密码学简单密码（密码密码法）
密码学简单密码（密码密码法）
信息理论之父：克劳德 香农
论文《通信的数学理论》
如果没有信息加密，信息直接被中间人拦截查看、修改。
明文Plain text
密文Cipher text
加密Encryption/Encrypherment：将明文转化为密文
解密Decrytion/Decipherment：讲密文还原为明文
加密钥匙EK Encryption Key：加密时配合加密算法的数据
解密钥匙EK Encryption Key：解密时配合解密算法的数据
各个字符按照顺序进行n个字符错位的加密方法。
（凯撒是古罗马军事家政治家）
多次使用恺撒密码来加密并不能获得更大的安全性，因为使用偏移量A加密得到的结果再用偏移量B加密，等同于使用A+B的偏移量进行加密的结果。
凯撒密码最多只有25个密匙 +1到+25 安全强度几乎为0
（密钥为0或26时，明文在加密前后内容不变）
暴力枚举
根据密文，暴力列出25个密匙解密后的结果。
凯撒密码的例子是所有 单字母替代式密码 的典范，它只使用一个密码字母集。
我们也可以使用多字母替代式密码，使用的是多个密码字母集。
加密由两组或多组 密码字母集 组成，加密者可自由的选择然后用交替的密码字母集加密讯息。
（增加了解码的困难度，因为密码破解者必须找出这两组密码字母集）
另一个多字母替代式密码的例子“维吉尼亚密码”，将更难解密
（法语：Vigenère cypher），
它有26组不同用来加密的密码字母集。
每个密码字母集就是多移了一位的凯撒密码。
维吉尼亚方格（替换对照表）：
维吉尼亚密码引入了密匙概念。
同一明文在密文中的每个对应，可能都不一样。
移位式密码，明文中出现的字母依然出现在密文中，只有字母顺序是依照一个定义明确的计划改变。
许多移位式密码是基于几何而设计的。一个简单的加密（也易被破解），可以将字母向右移1位。
例如，明文"Hello my name is Alice."
将变成"olleH ym eman si ecilA."
密码棒（英语：scytale）也是一种运用移位方法工具。
如
明文分组，按字符长度来分，每5个字母分一组。
并将各组内的字符的顺序进行替换。
具体例子
纵栏式移项密码
先选择一个关键字，把原来的讯息由左而右、由上而下依照关键字长度转写成长方形。接着把关键字的字母依照字母集顺序编号，例如A就是1、B就是2、C就是3等。例如，关键字是CAT，明文是THE SKY IS BLUE，则讯息应该转换成这样：
C A T
3 1 20
T H E
S K Y
I S B
L U E
最后把讯息以行为单位，依照编号大小调换位置。呈现的应该是A行为第一行、C行为第二行、T行为第三行。然后就可以把讯息"The sky is blue"转写成HKSUTSILEYBE。
另一种移位式密码是中国式密码（英语：Chinese cipher），移位的方法是将讯息的字母加密成由右而左、上下交替便成不规则的字母。范例，如果明文是：THE DOG RAN FAR，则中国式密码看起来像这样:
R R G T
A A O H
F N D E
密码文将写成：RRGT AAOH FNDE
绝大多数的移位式密码与这两个范例相类似，通常会重新排列字母的行或列，然后有系统的移动字母。其它一些例子包括Vertical Parallel和双移位式（英语：Double Transposition）密码。
更复杂的算法可以混合替代和移位成为积密码（product cipher）；现代资料区段密码像是DES反复位移和替代的几个步骤。
行数=栏数
明文，分为N栏（N行） 按照明文本来的顺序，竖着从上往下填。
【实例1】
明文123456
栏数2（行数2）
密文135246
135
246
拆成2行（2栏），竖着看密文——得到明文
【实例2】明文123456789abcdefghi 栏数9 （行数）---密文1a2b3c4d5e6f7g8h9i
拆成9行竖着看密文.
