深入浅出 区块链密码学（学习笔记2.0）——对称加密_区块链密钥是显示怎样的密码

一.引言

        这篇文章是继上一篇（学习笔记1.0）更新的文章（可以去主页查看相应内容），本篇文章主要讲解对称加密的工作原理、加密算法以及对称加密与哈希函数之间有哪些关联。希望对各位有帮助，也可以在评论区给予补充说明。

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二.何为对称加密

        对称加密是一种加密技术，使用相同的密钥来进行加密和解密。这意味着发送方和接收方都使用相同的密钥来加密和解密消息。密钥既用于加密明文（原始消息），也用于解密密文（加密后的消息）。

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加密、解密和密钥

加密（Encrypt）是从明文生成密文的步骤，解密（Decrypt）是从密文还原成明文的步骤，而这两个步骤都需要用到密钥（Key）。这和我们现实中，用钥匙上锁和开锁是一样的。

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让我们更详细地了解对称加密的工作原理和特点：

2.1 加密过程：

1. 选择密钥：发送方选择一个密钥。这个密钥必须保密，只有发送方和接收方知道。
2. 加密消息：发送方使用所选的密钥对要发送的消息进行加密。加密算法将明文消息和密钥作为输入，然后生成密文。
3. 发送加密消息：发送方将加密后的消息发送给接收方。

2.2 解密过程：

1. 接收加密消息： 接收方收到加密消息。
2. 使用密钥解密： 接收方使用与发送方共享的密钥对收到的加密消息进行解密。解密算法将密文和密钥作为输入，然后生成明文消息。
3. 获取原始消息：接收方获得解密后的明文消息。

2.3 特点和应用：

1. 快速：对称加密通常比非对称加密更快速，因为它涉及的操作较少。
2. 适用性广泛：对称加密适用于许多场景，如保护数据在传输过程中的机密性，存储在存储设备上的数据，以及在计算机系统内部传递的数据等等。
3. 密钥分发挑战： 对称加密需要在通信双方之间共享密钥。密钥的安全分发可能是一个挑战，因为如果密钥在传输过程中被拦截，就会导致加密通信的不安全性。
4. 常见算法： 常见的对称加密算法包括AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）、3DES、Blowfish等。

总的来说，对称加密是一种重要的加密技术，广泛应用于信息安全领域，可以保护数据的机密性，防止未经授权的访问和窃取。

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三.对称加密常见算法

3.1 DES算法

 DES（Data Encryption Standard，中文：数据加密标准），是一种对称加密算法。该算法在1976年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），并于1977年被发布，随后在国际上广泛流传开来。然而，随着计算机的进步，DES 已经能够被暴力破解，所以该算法已经不安全了。

DES是一种分组密码（Block Cipher，或者叫块加密），即将明文按64比特进行分组加密，每组生成64位比特的密文。它的密钥长度为56比特（从规格上来说，密钥长度是64比特，但由于每隔7比特会设置一个用于错误检查的比特，因此实际长度为56比特）。

3.1.1 使用DES算法进行对称加密的过程

以下是使用DES算法进行对称加密的基本过程：

加密过程

1. 选择密钥： 选择一个56位的密钥，这是DES算法的标准密钥长度。

2. 初始化： 将明文消息进行初始化处理，以确保其长度符合DES算法的要求。通常，如果明文消息的长度不是64位的倍数，会使用填充（Padding）技术进行填充。

3. 分组： 将初始化后的明文消息分成64位（8字节）的分组。

4. 初始置换（Initial Permutation）： 对每个分组应用初始置换，该置换将每个分组中的位重新排列。这是DES算法的一部分，目的是增加密码的强度。

5. 轮函数（Round Function）： 将初始置换后的分组输入到轮函数中。轮函数会使用子密钥对分组进行一系列的变换，包括置换、替换和移位等操作。

6. 轮加密（Round Encryption）： 对轮函数的输出进行轮加密操作，使用不同的子密钥对每个轮进行加密。

7. 最后一轮加密： 当所有轮完成后，得到的结果被输入到最后一轮加密中，产生最终的密文。

解密过程 

1. 选择密钥： 与加密过程相同，选择相同的56位密钥。

2. 初始化： 将密文消息进行初始化处理。

3. 分组： 将初始化后的密文消息分成64位的分组。

4. 初始逆置换（Initial Permutation Inverse）： 对每个分组应用初始逆置换，这是初始置换的逆操作。

5. 轮函数逆操作： 将初始逆置换后的分组输入到轮函数逆操作中。这是轮函数的逆操作，将使用与加密过程相同的子密钥进行逆操作。

6. 轮解密： 对轮函数逆操作的输出进行轮解密操作，使用不同的子密钥对每个轮进行解密。

7. 最后一轮解密： 当所有轮完成后，得到的结果被输入到最后一轮解密中，产生最终的明文。

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需要注意的是，DES算法是一种经典的对称加密算法，但由于其密钥长度较短且存在一些安全漏洞，已经不再推荐用于安全通信。更安全的替代算法包括AES（高级加密标准）。

