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1.密碼學簡介
2.對稱加密
3.分組加密模式
4.非對稱加密
5.單向散列函數
6.消息認證碼
7.數字簽名
8.證書
9.SSL/TLS

本文將介紹比特序列運算中的異或運算，同時簡單介紹DES、3DES、AES等對稱加密算法，最后給出對應的Golang加密代碼。

源代碼

比特序列密碼

首先我們要明白二個概念，一個是計算機編碼，我們都知道計算機操作的對象并不是文字圖像，而是有0和1排列組成的比特序列；一個是異或運算（XOR）, 二個不同的比特位異或運算結果是1，不同的比特位異或運算結果是0。

假設我們將01001100這個比特序列成為A，將10101010這個比特序列成為B，那么A與B的異或運算結果就如下所示：

image

由于二個相同的數進行異或運算的結果是0，因此如果將A與B異或的結果再與B進行異或預算，則結果就會變回A。

image

可能你已經發現了，上面的計算和加密、解密的步驟非常相似。

將明文A與秘鑰B進行加密運算，得到密文A⊕B
將密文A⊕B用秘鑰B進行解密，得到明文A

實際上，主要選擇一個合適的B，僅僅使用異或運算就可以實現一個高強度的密碼。

DES

DES（Data EncryptionStandard） 是1977年美國聯邦信息處理標準（FIPS）中所采用的一種對稱密碼（FIPS46.3）。DES一直以來被美國以及其他國家的政府和銀行等廣泛使用。然而，隨著計算機的進步，現在DES已經能夠被暴力破解，強度大不如前了。

RSA公司舉辦過破解DES密鑰的比賽（DESChallenge），我們可以看一看RSA公司官方公布的比賽結果：

1997年的DES Challenge1中用了96天破譯密鑰
1998年的DES ChallengeIl-I中用了41天破譯密鑰
1998年的DES ChallengeII-2中用了56小時破譯密鑰
1999年的DES ChallengeIll中只用了22小時15分鐘破譯密鑰

由于DES的密文可以在短時間內被破譯，因此除了用它來解密以前的密文以外，現在我們不應該再使用DES了。

加密和解密

DES是一種將64比特的明文加密成64比特的密文的對稱密碼算法， 它的密鑰長度是56比特。盡管從規格上來說，DES的密鑰長度是64比特，但由于每隔7比特會設置一個用于錯誤檢查的比特，因此實質上其密鑰長度是56比特。

DES是以64比特的明文（比特序列）為一個單位來進行加密的，這個64比特的單位稱為分組。一般來說，以分組為單位進行處理的密碼算法稱為分組密碼（blockcipher），DES就是分組密碼的一種。

DES每次只能加密64比特的數據，如果要加密的明文比較長，就需要對DES加密進行迭代（反復），而迭代的具體方式就稱為模式（mode）（后續文章詳細講解分組密碼的模式）。

大B -> bit

小b -> byte

秘鑰長度(56bit + 8bit)/8 = 8byte

DES的加密與解密 - 圖例

image

Go中對DES的操作

加解密實現思路

加密 - CBC分組模式
1. 創建并返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
  - 秘鑰長度為64bit, 即 64/8 = 8字節(byte)
2. 對最后一個明文分組進行數據填充
  - DES是以64比特的明文（比特序列）為一個單位來進行加密的
  - 最后一組不夠64bit, 則需要進行數據填充( 參考第三章)
3. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用DES加密的BlockMode接口
4. 加密連續的數據塊
解密
1. 創建并返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
2. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用DES解密的BlockMode接口
3. 數據塊解密
4. 去掉最后一組的填充數據

加解密的代碼實現

在Go中使用DES需要導入的包:

import (
    "crypto/des"
    "crypto/cipher"
    "fmt"
    "bytes"
)

DES加密代碼:

// src -> 要加密的明文
// key -> 秘鑰, 大小為: 8byte
func DesEncrypt_CBC(src, key []byte) []byte{
    // 1. 創建并返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
    block, err := des.NewCipher(key)
    // 2. 判斷是否創建成功
    if err != nil{
        panic(err)
    }
    // 3. 對最后一個明文分組進行數據填充
    src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
    // 4. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用DES加密的BlockMode接口
    //    參數iv的長度, 必須等于b的塊尺寸
    tmp := []byte("helloAAA")
    blackMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, tmp)
    // 5. 加密連續的數據塊
    dst := make([]byte, len(src))
    blackMode.CryptBlocks(dst, src)

    fmt.Println("加密之后的數據: ", dst)