1a
2b
3c
4d
5e
6f
7g
8h
9i
古典密码【栅栏密码安全度极低】组成栅栏的字母一般一两句话，30个字母。不会太多！ 加解密都麻烦
是指研究字母或者字母组合在文本中出现的频率。应用频率分析可以破解古典密码。
工具
在线词频分析
就不给定义了，我简单解释下，就是我的信息不想让别人知道，使用 秘钥（key） 对我的信息进行 加密（encrypt） ，变成鬼符一样的 秘文（ciphertext） 。别人就算看到了，也无法识别，只有有了秘钥，把秘文 解密（decrypt） 后才能看懂信息，秘钥呢？一般人我不告诉他。我的秘钥是私密信息，所以也叫 私钥（private key） ，加密和解密用的秘钥是相同的，所以叫 “对称加密” ，也叫 “私钥加密” 。
对于明文plaintext，和对称秘钥key
加密过程 E(plaintext, key) = ciphertext
解密过程 D(ciphertext, key) = plaintext
对称加密的分为 分组密码（block cipher） 和 流密码（stream cipher） 两种类型。本文只介绍分组密码。
分组密码是每次只能处理特定长度的一块（block）数据的一类加解密算法。AES就是一种分组密码算法。AES加密算法每次可以加密的块长度是128位（bit）。
ECB模式
使用AES加密算法ECB模式，每次能加密128位数据，即16个字节。如果要加密48个字节内容，我们需要把数据分为3组，每组16个字节，分别为P1、P2、P3。P1、P2、P3加密后形成的秘文分别为C1、C2、C3，我们把C1、C2、C3依次拼接起来就成为最终的加密结果。
CBC模式
《对称加密之对称加密二》正在写作，会包含分组密码的更多模式，流密码及AES的更多知识。
DES加密：旧的加密算法，NIST规定仅能用于遗留系统和TDEA。（参考文献[CNS] 3.2章）
TDEA（Triple DEA）加密：很多资料也叫3DES（Triple DES）。（参考文献[SP800-67]）
Python 可以使用 pycrypto 模块进行AES加解密。安装 pycrypto 可使用命令 pip install pycrypto 安装。
下面AES演示第一版，先看下，紧接着就会升级到第二版本。
运行一下，能正常加解密。但是，如果你把要加密的文本，从 aesAlgorithmDemo 改为 hello ，就会运行报错：
这是因为，AES的分组长度是128位，即16个字节。有些AES实现，要加密的消息长度不是16个字节的倍数需要填充。
填充的方法一般是按照PKCS#7填充标准。
如果要数据的长度不是分组的整数倍，需要填充数据到分组的倍数，如果数据的长度是分组的倍数，需要填充分组长度的数据，填充的每个字节值为填充的长度。PKCS#7支持的分组长度为1到255个字节。
举一些例子：
AES的分组长度为16个字节，不管秘钥是128位、192位还是256位。如果要加密的数据长度是5个字节，你需要填充11个字节，填充的内容位填充的长度0x0b。填充后类似下面表示
如果数据长度是30个字节，需要填充2个字节，每个字节的内容为0x02，如果数据成都恰好为16的倍数，需要填充16个字节，每个字节的内容为0x10。
弄明白填充的概念后，我们重写加解密函数如下：
这样填充后会不会可其它系统不兼容？不会。一般的AES程序都是支持PKCS#7填充的。
密码学基础之RSA与不对称秘钥
密码学基础系列
[CNS] 《密码编码学与网络安全》（第六版）
[SP800-67] NIST Special Publication 800-67 Revision 1, Recommendation for Triple Data Encryption Algorithm (TDEA) Block Cipher, January 2012.
