本文说明数据加密和数字签名的原理和算法。

数据加密发展：

计算机出现之前：置换表，多置换表，置换数据位置。 计算机出现之后：字节循环移位，xor或异或操作。

名词解释： 密码： 一组含有参数的变换。 明文： 加密前的原始数据。 密文： 加密后的数据。 密钥： 参与变换的参数。 加密算法： 进行数据变换的函数。

校验码： 有些时候我们需要知道数据是否被修改或被破坏，那么我们就需要产生一些校验码，然后将这些校验码填充到真正的数据流中，每次我们进行数据操作之前，可以对这些校验码进行检查，这样就可以保证其安全性。例如：病毒感染的文件可以有效防治。

CRC： 循环冗余校验。它对每一个数据块进行位循环移位和XOR操作产生得到一个16位或32位的一个校验和。这样的话，无论有数据丢失还是改变都一定会导致校验码出错，对于病毒感染也很有效。现在已成了一种标准。

基本说明：

一个数据加密算法应当有这样一个能力：制定一个密码或密钥，用它可以加密明文，不同的密码或者密钥，可以产生不同的密文（暗文）。密钥都是可以被破译的，仅是时间上的不可能性。

一个数据加密算法，需要考虑的是进行算法变换，密钥子密钥（公钥私钥）的计算消耗，计算时的空间占用，安全性，密钥长度，密文大小 这些方面。

数据加密技术分类：

古典算法，对称算法，非对称算法

古典算法：替代密码，换位密码。

对称算法：就是加密和解密都用同一套密钥。

对称算法可分为序列密码和分组密码。其中序列密码每次加密一位或者以字节的明文，也称为流密码。分组密码是将明文分组为固定长度的组，然后使用密钥算法对每一块进行加密，结果，输出的也将是固定长度的密文。

非对称算法：加密和解密时使用不同的密钥。加密的密钥为公钥，解密时需使用公钥对应的私钥。若发送方希望只有收信方可解密，那么发信方必须先知道收信方的公钥，然后使用收信方的公钥对数据进行加密，收信方使用自己的私钥进行解密密文。公钥私钥并不明确，都可进行加密，而使用另外一个进行解密。

不可逆算法。不需要密钥，可直接将数据经过算法处理得到密文，密文不可能被解密。

分别常见的有： 对称DES,ADEA,后来的AES。

非对称RSA，DSA，ECC。

不可逆MD5,SHS，SHA。

特殊分类方式：

若明文和密钥确定，则密文确定，则称为确定型密码体制。

若明文和密钥确定，密文不唯一确定，然后根据客观随机因素从一个密文集合中选择一个，则称为概率密码体制。

常见数据加密技术：

DES：对称加密算法。全称是Data Encryption Standard 美国数据加密标准。

S-盒：算法结晶所在。推导过程未知。

弱密钥：几个减弱DES安全系数的密钥。避免使用。

它是一种对二元数据进行的加密算法。数组分组长度为64位。密文分组的长度也是64位。密钥长度为64位（其中有效长度为56位，剩余8位作为奇偶校验）DES的整个体系是公开的，其安全性完全靠密钥的保密。

加密解密速度快。其扩展算法有 三重DES，IDEA，RC5，RC6，Blowfish，CAST，RC2

1：将明文分割为64位的一个单元，然后，对每个单元进行处理，若不足64位，则填充0 2：将明文单元进行一个初始IP置换 3：将置换后的单元分割为左右半部分，每部分32位。 4：对每个部分进行16轮迭代的乘积变换。（将数据和密钥结合起来，注意，密钥会在每一轮迭代时生成一个对应的子密钥进行乘积变换） 5：16轮迭代之后，两个部分再连接起来，进行一个初始逆置换IP-1，得到密文。

AES：比DES更安全高效。对称加密算法。效率比3DES高，安全性略高于3DES。全称为 Advance Data Encryption Standard

是基于128位（16字节）分组的对称加密算法。密钥可分为128.192，256位三种。密钥轮数分别为10，12，14次。一开始，我们预准备一个替换表，用于中途对密钥进行替换。

加密步骤为：

1：将明文拷贝到4*4字节的矩阵State中。 2：用第一轮的密钥与State进行异或运算。 3：使用替换表对密钥进行替换。 4：对State进行移位操作。 5：对State进行混合操作。 6：用下一轮的密钥对State进行异或操作。返回第3步。直至使用完所有轮数。 7：输出State.

特殊点：

若明文字节数除以16字节不为0，剩余n字节，则填充16-n个字节，每个字节内填充的数也为 16-n ;

若明文字节数除以16字节正好为0，则必须增加一个16字节的组，该组内每个字节内容必须填写16.