    // 6. 將加密數據返回
    return dst
}

DES解密代碼

// src -> 要解密的密文
// key -> 秘鑰, 和加密秘鑰相同, 大小為: 8byte
func DesDecrypt_CBC(src, key []byte) []byte {
    // 1. 創建并返回一個使用DES算法的cipher.Block接口
    block, err := des.NewCipher(key)
    // 2. 判斷是否創建成功
    if err != nil{
        panic(err)
    }
    // 3. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用DES解密的BlockMode接口
    tmp := []byte("helloAAA")
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, tmp)
    // 4. 解密數據
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(src, dst)
    // 5. 去掉最后一組填充的數據
    dst = PKCS5UnPadding(dst)

    // 6. 返回結果
    return dst
}

最后一個分組添加填充數據和移除添加數據代碼

// 使用pks5的方式填充
func PKCS5Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte{
    // 1. 計算最后一個分組缺多少個字節
    padding := blockSize - (len(ciphertext)%blockSize)
    // 2. 創建一個大小為padding的切片, 每個字節的值為padding
    padText := bytes.Repeat([]byte{byte(padding)}, padding)
    // 3. 將padText添加到原始數據的后邊, 將最后一個分組缺少的字節數補齊
    newText := append(ciphertext, padText...)
    return newText
}

// 刪除pks5填充的尾部數據
func PKCS5UnPadding(origData []byte) []byte{
    // 1. 計算數據的總長度
    length := len(origData)
    // 2. 根據填充的字節值得到填充的次數
    number := int(origData[length-1])
    // 3. 將尾部填充的number個字節去掉
    return origData[:(length-number)]
}

測試函數

func DESText() {
    // 加密
    key := []byte("11111111")
    result := DesEncrypt_CBC([]byte("床前明月光, 疑是地上霜. 舉頭望明月, 低頭思故鄉."), key)
    fmt.Println(base64.StdEncoding.EncodeToString(result))
    // 解密
    result = DesDecrypt_CBC(result, key)
    fmt.Println("解密之后的數據: ", string(result))
}

重要的函數說明

生成一個底層使用DES加/解密的Block接口對象

函數對應的包: import "crypto/des"
func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error)
 - 參數 key: des對稱加密使用的密碼, 密碼長度為64bit, 即8byte
 - 返回值 cipher.Block: 創建出的使用DES加/解密的Block接口對象

創建一個密碼分組為CBC模式, 底層使用b加密的BlockMode接口對象

函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
    - 參數 b: 使用des.NewCipher函數創建出的Block接口對象
    - 參數 iv: 事先準備好的一個長度為一個分組長度的比特序列, 每個分組為64bit, 即8byte
    - 返回值: 得到的BlockMode接口對象

使用cipher包的BlockMode接口對象對數據進行加/解密

接口對應的包: import "crypto/cipher"
type BlockMode interface {
    // 返回加密字節塊的大小
    BlockSize() int
    // 加密或解密連續的數據塊，src的尺寸必須是塊大小的整數倍，src和dst可指向同一內存地址
    CryptBlocks(dst, src []byte)
}
接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
    - 參數 dst: 傳出參數, 存儲加密或解密運算之后的結果 
    - 參數 src: 傳入參數, 需要進行加密或解密的數據切片(字符串)

創建一個密碼分組為CBC模式, 底層使用b解密的BlockMode接口對象

函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
    - 參數 b: 使用des.NewCipher函數創建出的Block接口對象
    - 參數 iv: 事先準備好的一個長度為一個分組長度的比特序列, 每個分組為64bit, 即8byte, 
               該序列的值需要和NewCBCEncrypter函數的第二個參數iv值相同
    - 返回值: 得到的BlockMode接口對象

自定義函數介紹

對稱加密加密需要對數據進行分組, 保證每個分組的數據長度相等, 如果最后一個分組長度不夠, 需要進行填充
func PKCS5Padding(ciphertext []byte, blockSize int) []byte
    - 參數 ciphertext: 需要加密的原始數據
    - 參數 blockSize: 每個分組的長度, 跟使用的加密算法有關系
     * des：64bit， 8byte
     * 3des：64bit， 8byte
     * aes： 128bit， 16byte

