位。這樣，形成了A、B兩部分：
第A-3步 密鑰移位表3：
每次迭代時密鑰循環(huán)
左移的位數(shù)
DES算法的密鑰是經(jīng)過16次迭代（循環(huán)左移）得到一組密鑰的，把在第A-1步中生成的A、B視為迭代的起始密鑰，表3顯示每一次迭代時密鑰循環(huán)左移的位數(shù)。 比如在第1次迭代時密鑰循環(huán)左移1位，第3次迭代時密鑰循環(huán)左移2位。
第9次迭代時密鑰循環(huán)左移1位，第14次迭代時密鑰循環(huán)左移2位。
第一次迭代：
A(1) =
(1) A
B(1) =
(1) B
第i次迭代：
A(i) =
(i) A(i-1)
B(i) =
(i) B(i-1)
第A-4步 密鑰的選取
在第A-3步中第i次迭代生成的兩個28位長的密鑰為
把
合并，得：
表4：
56位密鑰C的位序與加密密鑰K的位序?qū)φ毡?br style="line-height: normal; " />
按照表4所示k的第一位為56位密鑰的第14位，k的第2位為56位密鑰的第17位，。。。，依此類推，k的最后一位第48位是56位密鑰的第32位。 這樣，就生成了一個48位使用密鑰：
這個密鑰在加密運算中將與進行第i次迭代加密的數(shù)據(jù)進行按位異或。
第A-5步 迭代 DES算法密鑰生成需要進行16次迭代，在完成16次迭代前，循環(huán)執(zhí)行第A-3步和第A-4步，最終形成16套加密密鑰：key[0]，key[1]，key[2]，…。key[14]，key[15]。
B. 數(shù)據(jù)的加密操作第B-1步 取得數(shù)據(jù) 把明文數(shù)據(jù)分成64位的數(shù)據(jù)塊，不夠64位的數(shù)據(jù)塊以適當?shù)姆绞窖a足。
第B-2步 初始換位置換表5：初始置換表
注：表中每個單元格的位置排序是新數(shù)據(jù)的位序。下同。
按照表5所示把輸入的64位數(shù)據(jù)的原第58位換到第一位，原第50位換到第二位，依此類推，。。。，原第7位換到第64位。最后的得到新的64位數(shù)據(jù)。
OldData
newData
第B-3步 數(shù)據(jù)擴展表6： 數(shù)據(jù)擴展對照表（輸入數(shù)據(jù)位序/生成新數(shù)據(jù)位序）
第一次迭代以第B-2步中生成的newRata作為輸入數(shù)據(jù)，第i (i > 1)次迭代以第i-1次的64位輸出數(shù)據(jù)為輸入數(shù)據(jù)，把64位數(shù)據(jù)按位置等分成左右兩部分：
保持left不變，根據(jù)表6把right由32位擴展置換成48位。在數(shù)據(jù)擴展操作中，有些輸入數(shù)據(jù)位（如第1、4、5、17、28、29、32……等數(shù)位）用了兩次，因此數(shù)據(jù)得到了擴展。這樣得到右半部分為：
把擴展后的48位right與第i次迭代生成的48位加密密鑰進行按位異或操作
形成一個新的48位的right。
第B-4步 數(shù)據(jù)壓縮表7.1：數(shù)據(jù)壓縮置換表（藍色欄內(nèi)是置換前的十進制數(shù)字，白色欄內(nèi)是置換后的16進制數(shù)字）
表7.2
表7.3 至表7.8與上表形式完全相同，僅數(shù)值不同，為節(jié)省篇幅從略不表。
在B-3步中形成了48位的right值,
需要把48位的right值轉(zhuǎn)換成32位的right值。置換的方法如下：
第一步，先把right視為由8個6位二進制塊組成， 即
a，b…. h都是6位二進制數(shù)，轉(zhuǎn)換成10進制整數(shù)的值應(yīng)當都不大于64。
第二步，a，b…h轉(zhuǎn)換成10進制整數(shù)后，在對應(yīng)的表中根據(jù)轉(zhuǎn)換后整數(shù)值取得對應(yīng)位置的替代值。這些替代值都是一個16進制的個位數(shù)，因此，每個替代值只占有二進制數(shù)4位。
轉(zhuǎn)換時各查各表：
a對應(yīng)表7.1；b對應(yīng)表7.2；c對應(yīng)表7.3；d對應(yīng)表7.4；e對應(yīng)表7.5；f對應(yīng)表7.6；g對應(yīng)表7.7；h對應(yīng)表7.8。
比如：
a = 32 ，則到表7.1中找到32的位置，把對應(yīng)的替代值16進制的8賦給a ；
b = 53 ，則到表7.2中找到的位置，把對應(yīng)的替代值16進制的c賦給b ；
g = 16， 則到表7.7中找到16的位置，把對應(yīng)的替代值16進制的a賦給g ；
這樣，每6位用一個4位替換，就完成了從48位向32位數(shù)據(jù)的壓縮置換。
有些資料中介紹6位轉(zhuǎn)4位的實現(xiàn)方法與本文所采用的不同，但殊途同歸，最終的目的是相同的。
第B-5步 數(shù)據(jù)換位置換表8
把第B-4步形成的32位right
根據(jù)表8進行轉(zhuǎn)換：
數(shù)據(jù)的原第16位換到第一位，原第7位換到第二位，……，依此類推，最后得到新的32位數(shù)據(jù)。
第B-6步 交換數(shù)據(jù) 把right 和left按位異或后的值賦給right，然后將本輪輸入的原始right值賦給left。
第B-7步 迭代 RES算法需要進行16次迭代，在完成16次迭代前，把第i-1次得到的的left和right的值作為第i次的輸入數(shù)據(jù)，重復(fù)第B-3步到第B-6步的步驟。但是有一點要記住：在步驟第B-3中第i次迭代要選擇第i次迭代生成的密鑰與數(shù)據(jù)進行按位異或。
第B-8步 數(shù)據(jù)整理表9
為保證加密和解密的對稱性，RES算法的前15次迭代每完成一次迭代都要交換left和right的值，第16次迭代不交換兩者的數(shù)值。
到此，把32位的left和right合并成64位的Data：
根據(jù)表9重新調(diào)整Data的位值，數(shù)據(jù)的原第40位換到第一位，原第8位換到第二位，。。。，依此類推，最后得到新的64位。
好了，經(jīng)過了這么多次的數(shù)學(xué)運算，我們最終得到的Data即為密文。
C 數(shù)據(jù)的解密操作 數(shù)據(jù)解密的算法與加密算法相同，區(qū)別在于第B-3步中和數(shù)據(jù)進行按位異或的密鑰的使用順序不同，在加密中是按照第i次迭代就采用第i次迭代生成的密鑰進行異或，而解密時第i次迭代就采用第17-i次迭代生成的密鑰和數(shù)據(jù)進行異或。