文章目录
一、基本术语
（1）明文（plaintext)：原始消息或数据，
（2）密文（ciphertext)：已被打乱的消息输出（coded message ）
（3）密码（cipher)：将明文转换为密文的算法
（4）密钥（key)：在密码中使用的信息，只有发送者/接收者知道
（5）加密器（加密） encipher (encrypt)：将明文转换为密文；
（6）解密器（解密）decipher (decrypt)：从密文恢复明文
（7）密码术（cryptography)：加密原理/方法的研究
（8）密码分析（破译密码） cryptanalysis (codebreaking)：在不知道密钥的条件下，研究破译密文的原则/方法；
（9）密码学 (cryptology)：包含加密技术和密码分析两个部分。
二、对称加密原理
一个对称加密方案由5部分组成：明文、加密算法、私密密钥、密文、解密算法
1）加密算法的输入是明文+私密密钥，输出是密文
2）解密算法的输入是密文+私密密钥，输出是明文
3）解密算法本质是加密算法的反向执行
对称加密安全使用的两个要求:
一个强加密算法
一个密钥，只有发送者/接收者知道
2.1 密码体制
密码体制一般从以下三个方面进行分类：
（1）明文转换为密文的操作类型：替换、换位
（2）使用的密钥数：
发送方和接收方都使用同一密钥：该体制就是对称、单钥、秘密密钥或者说传统加密
发送方和接收方使用不同密钥：该体制就是不对称、双钥或者说公钥加密
（3）明文的处理方法：
分组密码：一次处理一个分组，输出对应分组
流密码：连续处理输入元素，每次产生一个输出元素
2.2 密码分析
试图找出明文或者密钥的工作被称为密码分析或破译
根据攻击者掌握的信息量，对加密信息的攻击类型有：
（1）唯密文（掌握的信息量最少：最容易抵抗）
（2）已知明文
（3）选择明文
（4）选择密文
（5）选择文本
什么样的加密方案是计算安全的：
1、破解密文的代价超出被加密信息的价值
2、破解密文需要的时间超出信息的有用寿命
2.3 Feistel密码结构
Feistel结构是所有对称分组密码都使用的更通用结构的一个特例
划分：划分输入块为两半
代换：右半数据被作用于轮函数F后再与左半数据进行异或运算
置换：代换完成后交换左右两半数据
参数和属性设置：
（1）分组大小：128比特
（2）密钥大小：普遍为128比特
（3）迭代轮数：典型为16
三、对称分组加密算法（对称分组密码）
最常用的对称加密算法是分组密码
三个重要的对称分组密码：数据加密标准（DES）、三重数据加密标准（3DES）、高级加密标准（AES）
3.1 DES
明文长度为64比特
更长的明文被分为64比特的分组来处理
密钥长度为56比特，还有8比特奇偶校验
结构：Feistel
轮函数：右半部分分别进行
（1）明文拓展（32bit到48bit）
（2）异或（48bit到48bit）
（3）S盒：输出压缩（48bit到32bit）：6位输入4位输出
（4）P置换（32bit到32bit）
然后与左半部分异或得到64bit，重复进行十六轮迭代
3.2 3DES
3DES使用3个密钥并执行3次DES算法
因为DES密钥为56比特，所以3DES密钥长度为168比特
但是，3DES也可以用两个密钥，此时密钥长度为112比特（即两次加密使用的密钥相同）
3.3 AES
分组大小为128比特
密钥长度可以是128、192或256比特，最常用是128比特；分别执行9/11/13轮，每轮执行4个操作（一个是移位，3个是替换）
和DES的比较：
DES面向比特运算，AES面向字节运算
四、流密码和RC4（对称流密码）
流密码连续处理输入的元素，在运行过程中，一次产生一个输出元素
最流行的对称流密码：RC4
4.1 流密码结构
典型的流密码一次加密一个字节的明文
设计思路：
（1）明文是二元数据流，如11001100（8位一字节）
（2）密钥流也是二元数据流，由伪随机数生成器得到，如01101100（密钥流长度要和明文长度一致）
（3）明文和密钥流按位求异或得到密文
（4）密文和密钥流按位求异或得到明文
注意这里使用的是密钥流，而不是密钥，密钥流是由密钥经过处理后得到的！！！！
4.2 RC4算法（重点、必考）
RC4是密钥大小可变的流密码，使用面向字节的操作
算法流程：
七、思考题
7.1 对称加密方案通常由哪5部分组成？
明文、加密算法、密文、秘密密钥、解密算法
7.2 对称加密算法包含哪两类重要的加密算法？
分组加密算法、流加密算法
7.3 分组密码是一个随机代换，它通常使用哪两种操作实现随机输出？
混淆：不同的输入，导致相同的（或者不同的）输出
扩散：输入数据中的1 bit 变化，将导致其输出的多个 bit 变化
7.4 描述Feistel的密码结构的加密算法和解密操作？
加密过程：
（1）将明文划分为左右两部分
（2）如果迭代次数为16，则由密钥K生成16个不同的轮密钥
（3）在每一轮迭代中，上一轮的右半部分作为当前轮的左半部分；上一轮的右半部分与轮密钥经过轮函数F处理得到的结果，与上一轮的左半部分按位求异或，得到当前轮的右半部分
解密过程就是加密过程的逆过程
7.5 流密码如何实现明文与密钥的加密操作？
7.6 简述RC4设计思想
设计思想围绕状态向量初始化与动态洗牌生成密钥流
（1）状态向量 T 生成：用对称密钥 K ，按T[i] = K[i mod keylen]（keylen是 K 字节数 ）生成 256 字节的 T，让密钥参与初始化。
（2）状态向量 S 初始化与洗牌：先把 S 初始化为 0 到 255 升序序列，再结合 T 洗牌。通过循环，用 j = (j + S[i] + T[i]) mod 256 计算交换位置，交换 S[i] 和 S[j]，打乱 S 初始顺序，让内部状态更随机，为生成密钥流做准备。
（3）生成密钥流与加解密：遍历消息字节时，持续洗牌 S（更新 i、j 并交换 S[i] 和 S[j] ），用 t = (S[i] + S[j]) mod 256) 选 S[t] 作为密钥流字节，与消息字节异或 Ci=（ Mi XOR S[t] ）实现加解密，利用异或可逆性，解密就是用相同密钥流异或密文还原明文 。
7.7 习题训练
Bob恢复信息m的步骤如下：
（1）接收数据：Bob收到的是比特流（v||c），分离出v和密文c
（2）生成密钥流：发送方和接收方使用的是同一个密钥，也就是128比特的k，将 v 和 k 拼接（即 (v||k) ）作为 RC4 的输入，生成密钥流 RC4(v||k)
（3）还原明文：利用异或运算的可逆性，因为 c = RC4(v||k) ⊕ m，所以对密文 c 和生成的密钥流 RC4(v||k)再次进行异或运算，即 m = RC4(v||k) ⊕ c，从而得到明文 m
攻击者判断相同密钥流加密两个信息的方法：
因为密钥流是由 RC4(v||k) 生成的，如果信息加密使用的是相同的密钥流，那么每次传输中的 v 是一样的，攻击者只需要监测 (v1||c1)、(v2||c2)…中的v1是否等于v2、v3…如果都相等，则说明信息加密使用的都是相同的密钥流