三重DES

現在DES已經可以在現實的時間內被暴力破解，因此我們需要一種用來替代DES的分組密碼，三重DES就是出于這個目的被開發出來的。

三重DES（triple-DES）是為了增加DES的強度，將DES重復3次所得到的一種密碼算法，通?？s寫為3DES。

三重DES的加密

三重DES的加解密機制如下圖所示：

加->解->加 -> 目的是為了兼容DES(如果三個秘鑰都一樣)

3des秘鑰長度24字節 = 1234567a 1234567b 1234567a

明文: 10

秘鑰1: 2

秘鑰2: 3

秘鑰3: 4

加密算法: 明文+秘鑰

解密算法: 密文-秘鑰

10+2-3+4

image

)

image

明文經過三次DES處理才能變成最后的密文，由于DES密鑰的長度實質上是56比特，因此三重DES的密鑰長度就是56×3=168比特, 加上用于錯誤檢測的標志位8x3, 共192bit。

從上圖我們可以發現，三重DES并不是進行三次DES加密（加密-->加密-->加密），而是加密-->解密-->加密的過程。在加密算法中加人解密操作讓人感覺很不可思議，實際上這個方法是IBM公司設計出來的，目的是為了讓三重DES能夠兼容普通的DES。

當三重DES中所有的密鑰都相同時，三重DES也就等同于普通的DES了。這是因為在前兩步加密-->解密之后，得到的就是最初的明文。因此，以前用DES加密的密文，就可以通過這種方式用三重DES來進行解密。也就是說，三重DES對DES具備向下兼容性。

如果密鑰1和密鑰3使用相同的密鑰，而密鑰2使用不同的密鑰（也就是只使用兩個DES密鑰），這種三重DES就稱為DES-EDE2。EDE表示的是加密（Encryption) -->解密（Decryption)-->加密（Encryption）這個流程。

密鑰1、密鑰2、密鑰3全部使用不同的比特序列的三重DES稱為DES-EDE3。

盡管三重DES目前還被銀行等機構使用，但其處理速度不高，而且在安全性方面也逐漸顯現出了一些問題。

Go中對3DES的操作

加解密實現思路

加密 - CBC分組模式
1. 創建并返回一個使用3DES算法的cipher.Block接口
  - 秘鑰長度為64bit3=192bit, 即 192/8 = 24字節(byte)*
2. 對最后一個明文分組進行數據填充
  - 3DES是以64比特的明文（比特序列）為一個單位來進行加密的
  - 最后一組不夠64bit, 則需要進行數據填充( 參考第三章)
3. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用3DES加密的BlockMode接口
4. 加密連續的數據塊
解密
1. 創建并返回一個使用3DES算法的cipher.Block接口
2. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用3DES解密的BlockMode接口
3. 數據塊解密
4. 去掉最后一組的填充數據

加解密的代碼實現

3DES加密代碼

// 3DES加密
func TripleDESEncrypt(src, key []byte) []byte {
    // 1. 創建并返回一個使用3DES算法的cipher.Block接口
    block, err := des.NewTripleDESCipher(key)
    if err != nil{
        panic(err)
    }
    // 2. 對最后一組明文進行填充
    src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
    // 3. 創建一個密碼分組為鏈接模式, 底層使用3DES加密的BlockMode模型
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:8])
    // 4. 加密數據
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(dst, src)
    return dst
}

3DES解密代碼

// 3DES解密
func TripleDESDecrypt(src, key []byte) []byte {
    // 1. 創建3DES算法的Block接口對象
    block, err := des.NewTripleDESCipher(key)
    if err != nil{
        panic(err)
    }
    // 2. 創建密碼分組為鏈接模式, 底層使用3DES解密的BlockMode模型
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:8])
    // 3. 解密
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(dst, src)
    // 4. 去掉尾部填充的數據
    dst = PKCS5UnPadding(dst)
    return dst
}

重要的函數說明

生成一個底層使用3DES加/解密的Block接口對象

函數對應的包: import "crypto/des"
func NewTripleDESCipher(key []byte) (cipher.Block, error)
 - 參數 key: 3des對稱加密使用的密碼, 密碼長度為(64*3)bit, 即(8*3)byte
 - 返回值 cipher.Block: 創建出的使用DES加/解密的Block接口對象

