对称加密流程说明

⑴ 【密码学笔记】第3部分 对称密码

跟诸位大牛相比，笔者阅历尚浅、经验不足，笔记中若有错误，还需继续修正与增删。欢迎大家的批评与指正。

查看上一篇请点击以下链接： 【密码学笔记】第2部分 历史上的密码

1. XOR运算

2. 一次性密码本

3. 对称密码算法

    3.1 DES

    3.2 三重DES

    3.3 AES

    3.4 Rijndael

4. 对称密码的选择

5. 对称密码的评价

参考书目

XOR运算，又称为 异或 运算，运算结果是 同0异1 。

对同一个比特序列进行两次XOR之后就会回到最初的状态，因此XOR运算可用于对称密码的加密和解密。

一次性密码本（又称为 维纳密码 ）是一种非常简单的密码，它的原理是“ 将明文与一串随机的比特序列进行XOR运算 ”。

一次性密码本是无法破译的。 这是因为在对它尝试解密的过程中，所有的排列组合都会出现，既会包含规则字符串，也会包含英文单词，还会包含乱码。由于明文中所有可能的排列组合都会出现，因此 我们无法判断其中哪一个才是正确的明文 。

一次性密码本是一种非常不实用的密码。 原因如下：

a. 密钥的配送 。（ 最大的问题 ）如果能够有一种方法将密钥安全地发送出去，那么就可以用同样的方法安全地发送明文。

b. 密钥的保存 。 密钥的长度必须和明文的长度相等。 如果能够有办法安全保存与明文一样长的密钥，那就有办法安全保存明文本身。

c. 密钥的重用 。在一次性密码本中绝对不能重用过去用过的随机比特序列，因为作为密钥的比特序列一旦泄露，过去所有的机密通信内容将全部被解密。

d. 密钥的同步 。在通信过程中，发送者和接收者的密钥的比特序列不允许有任何错位，否则错位的比特后的所有信息都将无法解密。

e. 密钥的生成 。一次性密码本需要生成大量的随机数，这里的随机数并不是通过计算机程序生成的伪随机数，而必须是无重现性的真正随机数。

DES是一种将64比特的明文加密成64比特的密文的对称密码算法，它的密钥长度是56比特。

DES是以64比特的明文（比特序列）为一个单位来进行加密的，这个64比特的单位称为 分组 。以分组为单位进行处理的密码算法称为 分组密码 。

DES每次只能加密64比特的数据，如果要加密的明文比较长，就需要对DES加密进行迭代，而迭代的具体方式就称为 模式(mode) 。

DES的基本结构又称为 Feistel网络 ，这一结构不仅被用于DES，在其他很多密码算法中也有应用。在Feistel网络中，加密的各个步骤称为 轮(round) ，整个加密过程就是进行若干次轮的循环。下图展现的是Feistel网络中一轮的计算流程。DES是一种16轮循环的Feistel网络。

一轮的具体计算步骤 如下：

a. 将输入的数据等分为左右两部分；

b. 将输入的右侧直接发送到输出的右侧；

c. 将输入的右侧发送到轮函数；

d. 轮函数根据右侧数据和子密钥，计算出一串看上去是随机的比特序列；

e. 将上一步得到的比特序列与左侧数据进行XOR运算，并将结果作为加密后的左侧。

我们需要用不同的子密钥对一轮的处理重复若干次，并在每两轮处理之间将左侧和右侧的数据对调。

Feistel网络的解密操作只要按照相反的顺序来使用子密钥就可以完成了。

Feistel网络的性质 ：

a. 轮数可以任意增加；

b. 加密时无论使用任何函数作为轮函数都可以正确解密（即使该函数不存在反函数）；

c. 加密和解密可以用完全相同的结构来实现。

综上所述，无论是任何轮数、任何轮函数，Feistel网络都可以 用相同的结构实现加密和解密 ，且加密的结果必定能够正确解密。

三重DES是为了增加DES的强度，将DES重复3次所得到的一种密码算法，也称为 TDEA ，通常缩写为 3DES 。

明文经过三次DES处理才能变成最后的密文，由于DES密钥的长度实质上是56比特，因此三重DES的密钥长度就是168比特。

三重DES并不是进行三次DES加密，而是 加密→解密→加密 的过程，目的是 让三重DES能够兼容普通的DES ，当所有密钥都相同时，三重DES也就等同于普通的DES。