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3.1.2 DES算法加解密例题（帮助理解）

这里我使用一个简单的例子来演示使用DES算法进行对称加密的过程，帮助大家理解。

假设我们有以下信息需要进行加密：
明文消息： "HELLO WORLD"
密钥： "SECRETKEY" （这个密钥需要进行处理才能符合DES算法的要求，但为了简化，我们假设密钥已经符合要求）

现在我们将使用DES算法对这条消息进行加密。

加密过程：

1. 初始化： 将明文消息进行初始化处理。

    明文消息："HELLO WORLD"
    
2. 分组： 将初始化后的明文消息分成64位（8字节）的分组。

    分组1："HELLO WO"
    分组2："RLDXXXXX"（填充字节）

3. 初始置换： 对每个分组应用初始置换，重新排列分组中的位。

    对分组1进行初始置换后的结果："WHELO OL"
    对分组2进行初始置换后的结果："XXXDRLLL"

4. 轮加密： 将初始置换后的分组输入到DES的轮函数中进行轮加密操作。

    对分组1进行轮加密后的结果："6A25D1B3"
    对分组2进行轮加密后的结果："3E14F35C"

5. 最后一轮加密： 将轮加密后的结果进行最后一轮加密，得到最终的密文。

    最终密文："6A25D1B3 3E14F35C"

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解密过程：

解密过程与加密过程相反，首先对密文进行初始逆置换，然后将结果输入到DES算法的轮函数逆操作中进行解密，最后进行轮解密和最后一轮解密操作，得到原始的明文消息。

需要注意的是：由于DES算法是一种块密码算法，因此如果消息的长度不是64位的倍数，需要进行填充。此外，实际上的DES密钥通常需要进行处理以符合算法的要求，但在这个例子中我们简化了这个过程。
 

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3.2 3DES算法

3DES是DES（Data Encryption Standard）的一种变体，它使用了三个DES密钥对数据进行多轮加密，以提高安全性。3DES可以提供比单个DES更高的安全性，同时保持了与DES兼容的加密解密过程。

3.2.1 3DES的密钥

在3DES中，密钥是由三个56位的DES密钥组成，总共为168位。这三个密钥分别用作加密的第一轮、第二轮和第三轮。由于DES密钥的长度是56位，但实际上只有其中的 64 位被用于加密，因此每个56位的密钥中有8位用作奇偶校验位。

3.2.2 3DES的加密过程

3DES的加密过程与DES的加密过程类似，但它使用了三个密钥和多次轮加密。下面是3DES的加密过程：

1. 初始轮密钥加（Initial Round Key Addition）： 将明文与第一个密钥进行一次轮密钥加操作。
2. 轮加密（Round Encryption）： 将初始轮密钥加后的消息输入到轮函数中进行轮加密操作。这个操作会多次重复，通常是16轮。
3. 后一轮加密（Final Round Encryption）： 当所有轮完成后，得到的结果被输入到最后一轮加密中，产生最终的密文。

注意：3DES的加密过程，并不是进行三次DES加密（加密→加密→加密），而是以密钥1、密钥2、密钥3的顺序，进行加密→解密→加密的过程。 

3.2.3 3DES的解密过程

3DES的解密过程与加密过程相反，它使用相同的三个密钥和相反的操作来还原原始消息。解密过程包括初始逆置换、轮解密和最后一轮解密。

 3.2.4 3DES的优点和缺点

优点：

•    提供了比单个DES更高的安全性，因为它使用了三个密钥和多次轮加密。
•    兼容性好，可以与现有的DES系统集成，因为它仍然使用了DES的加密解密过程。

缺点：

•    相对于AES等现代加密算法，3DES的加密速度较慢。
•    使用了多个密钥，密钥管理可能会更加复杂。

总的来说，3DES是一种经典的对称加密算法，它在一定程度上提高了数据的安全性，但由于加密速度较慢和密钥管理复杂等问题，现在逐渐被更先进的加密算法所取代。

3.2.5 3DES算法加解密例题

我们通过一个简单的例题来理解3DES算法的加密和解密过程。

例题：

假设我们有以下信息需要进行加密和解密：
明文消息： "HELLO"
密钥： "SECRETKE"（假设为了简化，密钥已经符合DES算法的要求）

加密过程：

1. 选择密钥：使用密钥 "SECRETKE"。

2. 初始化：将明文消息 "HELLO" 进行初始化处理。

3. 分组：将初始化后的明文消息分成64位（8字节）的分组。

   - 分组1："HELLOXXX" （"XXX" 代表填充字节，以确保分组长度为64位）

4. 初始轮密钥加： 将明文与第一个密钥进行一次轮密钥加操作。

   - 初始轮密钥加后的结果："ABCDNABC"（假设加密结果）

5. 轮加密： 将初始轮密钥加后的消息输入到轮函数中进行轮加密操作。假设我们执行3轮加密。

   - 第1轮加密后的结果："WXYZPQRS"
   - 第2轮加密后的结果："MNOPQRST"
   - 第3轮加密后的结果："EFGHIJKL"

