文章总结： 这篇文章详细介绍了对称加密算法中的DES和AES原理，包括DES的初始置换、分组加密、子密钥生成、S盒和P盒替换等步骤，以及AES的密钥轮询、字节替代、行移动、列混合等流程。文章通过流程图、表格和代码示例清晰地展示了两种加密算法的工作原理，对于理解数据加密技术具有重要价值。
综合评分： 88
文章分类： 应用安全,数据安全,网络安全,技术标准,安全建设
信息安全：对称加密与非对称加密算法原理详解
谈思实验室
2025年11月20日 18:06
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众所周知数据对于一个公司来说，非常重要，一旦数据泄露，公司将面临非常大的威胁，数据加密非常重要。
对称加密是指加密和解密使用相同密钥的加密算法，常见的对称加密算法有DES,DES3,AES加密算法。对称加密由于其加解密速度快，常被用于大量的数据加密场景，还有对传输效率要求高的场景如VPN之间的传输，但是由于其密匙不方便保存，所以适合于内部系统。
01
DES加密算法
DES加密算法是一种分组加密算法，通过将输入的明文按64位一组，进行分组加，加密过程分为初始置换明文，分组明文，生成子密匙，密匙与明文加密，经过S盒替(如表1.14所示)，P盒替换(如图1.16所示)，置换后的密文与原32位明文加密。具体流程图如下图1.1 DES加密流程图
图1.1 DES流程图
初始置换：初始置换是只将输入的64位明文，按照一个置换表进行置换位置，具体置换规则：初始数据里面的64是1号位，置换表的1则到了第40这个位置，那么64置换之后就到了第40这个位置、63是原来的2号位，在置换表里面是第8号位，所以63经过置换表则到了第8位，其他的位置执行同样的操作，具体操作如表1.1，表1.2，表1.3：
表1.1 初始数据表
表1.2 置换表
表1.3 置换后数据
拿到置换后的数据后，将明文分组左右两组。将初始置换之后的数据按前32位为左边L0，后32位为右边R0。具体分组如表1.4,1.5.
表1.4 左边L0
表1.5 右边R0
主密匙是用户定义的一个密匙，将一个主密匙生成16个子密匙，每一次操作用一个密匙。用户设置的一个64位key,我们将其忽略第8,16,24,32,40,48,56,64奇偶检验位。得到一个56位key,将其进行移位操作，再进行压缩置换就得到具体加密的KEY。具体操作如表1.6 所示
表1.6 移位操作是移位表
从表中我们可以知道，第一轮是左移一位，第三轮是左移两位,后面一堆位数安按照1.6所示即可。具体移位如表1.7，表1.8
表1.7 主密匙表
表1.8 左移一位后的密匙
移位之后进行压缩置换，将56位的密匙进行48位的置换表置换，得到48位密匙舍去8位，如表1.9,1.10，表1.11所示
表1.9 密匙
表1.10 48位置换表
表1.11 置换之后得到的数据KEY1
得到48位密匙后，因为明文分组是32位，所以对明文进行扩充置换成48位，以下操作是对明文进行扩充置换，对于扩充后的明文我们可以发现，他中间四列是原来的明文，并没有修改，增加的第一列是原明文的最后一列从倒数排列，新添加的第后一列，则是第一列的倒数。具体如表1.12，表1.13所示。
表1.12 左边明文L0
表1.13 扩充之后的明文L0
现在得到48位密匙和48位数据，就可以进行异或加密操作了。异或操作后面拿到的数据是加密后的数据，我们对此数据进行S盒替换和P盒替换。
S盒替换是将48位的数，分组8组，一组6位，进入S盒,一个S盒6位输入4位输出，及48位出入，进入8个S盒输出只有32位。具体替换如表1.14。
表1.14 S0盒
例如：输入为101110 那么他的第一位和最后一位组合10转换位10进制则为2及第2行，中间四为0111转为10进制及为7及第7列，所以第2行，第7列及为2转为2进制及为0010，所以输入101110，输出0010，S盒替换完成。经过S盒换以后就要经过P盒替换了，具体替换过程如下表1.15,1.16,1.17所示
表1.15 S盒替换后的数据
表1.16 P盒
表1.17 P盒置换后的数据
现在我们已经拿到P盒置换后的数据了，再跟我们第一次分组生成的32位左边的数据进行异或操作，这次拿到的数据就是我们第一轮加密后的数据，再进行左右互换，进行同样的加密操作，连续操作16次，加密就算完成了。
加密完成了，接下来就是解密了，解密和加密是同样的操作，输入64位明文，进行初始置换，将KEY倒着进行加密，密匙移位，加密是向左移，那么解密就是向右移，执行同样的操作就可以解密进行解密操作。
02
AES加密算法