尽管三重DES目前还被银行等机构使用，但其处理速度不高，除了特别重视向下兼容性的情况以外，很少被用于新的用途。

AES是取代其前任标准(DES)而成为新标准的一种对称密码算法。全世界的企业和密码学家提交了多个对称密码算法作为AES的候选，最终选出了一种名为 Rijndael 的对称密码算法，并将其确定为AES。

AES的选拔并不仅仅考虑一种算法是否存在弱点，算法的速度、实现的容易性等也都在考虑范围内。此外，这种算法还必须能够在各种平台上有效工作。

Rijndael是由比利时密码学家设计的 分组密码算法 ，被选为新一代的标准密码算法——AES。

和DES一样，Rijndael算法也是由多个 轮 构成的，其中每一轮分为 SubBytes 、 ShiftRows 、 MixColumns 和 AddRoundKey 共4个步骤。DES使用Feistel网络作为其基本结构，而Rijndael使用的是 SPN结构 。

加密过程 ：

a. 首先，需要 逐个字节 地对16字节的输入数据进行SubBytes处理，即以每个字节的值（0~255）为索引，从一张拥有256个值的 替换表 (S-Box)中查找出对应值（ 类似于简单替换密码 ）。

b. 进行ShiftRows处理，即以4字节为单位的 行(row) 按照一定的规则向左平移，且每一行平移的字节数是不同的。

c. 进行MixColumns处理，即对一个4字节的值进行比特运算，将其变为另外一个4字节值。

d. 最后，将MixColumns的输出与轮密钥进行 XOR ，即进行AddRoundKey处理。至此，Rijndael的一轮就结束了。实际上，在Rijndael中需要重复进行10~14轮计算。

在SPN结构中， 输入的所有比特在一轮中都会被加密 。和每一轮都只加密一半输入的比特的Feistel网络相比，这种方式的优势在于 加密所需要的轮数更少 。此外，这种方式还有一个优势，即 SubBytes、ShiftRows和MixColumns可以分别以字节、行和列为单位进行并行计算 。

在Rijndael的 加密 过程中，每一轮所进行的处理为：

SubBytes→ShiftRows→MixColumns→AddRoundKey

而在 解密 时，则是按照相反的顺序来进行的，即：

AddRoundKey→InvMixColumns→InvShiftRows→InvSubBytes

解密过程 ：

Rijndael算法背后有着 严谨的数学结构 ，即从明文到密文的计算过程可以全部用公式来表达，这是以前任何密码算法都不具备的性质。如果Rijndael的公式能够通过数学运算来求解，那也就意味着Rijndael能够通过数学方法进行破译，这也为新的攻击方式的产生提供了可能。