[SSH] OpenSSH CBC模式信息泄露漏洞
[NIST SP 800-57 Part 1 Rev. 4] Recommendation for Key Management, Part 1: General
跟诸位大牛相比，笔者阅历尚浅、经验不足，笔记中若有错误，还需继续修正与增删。欢迎大家的批评与指正。
查看上一篇请点击以下链接： 【密码学笔记】第2部分 历史上的密码
1. XOR运算
2. 一次性密码本
3. 对称密码算法
3.1 DES
3.2 三重DES
3.3 AES
3.4 Rijndael
4. 对称密码的选择
5. 对称密码的评价
参考书目
XOR运算，又称为 异或 运算，运算结果是 同0异1 。
对同一个比特序列进行两次XOR之后就会回到最初的状态，因此XOR运算可用于对称密码的加密和解密。
一次性密码本（又称为 维纳密码 ）是一种非常简单的密码，它的原理是“ 将明文与一串随机的比特序列进行XOR运算 ”。
一次性密码本是无法破译的。 这是因为在对它尝试解密的过程中，所有的排列组合都会出现，既会包含规则字符串，也会包含英文单词，还会包含乱码。由于明文中所有可能的排列组合都会出现，因此 我们无法判断其中哪一个才是正确的明文 。
一次性密码本是一种非常不实用的密码。 原因如下：
a. 密钥的配送 。（ 最大的问题 ）如果能够有一种方法将密钥安全地发送出去，那么就可以用同样的方法安全地发送明文。
b. 密钥的保存 。 密钥的长度必须和明文的长度相等。 如果能够有办法安全保存与明文一样长的密钥，那就有办法安全保存明文本身。
c. 密钥的重用 。在一次性密码本中绝对不能重用过去用过的随机比特序列，因为作为密钥的比特序列一旦泄露，过去所有的机密通信内容将全部被解密。
d. 密钥的同步 。在通信过程中，发送者和接收者的密钥的比特序列不允许有任何错位，否则错位的比特后的所有信息都将无法解密。
e. 密钥的生成 。一次性密码本需要生成大量的随机数，这里的随机数并不是通过计算机程序生成的伪随机数，而必须是无重现性的真正随机数。
DES是一种将64比特的明文加密成64比特的密文的对称密码算法，它的密钥长度是56比特。
DES是以64比特的明文（比特序列）为一个单位来进行加密的，这个64比特的单位称为 分组 。以分组为单位进行处理的密码算法称为 分组密码 。
DES每次只能加密64比特的数据，如果要加密的明文比较长，就需要对DES加密进行迭代，而迭代的具体方式就称为 模式(mode) 。
DES的基本结构又称为 Feistel网络 ，这一结构不仅被用于DES，在其他很多密码算法中也有应用。在Feistel网络中，加密的各个步骤称为 轮(round) ，整个加密过程就是进行若干次轮的循环。下图展现的是Feistel网络中一轮的计算流程。DES是一种16轮循环的Feistel网络。
一轮的具体计算步骤 如下：
a. 将输入的数据等分为左右两部分；
b. 将输入的右侧直接发送到输出的右侧；
c. 将输入的右侧发送到轮函数；
d. 轮函数根据右侧数据和子密钥，计算出一串看上去是随机的比特序列；
e. 将上一步得到的比特序列与左侧数据进行XOR运算，并将结果作为加密后的左侧。
我们需要用不同的子密钥对一轮的处理重复若干次，并在每两轮处理之间将左侧和右侧的数据对调。
Feistel网络的解密操作只要按照相反的顺序来使用子密钥就可以完成了。
Feistel网络的性质 ：
a. 轮数可以任意增加；
b. 加密时无论使用任何函数作为轮函数都可以正确解密（即使该函数不存在反函数）；
c. 加密和解密可以用完全相同的结构来实现。
综上所述，无论是任何轮数、任何轮函数，Feistel网络都可以 用相同的结构实现加密和解密 ，且加密的结果必定能够正确解密。
三重DES是为了增加DES的强度，将DES重复3次所得到的一种密码算法，也称为 TDEA ，通常缩写为 3DES 。
明文经过三次DES处理才能变成最后的密文，由于DES密钥的长度实质上是56比特，因此三重DES的密钥长度就是168比特。
