【密码学03】对称密码算法
前一篇文章【密码学02】密码系统原理及数学背景 提到了密码算法。每个密码算法都基于相应的数学理论。密码学发展至今，已经产生了大量优秀的密码算法，通常分为两类：对称密码算法和非对称密码算法。
对称密码算法是指有了加密密钥就可以推算出解密密钥，有了解密密钥就可以推算出加密密钥的的算法。还是用公式表示比较简洁：
EK1(P)
= C
DK2(C)
= P
其中E为加密算法，D为解密算法，P为明文，C为密文，K1为加密密钥，K2为解密密钥。在对称密码算法中，有了K1，就可以推算出K2，而有了K2，也可以推算出K1。实际应用的大多数对称密码算法中，K1与K2相同。因此对称密码算法的加密与解密关系如下：
EK(P)
= C
DK(C)
= P
加密与解密都使用密钥K。
之所以叫对称加密算法，就是加密与解密的密钥相同。
常见的对称密码算法有以下这些：
1) DES，数据加密标准。由IBM于1970年代开发。DES算法使用的密钥长度表示为64位(bit)，但每个第8为都用作奇偶校验，所以对于使用者而言，密钥长度是56位。DES将消息分成64位长的分组，一次加密一个分组，最后一个分组如果不满64位，需要按照某种策略填满64位，如下图所示。
DES由于密钥太短，而且密钥空间中存在弱密钥，因此现在已经不再安全了。1977年斯坦福大学的两位密码学大师Diffie和Helman设计了一台机器，只要给定一小段明文和匹配的密文，一天之内即可推算出密钥。
2) 三重DES，DES的增强版本。如下图所示，还是利用DES密码算法，但是利用三次，加密过程为“加密-解密-加密”，解密过程为“解密-加密-解密”。
用公式可以表示为：
EK1(DK2(EK3(P))) = C
//加密
DK1(EK2(DK3(C))) = P
//解密
由于三次过程使用的密钥不一样，所以相当于增加了密钥长度。实际应用中，K1和K3是相同的，也就是外层的两次加密和两次解密使用相同的密钥。这样，三重DES的密钥长度就相当于K1+K2的长度，即112位(DES的密钥长度为56位)。采用“加密-解密-加密”模式的理由是为了与DES保持兼容，只要设置K1=K2=K3，三重DES不就和DES一样了吗？只是多了两道运算步骤而已。
三重DES只是DES的一个变种，还有其它变种，例如DESX、CRYPT(3)、GDES、RDES、snDES等等。
3) AES，高级加密标准。也叫Rijndael算法，由两位比利时密码学家发明，参与了NIST（美国标准和技术委员会）1997年组织的公开密码学竞赛，最终以优异的技术特性胜出成为加密标准。AES以前一篇文章提到的迦罗瓦域理论为数学基础。AES也是分块对数据加密，只是块的长度并不像DES那样定死为64位。Rijndael的密钥长度可以从128位起以32位为间隔递增到256位。
Rijndael算法完全公开、安全性好、运算速度极快。如果取密钥长度为128位，想用穷举法破解密钥，就算有一台内含1000亿个处理器的计算机，并且每个处理器每秒处理100亿个密钥，也要运行100亿年才能搜索完整个密钥空间。
4) 其它对称密码算法，有IDEA、Lucifer、Madryga、NewDES、FEAL、REDOC、LOKI、RC2、MMB、GOST、CAST、Blowfish、SAFER、3-WAY、RC5、等等，现在的密码算法真是太多了。IDEA是International Data Encryption Algorithm（国际数据加密算法）的缩写，该算法设计者是James Massey和Xuejia Lai（来学嘉）博士。来学嘉是瑞士籍华人，1954年出生，西安电子科大的硕士毕业生。James Massey是来学嘉的导师。
IDEA算法安全性比DES好(和AES差不多)，能抵抗差分密码分析的攻击，而DES不行。IDEA的加密速度比DES快，加密数据速率可达到177MB/秒，也和AES差不多。