(1) 因为现在用暴力破解法已经能够在现实的时间内完成对DES的破译， DES不应再用于任何新的用途 。但是也需要保持与旧版本软件的兼容性。

(2) 尽管在一些重视兼容性的环境中会使用三重DES，但 我们也没有理由将三重DES用于新的用途 ，它会逐渐被AES所取代。

(3) 现在应该使用的算法是AES(Rijndael) ，因为它安全、快速，而且能够在各种平台上工作。

(4) AES最终候选算法应该可以作为AES的备份 ，因为这些密码算法也都经过了严格的测试，且没有发现任何弱点。

(5) 一般来说， 我们不应该使用任何自制的密码算法 ，而是应该使用AES。

优点 ：

使用一种密钥空间巨大，且在算法上没有弱点的对称密码，就可以通过密文来确保明文的机密性。 巨大的密钥空间能够抵御暴力破解，算法上没有弱点可以抵御其他类型的攻击。

不足 ：

a. 用对称密码进行通信时，还会出现 密钥的配送问题 ，即如何将密钥安全地发送给接受者。为了解决密钥配送问题，需要 公钥密码技术 。

b. 尽管使用对称密码可以确保机密性，但仅凭这一点还并不能完全放心。 例如发送者可能发送伪造的密文，并利用解密时返回的错误来盗取信息。

衷心感谢您的阅读。

查看下一篇请点击以下链接： 【密码学笔记】第4部分 分组密码的模式

⑵ HTTPS加密（握手）过程

第一步散弊纯：客户端会发起一个hello client请求，请求中会携带TLS版本信息、加密套件候选列表、压缩算法候选列表以及一个随机数。
第二步：服务端收到请求以后也会给客户端发一个server hello请求，请求中会告诉客户端它选择的协议版本、加密套件、压缩算法以及一个随机数。
第三步：服务端会给客户端发一个server certificate请求，里面包含服务端的数字证书，用于客户端进行校验。
第四步：服务端会给客户端发一个server hello done告诉客户端信息已发送完毕。
第五步：客户端收到证书以后进行校验获取到服务端的公钥。
第六步：客户端会将自己的数字证书发给服务端用于校验。
第七步：客户端计算出一个随机数pre-master,然后用公钥进行加密发送给服务器端。
第八步：服务端和客卜模户端都根据自己的随机数+对端的随机数+pre-master算出对称密冲咐钥，然后再根据对称密钥进行通信。

⑶ 对称密钥加密技术的工作流程

SQL Server 2005一个令人激动的特性是内置了加密的功能。在这个新版的SQL Server中，开发团队直接在T-SQL中加入了加密工具、证书创建和密钥管理的功能。对于因为法律要求或商业需求而需要加密表中的数据的人来说，这是一个好礼物。对于犹豫是否用加密来保证数据安全的人来说，做决定也更容易了。这篇文章介绍新的加密功能是怎么工作，怎么使用。

TSQL现在支持使用对称密钥和非对称密钥，证书和密码。本文介绍如何创建、管理和使用对称密钥和证书。

根据涉及的内容，我决定把本文分为三节：

第一部分：服务主密钥和数据库主密钥
第二部分：证书
第三部分：对称密钥

1. 服务主密钥和数据库主密钥

图：SQL Server 2005加密层次结构

1.1 服务主密钥

当第一次需要使用服务主密钥对链接服务器密码、凭据或数据库主密钥进行加密时，便会自动生成服务主密钥。服务主密钥为 SQL Server 加密层次结构的根。服务主密钥直接或间接地保护树中的所有其他密钥和机密内容。使用本地计算机密钥和 Windows 数据保护 API 对服务主密钥进行加密。该 API 使用从 SQL Server 服务帐户的 Windows 凭据中派生出来的密钥。

因为服务主密钥是自动生成且由系统管理的，它只需要很少的管理。服务主密钥可以通过BACKUP SERVICE MASTER KEY语句来备份，格式为：

BACKUP SERVICE MASTER KEY TO FILE = 'path_to_file' ENCRYPTION BY PASSWORD = 'password'

'path_to_file' 指定要将服务主密钥导出到的文件的完整路径（包括文件名）。此路径可以是本地路径，也可以是网络位置的 UNC 路径。

'password' 用于对备份文件中的服务主密钥进行加密的密码。此密码应通过复杂性检查。

应当对服务主密钥进行备份，并将其存储在另外一个单独的安全位置。创建该备份应该是首先在服务器中执行的管理操作之一。

如果需要从备份文件中恢复服务主密钥，使用RESTORE SERVICE MASTER KEY语句。

RESTORE SERVICE MASTER KEY FROM FILE = 'path_to_file'
DECRYPTION BY PASSWORD = 'password' [FORCE]

'path_to_file' 指定存储服务主密钥的完整路径（包括文件名）。path_to_file 可以是本地路径，也可以是网络位置的 UNC 路径。

PASSWORD = 'password' 指定对从文件中导入的服务主密钥进行解密时所需的密码。

FORCE 即使存在数据丢失的风险，也要强制替换服务主密钥。

注：如果你在使用RESTORE SERVICE MASTER KEY时不得不使用FORCE选项，你可能会遇到部分或全部加密数据丢失的情况。

如果你的服务主密钥泄露了，或者你想更改SQL Server服务帐户，你可以通过ALTERSERVICE MASTER KEY语句重新生成或者恢复服务主密钥。它的用法请参考联机丛书。