AES安全系数总结：

   密钥长度 密钥数量   知密文后所需要时间  知明文和密文后所需要时间

   32           4.3*10E9               35.8分                         2.15毫秒

   56           7.2*10E16             1142年                        10小时

   128         3.4*10E38             10E24年                      5.4*10E18年

   168         3.7*10E50             5.9*10E36年                5.9*10E30年

RSA：非对称加密算法。它使用了两个非常大的素数来生成公钥和私钥。加密算法比慢，不适合进行大量数据的加密。

它的密钥是两个非常大的素数相乘得到其中一个密钥，通过这两个素数进行其他一些算法得到另外一个密钥。将公布一个密钥作为公钥，留一个作为私钥。

若一个密钥被分解出得到两个素数，则RSA被击破。

为安全起见，建议两个素数相差不大。

椭圆曲线ECC算法：非对称加密算法。

它的密钥是通过一个椭圆曲线运算得到的。它的加密强度，执行速度都更好，并且密钥长度小，计算空间小，比RSA和DSA强。

PGP：非对称加密算法。使用公钥来加密一个随机生成的密钥，然后使用该密钥再去加密数据。所以要解密数据要先用私钥解密得到该密钥。

背包密码：非对称加密算法。

McEliece密码：非对称加密算法。

Rabin：非对称加密算法。

三重DES：使用三个（或两个）不同密钥对数据块进行三次（或两次）加密。强度系数高，但效率降低。

它分为四种方式：

DES-EEE3，使用三个密钥，顺序对数据进行三次加密变换。

DES-EDE3，使用三个密钥，对数据进行加密，错误解密，加密变换。

DES-EEE2，使用三个密钥，其中K1=K3（相当于两个密钥）对数据进行顺序三次加密。

DES-EDE2，使用三个密钥，其中K1=K3（相当于两个密钥）对数据进行加密，错误解密，加密变换。

RC5: 它是一种将明文分组长（W位，W必须为2的倍数次），密钥长（R字节），迭代轮数（B次）进行分组迭代的密码。它以RC5-w/r/b表示。推荐使用RC5-32/12/16

1：算法形式简单，运算速度快。 2：能适应不同字长的明文 3：加密轮数可变化，可调整加密速度和安全性。 4：密钥长度可变化，可调节安全性。 5：空间消耗度低。 6：对数据进行了位循环移位，增强了抗攻击能力。

IDEA：它使用了128位密钥，安全性更高，实现上也快了很多。

它将64位明文分割为4个子单元，一个子单元大小为16位。

它进行了8轮的重复运算，每轮运算有6个不同的子密钥参与运算，最后又进行了一次变换运算。

它将128位的密钥分割为8份子密钥，每份16位，再进行位移运算得到新的子密钥。

散列和数字签名

散列很类似于加密，不同的是，散列不需要密钥。散列的目的是将一个接近无穷空间内的信息映射到一个有维空间内。虽然可能出现散列值碰撞，但这个概率应当小到接近不存在。

散列函数的要求：

1：散列函数必须能够对任意长度的明文产生一个固定长度的密文值。 2：不允许任何一个明文在散列后得到的密文和原明文一致。 3：任意两个不同的明文，散列后得到的密文必须不一致。

数字签名就是对数据进行密码变换后得到的一些数据，这些数据负责让接受方确认数据的来源以及确认数据的完整性。

注意！数字签名和加密是不冲突的。

举例：Wang 要给 FK 一个信件，不希望被别人看到，那么FK要开放一个公钥给Wang，Wang拿到公钥进行加密，密文由FK收到后使用私钥进行解密，就得到了明文，这是加密。

若Wang发送给FK的信件，FK需要确认是由Wang发送的，并且要保证数据的完整性，那么就需要Wang在发送信件前，使用密钥进行信件签名，并且先将公钥提供给FK，FK使用公钥解密文件，检查签名是否又由Wang所发，虽然两个从加密技术上可以完全一致，均使用非对称加密即可，但意义和用途不同。

MD5：（Message-digest algorithm 5）消息摘要算法 是比MD4更安全的散列。

MD5进行4轮的运算。计算后得到的散列摘要为128位。

1：补位。 将明文长度补充到 length() 除以 512 得到 448 位。若不足，则先补1个1，其余位补0.

2：补数据 将明文原始长度以一个64位数表示，填充到最后，则明文长度将成为512位倍数。

3：初始化MD5参数 MD5的部分默认标志参数。

4：主要变换过程 4次循环，进行位与或异或等操作得到结果。

SHA： Secure Hash Fuction 安全散列函数。也是进行4轮的运算，计算后得到的散列摘要为160位，保存在5个32位的数据中。

计算方式过程与MD5极其类似，但变换过程略有不同，默认标志参数也有不同。

数字签名的算法和非对称加密算法通常一致。