6. 最后一轮加密： 使用第3轮加密后的结果作为最终的密文。

   最终密文："EFGHIJKL"

解密过程：

1. 选择密钥：使用相同的密钥 "SECRETKE"。

2. 初始逆置换：对密文消息进行初始逆置换。

   - 初始逆置换后的密文："ABCDNABC"

3. 轮解密：将初始逆置换后的密文消息输入到轮函数中进行轮解密操作。假设我们执行3轮解密。

   - 第1轮解密后的结果："XYZWXYZV"
   - 第2轮解密后的结果："OPQNPQRN"
   - 第3轮解密后的结果："HIJKLMNO"

4. 最后一轮解密：使用第3轮解密后的结果作为最终的明文。

   最终明文："HIJKLMNO"

通过这个例题，我们可以看到3DES算法的加密和解密过程。每一轮加密和解密都使用了相同的密钥，但是顺序和操作相反，以确保数据的安全性。

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3.3 AES算法

AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）是一种对称密钥加密算法，用于加密和解密数据。它是目前广泛应用的密码学标准之一，被美国政府采用作为保护敏感数据的加密标准，也被许多企业和组织所采用。

AES算法采用了分组密码的设计，它将输入数据分成固定长度的块，并使用相同长度的密钥来对每个块进行加密和解密。AES算法支持多种密钥长度，包括128位、192位和256位。

AES算法的特点包括：

1. 安全性高：AES算法经过了广泛的密码学分析和审查，被认为是一种安全可靠的加密算法，难以被攻击。
2. 效率高：AES算法设计简洁，加密和解密速度快，适用于各种计算设备和平台。
3. 灵活性：AES算法支持多种密钥长度，可以根据安全需求选择合适的密钥长度。
4. 易于实现：AES算法的实现相对简单，可以在各种编程语言和平台上实现。

AES算法的基本原理是将输入数据通过一系列的置换、替换和混淆操作，与密钥进行轮轮加密，从而产生密文。解密过程则是对密文进行相反的操作，使用相同的密钥来还原原始数据。AES算法的加密和解密过程都是相同的，只是在轮密钥的生成和使用方面有所不同。

总的来说，AES算法是一种安全、高效且广泛应用的对称加密算法，适用于保护敏感数据和通信的安全性。

3.3.1 AES算法工作步骤的作用和原理：

加密过程：

1. 密钥扩展（Key Expansion）：

AES算法使用密钥扩展算法将输入的密钥转换为轮密钥（Round Keys）。这些轮密钥将用于加密和解密过程中的每一轮。密钥扩展算法通过迭代应用密钥调度算法，从而生成多个轮密钥。

2. 初始加密（Initial Round）：

在初始加密阶段，明文数据被分成固定大小的块，并且与第一轮的轮密钥进行加密。这一步通常涉及一些基本的操作，如AddRoundKey（轮密钥加）。

3. 轮加密（Round Encryption）：

AES算法的核心是多轮加密过程。在每一轮中，明文数据经历四个变换步骤：SubBytes、ShiftRows、MixColumns和AddRoundKey。这些变换步骤将明文数据转换为密文数据，并确保加密后的数据具有良好的扩散性和混淆性。

• SubBytes： 使用S盒替换每个字节，这个替换是非线性的，增加了密码的复杂性和安全性。
• ShiftRows： 对每一行进行字节移位操作，增加了密码的扩散性。
• MixColumns： 对列进行线性变换，增加了密码的扩散性。
• AddRoundKey： 将轮密钥与每个字节进行异或运算，增加了密码的复杂性。

4. 最后一轮加密（Final Round）：

在最后一轮加密中，不再执行MixColumns步骤，只执行SubBytes、ShiftRows和AddRoundKey步骤。这是因为MixColumns步骤的目的是增加扩散性，但在最后一轮加密中已经不再需要。

5. 密文输出（Cipher Output）：

最后，经过多轮加密后得到的密文数据即为加密后的结果。

解密过程：

解密过程与加密过程相似，但是使用的是相反的操作和轮密钥。解密过程包括轮解密和初始解密，其中轮解密包括SubBytes、ShiftRows、MixColumns和AddRoundKey步骤，而初始解密只包括AddRoundKey步骤。

