DES算法的几种加密模式和填补方式

本文详细介绍了DES(Data Encryption Standard)加密算法的基本原理及实现方式。包括其56位密钥加密64位数据的过程,以及两种主要工作模式ECB和CBC的具体操作流程。此外还讨论了数据补位的不同方式。

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DES加密
DES是一种对称加密(Data Encryption Standard)算法。于1977年得到美国政府的正式许可,是一种用56位密钥来加密64位数据的方法。一般密码长度为8个字节,其中56位加密密钥,每个第8位都用作奇偶校验。 

DES算法一般有两个关键点,第一个是加密算法,第二个是数据补位。

加密算法常见的有ECB模式和CBC模式:

ECB模式:电子密本方式,这是JAVA封装的DES算法的默认模式,就是将数据按照8个字节一段进行DES加密或解密得到一段8个字节的密文或者明文,最后一段不足8个字节,则补足8个字节(注意:这里就涉及到数据补位了)进行计算,之后按照顺序将计算所得的数据连在一起即可,各段数据之间互不影响。

CBC模式:
密文分组链接方式,这是.NET封装的DES算法的默认模式,它比较麻烦,加密步骤如下:

1.首先将数据按照8个字节一组进行分组得到D1D2......Dn(若数据不是8的整数倍,就涉及到数据补位了)

2.第一组数据D1与向量I异或后的结果进行DES加密得到第一组密文C1(注意:这里有向量I的说法,ECB模式下没有使用向量I)

3.第二组数据D2与第一组的加密结果C1异或以后的结果进行DES加密,得到第二组密文C2

4.之后的数据以此类推,得到Cn

5.按顺序连为C1C2C3......Cn即为加密结果。

数据补位一般有NoPadding和PKCS7Padding(JAVA中是PKCS5Padding)填充方式,PKCS7Padding和PKCS5Padding实际只是协议不一样,根据相关资料说明:PKCS5Padding明确定义了加密块是8字节,PKCS7Padding加密快可以是1-255之间。但是封装的DES算法默认都是8字节,所以可以认为他们一样。数据补位实际是在数据不满8字节的倍数,才补充到8字节的倍数的填充过程。

NoPadding填充方式:算法本身不填充,比如.NET的padding提供了有None,Zeros方式,分别为不填充和填充0的方式。

PKCS7Padding(PKCS5Padding)填充方式:为.NET和JAVA的默认填充方式,对加密数据字节长度对8取余为r,如r大于0,则补8-r个字节,字节为8-r的值;如果r等于0,则补8个字节8。比如:

加密字符串为为AAA,则补位为AAA55555;加密字符串为BBBBBB,则补位为BBBBBB22;加密字符串为CCCCCCCC,则补位为CCCCCCCC88888888。
### 关于 DES 算法 CBC 模式的编程实现 #### 实现概述 DES(Data Encryption Standard)是一种对称加密算法,而 CBC(Cipher Block Chaining)模式通过引入前一密文块作为当前明文块的异或输入来增强安全性。以下是 PHP Java 中实现 DES-CBC 的示例代码及其解释。 --- #### PHP 实现 DES-CBC 加密与解密 以下是一个完整的 PHP 示例,展示如何使用 `mcrypt` 库实现 DES-CBC 模式: ```php <?php class DESCBC { private $key; private $iv; public function __construct($key, $iv) { $this->key = substr(md5($key), 0, 8); // DES 密钥长度为 8 字节 $this->iv = substr(md5($iv), 0, 8); // 初始向量 IV 长度也为 8 字节 } public function encrypt($data) { $cipher = mcrypt_module_open(MCRYPT_DES, '', MCRYPT_MODE_CBC, ''); mcrypt_generic_init($cipher, $this->key, $this->iv); $encrypted_data = mcrypt_generic($cipher, $data); mcrypt_generic_deinit($cipher); mcrypt_module_close($cipher); return base64_encode($encrypted_data); // 返回 Base64 编码的结果以便传输 } public function decrypt($encrypted_data) { $cipher = mcrypt_module_open(MCRYPT_DES, '', MCRYPT_MODE_CBC, ''); mcrypt_generic_init($cipher, $this->key, $this->iv); $decrypted_data = mdecrypt_generic($cipher, base64_decode($encrypted_data)); mcrypt_generic_deinit($cipher); mcrypt_module_close($cipher); return rtrim($decrypted_data, "\0"); // 去除填充字符 } } $key = 'mysecretkey'; // 用户定义的密钥 $iv = 'myinitvector'; // 用户定义的初始化向量 $data = 'Hello, World!'; $des_cbc = new DESCBC($key, $iv); $encrypted = $des_cbc->encrypt($data); echo "Encrypted Data: " . $encrypted . "\n"; $decrypted = $des_cbc->decrypt($encrypted); echo "Decrypted Data: " . $decrypted . "\n"; ?> ``` 上述代码实现了 DES-CBC 模式的加解密功能[^1]。其中: - 使用 MD5 函数生成固定长度的密钥初始向量。 - 数据加密后转换为 Base64 格式以方便存储或传输。 - 解密时先将 Base64 数据还原为二进制形式再处理。 --- #### Java 实现 DES-CBC 加密与解密 Java 提供了更现代化的支持库用于密码学操作。下面展示了如何利用 `javax.crypto.Cipher` 类完成相同的目标: ```java import javax.crypto.Cipher; import javax.crypto.spec.IvParameterSpec; import javax.crypto.spec.SecretKeySpec; import java.util.Base64; public class DESCBCExample { private static final String ALGORITHM = "DES/CBC/PKCS5Padding"; // 定义使用的算法 private static final byte[] KEY_BYTES = "mysecretke".getBytes(); // 密钥 (需恰好8字节) private static final byte[] IV_BYTES = "myinitvect".getBytes(); // 初始化向量 (同样8字节) public static String encrypt(String data) throws Exception { SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(KEY_BYTES, "DES"); IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(IV_BYTES); Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM); cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, keySpec, ivSpec); byte[] encryptedBytes = cipher.doFinal(data.getBytes()); return Base64.getEncoder().encodeToString(encryptedBytes); } public static String decrypt(String encryptedData) throws Exception { SecretKeySpec keySpec = new SecretKeySpec(KEY_BYTES, "DES"); IvParameterSpec ivSpec = new IvParameterSpec(IV_BYTES); Cipher cipher = Cipher.getInstance(ALGORITHM); cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, keySpec, ivSpec); byte[] decodedBytes = Base64.getDecoder().decode(encryptedData); return new String(cipher.doFinal(decodedBytes)); } public static void main(String[] args) throws Exception { String originalText = "Hello, World!"; String encryptedText = encrypt(originalText); System.out.println("Encrypted Text: " + encryptedText); String decryptedText = decrypt(encryptedText); System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText); } } ``` 此程序完成了如下工作[^2]: - 设置了一个固定的 DES 密钥以及对应的 IV 参数; - 对字符串进行了编码/解码,并采用 PKCS5Padding 方案填补不足的数据块大小; - 输出原始消息、加密后的结果及最终恢复的消息内容验证一致性。 --- #### 技术细节说明 1. **CBC 工作原理**: 在每次迭代过程中,上一轮产生的密文会被用来 XOR 当前待加密的明文片段后再送入核心变换函数中计算新的输出值[^3]。 2. **轮函数机制**: 经过多轮复杂的置换与替换过程形成最终的安全性较高的密文序列[^4]。 ---
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