創建一個密碼分組為CBC模式, 底層使用b加密的BlockMode接口對象

函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
    - 參數 b: 使用des.NewTripleDESCipher 函數創建出的Block接口對象
    - 參數 iv: 事先準備好的一個長度為一個分組長度的比特序列, 每個分組為64bit, 即8byte
    - 返回值: 得到的BlockMode接口對象

使用cipher包的BlockMode接口對象對數據進行加/解密

接口對應的包: import "crypto/cipher"
type BlockMode interface {
    // 返回加密字節塊的大小
    BlockSize() int
    // 加密或解密連續的數據塊，src的尺寸必須是塊大小的整數倍，src和dst可指向同一內存地址
    CryptBlocks(dst, src []byte)
}
接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
    - 參數 dst: 傳出參數, 存儲加密或解密運算之后的結果 
    - 參數 src: 傳入參數, 需要進行加密或解密的數據切片(字符串)

創建一個密碼分組為CBC模式, 底層使用b解密的BlockMode接口對象

函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
    - 參數 b: 使用des.NewTripleDESCipher 函數創建出的Block接口對象
    - 參數 iv: 事先準備好的一個長度為一個分組長度的比特序列, 每個分組為64bit, 即8byte, 
               該序列的值需要和NewCBCEncrypter函數的第二個參數iv值相同
    - 返回值: 得到的BlockMode接口對象

AES

AES（Advanced Encryption Standard）是取代其前任標準（DES）而成為新標準的一種對稱密碼算法。全世界的企業和密碼學家提交了多個對稱密碼算法作為AES的候選，最終在2000年從這些候選算法中選出了一種名為Rijndael的對稱密碼算法，并將其確定為了AES。

Rijndael的分組長度為128比特，密鑰長度可以以32比特為單位在128比特到256比特的范圍內進行選擇（不過在AES的規格中，密鑰長度只有128、192和256比特三種）。

128bit = 16字節
192bit = 24字節
256bit = 32字節

在go提供的接口中秘鑰長度只能是16字節

AES的加密和解密

和DES—樣，AES算法也是由多輪所構成的，下圖展示了每一輪的大致計算步驟。DES使用Feistel網絡作為其基本結構，而AES沒有使用Feistel網絡，而是使用了SPN Rijndael的輸人分組為128比特，也就是16字節。首先，需要逐個字節地對16字節的輸入數據進行SubBytes處理。所謂SubBytes,就是以每個字節的值（0～255中的任意值）為索引，從一張擁有256個值的替換表（S-Box）中查找出對應值的處理，也是說，將一個1字節的值替換成另一個1字節的值。

SubBytes之后需要進行ShiftRows處理，即將SubBytes的輸出以字節為單位進行打亂處理。從下圖的線我們可以看出，這種打亂處理是有規律的。

ShiftRows之后需要進行MixCo1umns處理，即對一個4字節的值進行比特運算，將其變為另外一個4字節值。

最后，需要將MixColumns的輸出與輪密鑰進行XOR，即進行AddRoundKey處理。到這里，AES的一輪就結東了。實際上，在AES中需要重復進行10 ~ 14輪計算。

通過上面的結構我們可以發現輸入的所有比特在一輪中都會被加密。和每一輪都只加密一半輸人的比特的Feistel網絡相比，這種方式的優勢在于加密所需要的輪數更少。此外，這種方式還有一個優勢，即SubBytes，ShiftRows和MixColumns可以分別按字節、行和列為單位進行并行計算。

image

SubBytes -- 字節代換
ShiftRows -- 行移位代換
MixColumns -- 列混淆
AddRoundKey -- 輪密鑰加

下圖展示了AES中一輪的解密過程。從圖中我們可以看出，SubBytes、ShiftRows、MixColumns分別存在反向運算InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns，這是因為AES不像Feistel網絡一樣能夠用同一種結構實現加密和解密。

image

InvSubBytes -- 逆字節替代
InvShiftRows -- 逆行移位
InvMixColumns -- 逆列混淆

Go中對AES的使用

加解密實現思路

加密 - CBC分組模式
1. 創建并返回一個使用AES算法的cipher.Block接口
  - 秘鑰長度為128bit, 即 128/8 = 16字節(byte)
2. 對最后一個明文分組進行數據填充
  - AES是以128比特的明文（比特序列）為一個單位來進行加密的
  - 最后一組不夠128bit, 則需要進行數據填充( 參考第三章)
3. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用AES加密的BlockMode接口
4. 加密連續的數據塊
解密
1. 創建并返回一個使用AES算法的cipher.Block接口
2. 創建一個密碼分組為鏈接模式的, 底層使用AES解密的BlockMode接口
3. 數據塊解密
4. 去掉最后一組的填充數據