通过这些步骤，原始的明文数据将被转换为密文数据，或者反之，以实现数据的加密和解密。AES算法的设计目标是提供高效、安全且可靠的数据加密和解密功能，使其成为广泛应用的加密标准之一。

3.3.2 AES算法加解密例题

我们通过一个例题来理解AES（Advanced Encryption Standard）算法的加密和解密过程。

例题：

假设我们有以下信息需要进行加密和解密：
明文消息： "HELLO"
密钥： "SECRETKEY"（假设为了简化，密钥已经符合AES算法的要求）

加密过程：

1. 选择密钥： 使用密钥 "SECRETKEY"。

2. 初始化： 将明文消息 "HELLO" 进行初始化处理。

3. 分组： 将初始化后的明文消息分成128位（16字节）的分组。

   - 分组1："HELLOXXXXXXX" （"X" 代表填充字节，以确保分组长度为128位）

4. 轮加密： 将每个分组输入到AES算法的轮函数中进行轮加密操作。假设我们执行10轮加密。

   - 第1轮加密后的结果："UODSNDJDIWFK..."
   - 第2轮加密后的结果："XOWHDHDJDIWFK..."
   - 第3轮加密后的结果："ASKDNJDJFWKX..."
   - 以此类推...

5. 最后一轮加密： 使用第10轮加密后的结果作为最终的密文。

   最终密文："ASKDNJDJFWKX..."

解密过程：

1. 选择密钥： 使用相同的密钥 "SECRETKEY"。

2. 初始逆置换： 对密文消息进行初始逆置换。

   - 初始逆置换后的密文："UODSNDJDIWFK..."

3. 轮解密： 将初始逆置换后的密文消息输入到AES算法的轮函数逆操作中进行轮解密操作。假设我们执行10轮解密。

   - 第1轮解密后的结果："HELLOXXXXXXX"
   - 第2轮解密后的结果："HELLOXXXXXXX"
   - 第3轮解密后的结果："HELLOXXXXXXX"
   - 以此类推...

4. 最后一轮解密： 使用第10轮解密后的结果作为最终的明文。

   最终明文："HELLO"

通过这个例题，我们可以看到AES算法的加密和解密过程。AES算法使用相同的密钥进行加密和解密，但是加密和解密的操作是相反的，以确保数据的安全性。AES算法是一种现代的对称加密算法，被广泛应用于保护敏感数据。

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四.对称加密与哈希函数之间的联系

对称加密和哈希函数都是常见的加密技术，它们在保护数据安全和保障信息完整性方面扮演着不同的角色。虽然它们有一些共同点，但也有一些明显的区别。

4.1 共同点：

1.  安全性保障：对称加密和哈希函数都是用来保护数据安全的技术。对称加密用于加密和解密数据，而哈希函数用于生成数据的摘要，以确保数据的完整性。
2.  密钥管理：对称加密需要使用密钥来进行加密和解密操作，而哈希函数不需要密钥。

4.2 区别：

1. 用途：
   - 对称加密用于加密和解密数据，确保数据在传输或存储过程中的保密性。
   - 哈希函数用于生成数据的固定长度摘要，通常用于数据的完整性校验和验证，以及密码存储（如存储加盐哈希密码）。

2. 输出类型：
   - 对称加密的输出是密文，它与明文具有相同的数据格式，只是经过了加密转换。
   - 哈希函数的输出是固定长度的摘要，无论输入数据的大小如何，输出的摘要长度始终是固定的。

3. 可逆性：
   - 对称加密是可逆的，可以使用相同的密钥对密文进行解密，还原为原始的明文。
   - 哈希函数是不可逆的，即使知道输入数据和哈希值，也很难反向推导出原始数据。

4.3 关联：

1. 综合应用： 在实际应用中，对称加密和哈希函数经常结合使用，以提供更全面的数据安全保障。例如，在密码存储中，通常会使用哈希函数对密码进行哈希处理存储在数据库中，而在传输过程中，则使用对称加密技术来加密敏感数据。

2. 数据完整性验证： 在数据传输或存储过程中，可以使用哈希函数生成数据的摘要，并将摘要附加到数据中。接收方可以使用相同的哈希函数对接收到的数据计算摘要，并与发送方提供的摘要进行比较，以验证数据的完整性。

综上所述，对称加密和哈希函数在数据安全方面发挥着不同但相辅相成的作用，通过它们的综合应用可以提供更全面的数据保护和安全性。

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五.结语

之后会持续跟进这方面知识内容，以上内容可能不是很完整，大家也可以看看其他文章内容进行对比。