三重DES并不是进行三次DES加密，而是 加密→解密→加密 的过程，目的是 让三重DES能够兼容普通的DES ，当所有密钥都相同时，三重DES也就等同于普通的DES。
尽管三重DES目前还被银行等机构使用，但其处理速度不高，除了特别重视向下兼容性的情况以外，很少被用于新的用途。
AES是取代其前任标准(DES)而成为新标准的一种对称密码算法。全世界的企业和密码学家提交了多个对称密码算法作为AES的候选，最终选出了一种名为 Rijndael 的对称密码算法，并将其确定为AES。
AES的选拔并不仅仅考虑一种算法是否存在弱点，算法的速度、实现的容易性等也都在考虑范围内。此外，这种算法还必须能够在各种平台上有效工作。
Rijndael是由比利时密码学家设计的 分组密码算法 ，被选为新一代的标准密码算法——AES。
和DES一样，Rijndael算法也是由多个 轮 构成的，其中每一轮分为 SubBytes 、 ShiftRows 、 MixColumns 和 AddRoundKey 共4个步骤。DES使用Feistel网络作为其基本结构，而Rijndael使用的是 SPN结构 。
加密过程 ：
a. 首先，需要 逐个字节 地对16字节的输入数据进行SubBytes处理，即以每个字节的值（0~255）为索引，从一张拥有256个值的 替换表 (S-Box)中查找出对应值（ 类似于简单替换密码 ）。
b. 进行ShiftRows处理，即以4字节为单位的 行(row) 按照一定的规则向左平移，且每一行平移的字节数是不同的。
c. 进行MixColumns处理，即对一个4字节的值进行比特运算，将其变为另外一个4字节值。
d. 最后，将MixColumns的输出与轮密钥进行 XOR ，即进行AddRoundKey处理。至此，Rijndael的一轮就结束了。实际上，在Rijndael中需要重复进行10~14轮计算。
在SPN结构中， 输入的所有比特在一轮中都会被加密 。和每一轮都只加密一半输入的比特的Feistel网络相比，这种方式的优势在于 加密所需要的轮数更少 。此外，这种方式还有一个优势，即 SubBytes、ShiftRows和MixColumns可以分别以字节、行和列为单位进行并行计算 。
在Rijndael的 加密 过程中，每一轮所进行的处理为：
SubBytes→ShiftRows→MixColumns→AddRoundKey
而在 解密 时，则是按照相反的顺序来进行的，即：
AddRoundKey→InvMixColumns→InvShiftRows→InvSubBytes
解密过程 ：
Rijndael算法背后有着 严谨的数学结构 ，即从明文到密文的计算过程可以全部用公式来表达，这是以前任何密码算法都不具备的性质。如果Rijndael的公式能够通过数学运算来求解，那也就意味着Rijndael能够通过数学方法进行破译，这也为新的攻击方式的产生提供了可能。
(1) 因为现在用暴力破解法已经能够在现实的时间内完成对DES的破译， DES不应再用于任何新的用途 。但是也需要保持与旧版本软件的兼容性。
(2) 尽管在一些重视兼容性的环境中会使用三重DES，但 我们也没有理由将三重DES用于新的用途 ，它会逐渐被AES所取代。
(3) 现在应该使用的算法是AES(Rijndael) ，因为它安全、快速，而且能够在各种平台上工作。
(4) AES最终候选算法应该可以作为AES的备份 ，因为这些密码算法也都经过了严格的测试，且没有发现任何弱点。
(5) 一般来说， 我们不应该使用任何自制的密码算法 ，而是应该使用AES。
优点 ：
使用一种密钥空间巨大，且在算法上没有弱点的对称密码，就可以通过密文来确保明文的机密性。 巨大的密钥空间能够抵御暴力破解，算法上没有弱点可以抵御其他类型的攻击。
不足 ：
a. 用对称密码进行通信时，还会出现 密钥的配送问题 ，即如何将密钥安全地发送给接受者。为了解决密钥配送问题，需要 公钥密码技术 。
