加密算法

1.单向散列算法

2.对称加密算法

1.RC4流密码

• 算法原理：RC4生成一种称为密钥流的伪随机流，它与明文通过异或操作混合，从而达到加密的效果。解密时与密文进行异或操作。其密钥流由两部分组成，分别是KSR和PRGA。

• KSA（the Key-Scheduling Algorithm）

  • 初始化256字节的数组S

    • 将S线性填充
    • 用种子密钥对另一表K进行填充
    • 用K表对S表进行初始置换

     for i from 0 to 255:
            S[i] = i
    
        j = 0
    
        for i from 0 to 255:
            j = (j + S[i] + K[i]) mod 256
            swap(S[i], S[j])

• PRGA

  • 密钥流的生成

    • 从S表中随机获取值组成密钥流与明文异或
    • 伪随机数的生成

    for r=0 to len do
        i=(i+1)%256
        j=(j+S[i])%256
        swap(S[i],S[j])
        t=(S[i]+S[j])%256
        k[r]=S[t]

    注：一旦密钥流生成，种子密钥就失去作用。

    (Python实现见PythonProject/RC4.py)

2.分组加密

1.电码本模式（ECB）

电码本模式的重点在于，使用相同的密钥对进行分组的等长的明文单独加密。

• 优点：每个数据块独立加密，可并行加密，实现简单。

• 缺点：相同明文会产生相同的密文，不具备数据完整保护性。也就是说，它并不具备混淆和扩散的能力，攻击者可以通过相同的密文块推断明文的一些信息。

• 适用场景：短消息的加密传输，比如对加密密钥的传输。

2.密文分组链接模式（CBC）

密文分组链接模式的重点在于：

• 将前一个密文块与当前明文块进行异或运算之后再加密。
• 初始向量用于第一个块的加密。
• 加密算法的输入是上一个密文分组和当前明文分组的异或结果。

优缺点及适用场景：

• 优点：每个密文块的加密依赖前一个密文块，具备数据完整保护性。
• 缺点：传输过程中的错误会传播下去，不适合并行处理。
• 适用场景：适用于常规文件加密，非实时加密等场景。

3.密文反馈模式(CFB)

密文反馈模式的重点在于：

• 将前一个密文块作为加密算法的输入。

• 加密算法生成一个密钥流，再与当前的明文块进行异或得到密文块。

• 明文本身并不在加密算法中。

优缺点及适用场景：

• 优点：可以处理任意长度的数据，实时加密解密，可以部分解密数据。
• 缺点：错误传播的敏感性，不适合并行处理，需要保证初始向量的唯一性和完整性。

4.输出反馈模式（OFB）

输出反馈模式的重点在于：

• 前一个加密算法的输出作为下一个加密算法的输入

• 加密后得到密钥流

• 密钥流与明文进行异或得到密文块

CFB和OFB模式的唯一不同在于密钥流的获取方式不同。

优缺点及适用场景：

• 优点：长度可变，实时加密，错误传播敏感。

• 缺点：传输错误不可恢复 ，无法提供数据完整性保护，不支持并行加密。

• 适用场景：实时数据流加密和随机访问的场景。

5.计数器模式（CTR）

计数器模式重点在于：

• 每一个明文分组都与一个经过加密的计数器异或。
• 对于后续的分组，计数器自增
• 加密算法针对的是计数器

优缺点及适用场景：

优点：

• 可以并行处理
• 随机访问，根据计数器的值和密钥生成密钥流
• 不受错误传播的影响

缺点：

• 计数器必须唯一
• 密钥流和明文的相关性较弱

适用场景：

• 并行加密
• 随机访问
• 实时加密

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3.TEA系列加密算法

4.DES加密算法

​ DES是一个经典的分组加密算法，通常一组是64位的数据，以电码本模式加密以下是加密步骤：

1. 密钥生成：首先，从用户提供的64位密钥中提取出56位有效密钥（每第8位用于奇偶校验），然后生成16个子密钥，供每轮加密使用。
2. 初始置换（IP）：对64位输入数据进行初始置换，重排列数据的位。
3. 16轮加密：进行16轮的 Feistel 结构加密。在每一轮中，数据被分为左右两个32位部分，右半部分经过扩展置换和与当前轮的子密钥进行异或运算，经过S-盒替换后，再经过P-盒置换，最后与左半部分进行异或运算，交换左右部分。
4. 逆初始置换（IP⁻¹）：在完成16轮加密后，对数据进行逆初始置换，得到最终的密文