AES加密算法是分组加密，每一组是16字节，是目前主流的高级加密算法。他的加密过程主要分为密匙轮询，字节替代，行移动，列混合，密匙加轮…….以上操作重复10次，输出的即是加密的数据，具体流程图如1.2所示
图2.1 AES加密流程图
密匙加轮：用密匙与原文进行异或操作，原文是128位，密文也是128位，首先将主密匙与原文进行异或操作，后面再用主密匙生成40位子密匙。密匙生成过程如下所示：
KEY = 3C A1 0B 21 57 F0 19 16 90 2E 13 80 AC C1 07 BD
初始密匙：
W[0]=3C A1 0B 21
W[1]=57 F0 19 16
W[2]=90 2E 13 80
W[3]=AC C1 07 BD
生成密匙算法：
1.如果i不是4的倍数，那么第i列用如下公式：
W[i]=W[i-4] XOR Wi-1
2.如果i是4的倍数，那么第i列用如下公式：
W[i]=W[i-4] XOR T(W[i-1])
解释一下T（）函数：由三部分组成，字循环，字节替代，轮常量代替异或。
a.字循环：将1个字中的4个字节循环左移1个字节。即将输入字[a0, a1, a2, a3]变换成 [a1,a2,a3,a0]。
b.字节代换：对字循环的结果使用S盒进行字节代换(具体S盒如图2.2所示)。
c.轮常量异或：将前两步的结果同轮常量进行异或。具体如表2.1所示
表2.1 轮询常量表
例如：
初始密匙
W[0]=3C A1 0B 21
W[1]=57 F0 19 16
W[2]=90 2E 13 80
W[3]=AC C1 07 BD
计算W[4],W[5],W[6],W[7]
求W[4]的时候，因为4是4的倍数，所以，我们先要求T(W[3])
W[3]= AC C1 07 BD
左移一位 得到 C1 07 BD AC
进入S和字节替换
进S盒替换时，例如替换C1，C则是行，1则是列，找到第C行第1列即可以找到替换的数字(16进制的数)，S盒具体如图1.3所示
图2.2 S盒
C1在S盒中对应78,
07在S盒中对应C5
BD在S盒中对应7A
AC在S盒中对应 91
所以经过第二步S盒替换变成了78,C5,7A,91
(3).将78 C5 7A 91 XOR 01 00 00 00 = 79 C5 7A 91
所以计算密匙如下：
W[4]= W[0] XOR T(W[3] ) = 3C A1 0B 21 XOR 79 C5 7A 91 = 45 64 71 B0
W[5]= W[1] XOR W[4] = 57 F0 19 16 XOR 45 64 71 B0 = 12 94 68 A6
W[6]= W[2] XOR W[5] = 90 2E 13 80 XOR 12 94 68 A6 = 82 BA 7B 26
W[7]= W[3] XOR W[6] = AC C1 07 BD XOR 82 BA 7B 26 = 2E 7B 7C 9B
同样的方法计算其他密匙。
有了密匙，将明文与密匙异或运算，接下来进行字节替代。例如，假设我们明文与密匙加轮得到的数据是abcdefghijklmnop具体如表2.2,2.3,2.4所示
表2.2 轮询后的数据
表2.3 转化为16进制
表2.4S盒替代之后的数据
S盒如图1.3所示，如果替换后出来本就是16进制的数则不需要转换，如果不是将a转为16进制0x61则在S盒中找到第6行第1个数，这个数就是要替换的数，替换其他数也是同样的操作。
接下来就是行移动，列混合就是将每一列移动不同的位数，第一列不移动，第二列移动一位，第三列移动两位，第四列移动三位。具体一位如下表2.5,2.6：
表2.5 移位前的数据
表2.6 移位后的数据
行移动后就是列混合了，列混合就是将行移动后的矩阵乘一个固定矩阵。具体如下表2.7,2.8所示
表2.7行移动后的数据
表2.8先转10进制
转10进制进行与固定矩阵相乘
得到结果矩阵后，将其转为16进制，到此第一轮加密结束，后续只需将结果矩阵当成第2个KEY进行执行同样的加密操作。
解密操作和加密操作一样，用最后一组密匙对密文进行密匙轮询，再用逆S盒进行字节替代，行移动是向右移动，列混合是乘固定矩阵的逆矩阵，后面操作与前面操作一样，轮询10次即可解密回来。
AES加密的代码实现，由于代码过多，只列出主要加密，解密代码，具体代码如图2.3,2.4,2.5,2.6所示
AES加密代码
图2.3 AES加密代码
AES解密代码
图2.4 AES解密代码
AES输出代码
图2.5 AES输出代码
图2.6 AES加密输出，解密回来结果
来源：知乎@知了乎
https://zhuanlan.zhihu.com/p/147009696
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