因为服务主密钥是SQL Server自动生成的，所以，它没有对应的CREATE和DROP语句。

1.2 数据库主密钥

正如每个SQL Server有一个服务主密钥，每个数据库有自己的数据库主密钥。数据库主密钥通过CREATE MASTER KEY语句生成：

CREATE MASTER KEY ENCRYPTION BY PASSWORD = 'password'
这个语句创建数据库主密钥，使用指定的密码加密它，并保存在数据库中。同时，数据库主密钥也被使用服务主密钥加密之后保存在master数据库中，这就是所谓的“自动密钥管理”。这个特性我们待会再讲。

象服务主密钥一样，你可以备份和恢复数据库主密钥。使用BACKUP MASTER KEY备份数据库主密钥。语法类似于备份服务主密钥：
BACKUP MASTER KEY TO FILE = 'path_to_file'
ENCRYPTION BY PASSWORD = 'password'

恢复数据库主密钥使用RESTORE MASTER KEY语句，它需要使用DECRYPTION BY PASSWORD子句提供备份时指定的加密密码，还要使用ENCRYPTION BY PASSWORD子句，SQL Server使用它提供的密码来加密数据库主密钥之后保存在数据库中。
RESTORE MASTER KEY FROM FILE = 'path_to_file'
DECRYPTION BY PASSWORD = 'password'
ENCRYPTION BY PASSWORD = 'password'
[ FORCE ]

同样，FORCE表示你将忽略在解密过程中的错误。

建议你在创建了数据库主密钥之后立即备份数据库主密钥，并把它保存到一个安全的地方。同样，使用FORCE语句可能导致已加密数据的丢失。

要删除数据库主密钥，使用DROP MASTER KEY语句，它删除当前数据库的主密钥。在执行之前，确定你在正确的数据库上下文中。

1.3 自动密钥管理

当创建数据库主密钥时，它被使用提供的密码加密然后被保存到当前数据库中。同时，它被使用服务主密钥加密并保存到master数据库中。这份保存的数据库主密钥允许服务器在需要的时候解密数据库主密钥，这就是自动密钥管理。没有自动密钥管理的话，你必须在每次使用证书或密钥加密或解密数据（它需要使用数据库主密钥）时使用OPEN MASTER KEY语句同时提供加密的密码。使用自动密钥管理，你不需要执行OPEN MASTER KEY语句，也不需要提供密码。

自动密钥管理的缺点就是每个sysadmin角色的成员都能够解密数据库主密钥。你可以通过ALTER MASTER KEY语句的DROP ENCRYPTION BY SERVICE MASTER KEY子句，从而不使用自动密钥管理。ALTER MASTER KEY的使用方法参见联机丛书。

⑷ 非对称加密和对称加密的区别

非对称加密和对称加密在加密和解密过程、加密解密速度、传输的安全性上都有所不同，具体介绍如下：

1、加密和解密过程不同

对称加密过程和解密过程使用的同一个密钥，加密过程相当于用原文+密钥可以传输出密文，同时解密过程用密文-密钥可以推导出原文。但非对称加密采用了两个密钥，一般使用公钥进行加密，使用私钥进行解密。

2、加密解密速度不同

对称加密解密的速度比较快，适合数据比较长时的使用。非对称加密和解密花费的时间长、速度相对较慢，只适合对少量数据的使用。

3、传输的安全性不同

对称加密的过程中无法确保密钥被安全传递，密文在传输过程中是可能被第三方截获的，如果密码本也被第三方截获，则传输的密码信息将被第三方破获，安全性相对较低。

非对称加密算法中私钥是基于不同的算法生成不同的随机数，私钥通过一定的加密算法推导出公钥，但私钥到公钥的推导过程是单向的，也就是说公钥无法反推导出私钥。所以安全性较高。

⑸ 对称加密算法的工作原理、作用及其流程图

对称加密的核心——通信双方共享一个密钥

通信过程：

A有明文m，使用加密算法E，密钥key，生成密文c=E(key,m);

B收到密文c,使用解密算法D，密钥key，得到明文m=D(key,c);

比喻：

对称加密是最直观，也是历史最久远的加密手段，类似于加锁和解锁，只不过钥匙的个数非常多（~~2^100），一个人穷其一生也试不完所有可能的钥匙。