1.密钥生成

​ 种子密钥为64位且唯一，经过两轮置换选择变为48位：

• PC1置换：

  PC1置换将8位校验位去除，并进行比特重排打乱顺序

  

• 将PC1置换后的56位中间密钥分为C,D两部分，经过16次迭代，每次迭代进行不同次数的循环左移，得到打乱顺序后的56位中间密钥,值得注意的是，每一次迭代都是在前一次产生的C_i，D_i的基础上进行循环左移，生成C_i+1，D_i+1且这里的每一次迭代都生成一个中间密钥M-key_i，只有这样才能保证能输出16个不同子密钥。

  

• PC2置换：

​ 使用PC2置换将56位中间密钥M-key_i去除8位并打乱

• 得到48位密钥key_i。

2.初始置换

​ 使用IP(Initial Permutation)置换对明文进行比特重排。

3.16轮迭代加密

​ 进行16轮的 Feistel 结构加密。

Feistel结构加密

​ Feistel结构加密是指在每一轮中，数据被分为左右两个32位部分A_i，B_i，左半部分变不变，右半部分经过E扩展置换和与当前轮的子密钥进行异或运算，经过S-盒替换后，再经过P-盒置换，最后与左半部分进行异或运算，交换左右部分。

1.E扩展置换

​ E扩展置换将32位的B_i置换为48位的数据。而将32位扩展至48位关键在于将32位均分为8组，每一组的4位数据如何扩展至6位。

​ E扩展将原4位数据前后各加一位以此达到扩展的目的，前一位来自于前一组的最后一位，后一位来自后一组的第一位。第一组的前一位来自最后一组的最后一位，最后一组的后一位来自第一组的第一位。最终得到EB_i以下是一个示例：

2.与子密钥异或

​ EB_i^key_i

3.S-盒压缩

​ S-盒压缩将EB_i均分为8组，将头尾数据分别转化为10进制数，以头尾十进制作行数，中间十进制数作列数，在S-盒表中查找对应数据，得到的十进制数转化为2进制就得到压缩后的4位数据，拼接起来得到32位数据SEB_i。

4.P-盒替换

​ 将SEB_i进行P-盒置换得到PSEB_i。

5.与A_i进行异或

​ 将PSEB_i与A_i进行异或，赋值给A_i+1，将A_i赋值给B_i+1。

4.逆初始置换（IP⁻¹）

3.公开密钥加密算法

4.其他算法

2.Base64编码

​ Base64编码将二进制数据编码为可显示的字母和数字，用于传送图形，声音和传真等非文本数据，常用于MIME电子邮件格式中。其使用含有65个字符的ASCII字符集，并用6个进制位表示一个可显示字符。

• Base64编过程：

  • 以3个字节为一组，将第一个字节放在24位缓冲区的高8位，第二个放在中8位，第三个放在低8位。

  • 对24位缓冲区以6位为索引，高位优先，从字符串“ABCDEFGHIJKLMN OPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/”中取出相应元素作为输出

  • 如果仅有一字节或两字节输入，那么只使用输出的2~3个字节，其余用”=“填充

  • “ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/”即为字符集

    

（关于Base64的解码程序，详见PythonProject1/Base64.py）

3.Hex编码

​ Hex编码将数据以16进制数表示。

​ 编码方式：每个字节（8位）的数据被转换为两个Hex字符。第一个字符代表字节的高4位，第二个字符代表字节的低4位。

​ 字符集：“0123456789abcdef”

​ (关于Hex编码的解码程序，详见Python/Hex.py)