加解密的代碼實現

AES加密代碼

// AES加密
func AESEncrypt(src, key []byte) []byte{
    // 1. 創建一個使用AES加密的塊對象
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil{
        panic(err)
    }
    // 2. 最后一個分組進行數據填充
    src = PKCS5Padding(src, block.BlockSize())
    // 3. 創建一個分組為鏈接模式, 底層使用AES加密的塊模型對象
    blockMode := cipher.NewCBCEncrypter(block, key[:block.BlockSize()])
    // 4. 加密
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(dst, src)
    return dst
}

AES解密

// AES解密
func AESDecrypt(src, key []byte) []byte{
    // 1. 創建一個使用AES解密的塊對象
    block, err := aes.NewCipher(key)
    if err != nil{
        panic(err)
    }
    // 2. 創建分組為鏈接模式, 底層使用AES的解密模型對象
    blockMode := cipher.NewCBCDecrypter(block, key[:block.BlockSize()])
    // 3. 解密
    dst := src
    blockMode.CryptBlocks(dst, src)
    // 4. 去掉尾部填充的字
    dst = PKCS5UnPadding(dst)
    return dst
}

重要的函數說明

生成一個底層使用AES加/解密的Block接口對象

函數對應的包: import "crypto/aes"
func NewCipher(key []byte) (cipher.Block, error)
 - 參數 key: aes對稱加密使用的密碼, 密碼長度為128bit, 即16byte
 - 返回值 cipher.Block: 創建出的使用AES加/解密的Block接口對象

創建一個密碼分組為CBC模式, 底層使用b加密的BlockMode接口對象

函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCEncrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
    - 參數 b: 使用aes.NewCipher函數創建出的Block接口對象
    - 參數 iv: 事先準備好的一個長度為一個分組長度的比特序列, 每個分組為64bit, 即8byte
    - 返回值: 得到的BlockMode接口對象

使用cipher包的BlockMode接口對象對數據進行加/解密

接口對應的包: import "crypto/cipher"
type BlockMode interface {
    // 返回加密字節塊的大小
    BlockSize() int
    // 加密或解密連續的數據塊，src的尺寸必須是塊大小的整數倍，src和dst可指向同一內存地址
    CryptBlocks(dst, src []byte)
}
接口中的 CryptBlocks(dst, src []byte) 方法:
    - 參數 dst: 傳出參數, 存儲加密或解密運算之后的結果 
    - 參數 src: 傳入參數, 需要進行加密或解密的數據切片(字符串)

創建一個密碼分組為CBC模式, 底層使用b解密的BlockMode接口對象

函數對應的包: import "crypto/cipher"
func NewCBCDecrypter(b Block, iv []byte) BlockMode
    - 參數 b: 使用des.NewCipher函數創建出的Block接口對象
    - 參數 iv: 事先準備好的一個長度為一個分組長度的比特序列, 每個分組為128bit, 即16byte, 
               該序列的值需要和NewCBCEncrypter函數的第二個參數iv值相同
    - 返回值: 得到的BlockMode接口對象

應選擇哪種對稱加密

前面介紹了DES、三重DES和AES等對稱密碼，那么我們到底應該使用哪一種對稱密碼算法呢？

今后最好不要將DES用于新的用途，因為隨著計算機技術的進步，現在用暴力破解法已經能夠在現實的時間內完成對DES的破譯。但是，在某些情況下也需要保持與舊版本軟件的兼容性。

出于兼容性的因素三重DES在今后還會使用一段時間，但會逐漸被AES所取代。

今后大家應該使用的算法是AES（Rijndael），因為它安全、快速，而且能夠在各種平臺上工作。此外，由于全世界的密碼學家都在對AES進行不斷的驗證，因此即便萬一發現它有什么缺陷，也會立刻告知全世界并修復這些缺陷。

一般來說，我們不應該使用任何自制的密碼算法，而是應該使用AES。因為AES在其選定過程中，經過了全世界密碼學家所進行的高品質的驗證工作，而對于自制的密碼算法則很難進行這樣的驗證。

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