b. 尽管使用对称密码可以确保机密性，但仅凭这一点还并不能完全放心。 例如发送者可能发送伪造的密文，并利用解密时返回的错误来盗取信息。
衷心感谢您的阅读。
查看下一篇请点击以下链接： 【密码学笔记】第4部分 分组密码的模式
AES的S盒：
把该字节的高4位作为行值，低4位作为列值，取出S盒或者逆S盒中对应的行的元素作为输出。例如，加密时，输入的字节S1为0x12,则查S盒的第0x01行和0x02列，得到值0xc9,然后替换S1原有的0x12为0xc9。状态矩阵经字节代换后的图如下：
AES的S逆盒：
例子：
列混合变换是通过矩阵相乘来实现的，经行移位后的状态矩阵与固定的矩阵相乘，得到混淆后的状态矩阵，如下图的公式所示：
这个位置有点不好理解，我们举一个简单的例子（都是我翻阅资料，最后通过计算总算是知道怎么算了）
计算
输入密钥直接被复制到扩展密钥数组的前4个字。然后每次用4个字填充扩展密钥余下的部分。公式描述
明文：0123456789abcdeffedcba9876543210
密钥：0f1571c947d9e8509cb7add6af7f6798
密文：ff0b844a0853bf7c6934ab4364148fb9
这里引用书上的例子，自己可以去算一遍加深理解
一、 恺撒密码
1.简单介绍
凯撒密码是古时候欧洲常用的一种加密方式：英文一共26个字母，它的加密方式是将这26个字母分别平移固定的位数，
假设位数=3，那么A=D，B=E，如下图：
如果想加密一个单词HELLO，根据上面的唯一对比，加密后的结果应该是LHOOR。颠倒字母后的顺序，使得常人无法读懂这些语句或者单词。如何解密呢，也很简单，只需要将收到的单词向前平移3个位置，就可以恢复到加密前的单词HELLO了。
2.破解
破解凯撒密码的方法很多，有一种暴力破解的方式，就是“遍历”。根据凯撒密码的加密方式，平移固定的位数，26个英文字母总共可以平移的方式是26种，假如位数n=26，其实相当于没有平移，A=A，循环了一次。
进行暴力破解：
n=1：LHOOR=KGNNQ
n=2：LHOOR=JFMMP
n=3：LHOOR=HELLO
这样就破解了，可以推算发位数n=3，其实就是秘钥=3，
最多尝试25次即可推算出加密的n值等于多少（当然这里只是讨论原理，不排除真实情况，可能凑巧某一个错误的n值解密出来的也是一个完整的单词或一段话的情况）。
二、 替换密码
1.简单介绍
替换密码和恺撒密码原理有些类似，个人感觉相当于恺撒密码的变种，替换密码增加了字母替换的随机性.
举个简单的例子，A=G，B=X，C=K
这里ABC..等26个字母都随机指向了“密码”本上的另一个随机的字母，这下就比较难反向推算出“秘钥”是多少了，数量级完全不一样。
简单的算一下可能存在的情况：
A=有25种表示方式BCD…
B=有除A以外24种方式表示CDE..
…
那么秘钥的存在情况是：
N=25！种方式，远远大于恺撒密码的26。
2.破解
面对25!数量级的加密方式，使用暴力破解的方式不再实用了，但是可以使用另一种方法，统计学
通过大量扫描英文书籍，可以得出如下结果（，这里只探究原理，并不追究这个统计的准确性）：
26个字母在日常用语中的使用频率并不一样，比如字母E的使用频率遥遥领先，字母Z使用频率最低，这个相当于语言所残留在文字中的指纹，很难察觉但是真实存在。
根据这个原理，扫描“随机密码”文本，统计出各个字母的使用频率分布，找出使用频率最高的那个字母，极可能就是加密后的字母E。
3.随机加密还有很多变种，双重加密，擦掉“指纹”使得加密方式更进一步加固，不得不感叹古人的智慧，数学之美真奇妙。
我知道的有一种叫做双重密码，即a君加密后给b君，之后b 君在加密后还给a君，之后a君解开自己的密后，还给b君，b君解开自己的密后即可知道a君的情报。这样可以避免密钥的传递，有效提高安全性，现在的加密方法多用多重加密即此方法的变种，计算机中也有所运用。
