密码学算法|对称密码算法
一、什么是对称算法
不知道大家有没有看过福尔摩斯探案中的《跳舞的人》，在这个故事中，斯兰尼使用跳舞的小人替代字母表中的字符，实现消息的秘密传递。
这种方式其实属于古典密码学中的代换，只有对方同样了解代换的规则，才能解出隐含的信息，同时也避免了不了解规则的人获取其中的信息，是一种简单的对称算法。
而现代密码学中的对称算法，也是采用了类似的流程实现数据的保密：通信双方alice和bob约定一个字符串作为密钥，Alice使用密钥，通过数学运算，将明文转换为密文交给bob，而bob使用相同的密钥和数学运算过程，获取明文（注1）。
在使用对称算法的过程中，alice发送的明文长度是不定的，但是双方约定的密钥长度是定长，如何使用定长的密钥对不定长的明文进行加密呢？
通常有两种方法：将密钥转换为与明文相同长度-这种方法称为序列密码（也称为流密码），或者将明文进行切割，切割的长度等于密钥的长度-这种方式称为分组密码（也称为块密码）
图1序列密码和分组密码
二序列密码
序列密码单独加密每个明文位，通过将密钥序列中的每个位与每个明文位进行异或操作实现，解密过程也是如此。
从序列密码的实现过程中可以发现，其安全性取决于密钥序列的安全性。
最理想的密钥序列当然是一次一密（OTP）：每个密钥序列要求完全随机；只能用于一个明文，不能重复使用；每次发送明文之前都要将密钥序列安全的发给对方。
在现实应用中，构建完全符合OTP特征的密码体系无疑是困难的（注2）：
1)密钥序列的长度完全等于明文长度，在明文长度足够长的情况下，密钥的产生是一个很困难的事情（宏思电子的高速随机数源的速率也只有20Mbps）（注3）;
2)能够生成完全随机的设备价格昂贵;
3)密钥序列需要安全的进行传输，而且每加密一次需要传输一次;
因此，在现代密码学中，一般采用通过密钥算法将固定长度的密钥种子进行分散，生成需求长度的密钥序列。
图2序列密码加密过程
当前比较流行的序列密码算法有：RC4和ZUC，ZUC算法也叫祖冲之算法，由我国学者自主设计的加密和完整性算法，已经被国际组织3GPP推荐为4G无线通信的第三套国际加密和完整性标准的候选算法。
三、分组密码
在现实生活中，分组密码的使用场景要比序列密码更加广泛，在通常的互联网应用中，通常使用分组密码进行数据保护。
分组密码是指将需要进行加密的明文分割成指定长度的分组，使用密钥数据对每一个明文分组进行进行加密。
当前比较常用的分组密码算法为DES/3DES、AES，国内也提出了与之对标的算法SM1和SM4（国密算法会在后续有专门的文章介绍）
1)DES/3DES算法
DES算法是1977年由IBM提供，最初发布时，DES算法的有效期只有10年，但是由于DES算法良好的安全性，其得到了广泛的应用，有效期被推迟到新世纪初，之后才由AES替代。
DES算法通过IP置换的方式，将64bits明文分为两部分32bits L0和32bits R0，然后分别带入到Festiel网络中，经过16轮操作，进行IP逆置换，获得最终的密文，计算过程可参考下图
（注：此处仅是简单描述DES算法工作原理，如需深入了解，可在网上查找相关资料，也可自行进行算法实现）。
图3 DES算法流程
在DES算法被公布不再安全的时候，人们提出了各种改进方案，其中比较常用的方案就是三重DES（Triple DES）,可以表示为：
图4 3DES算法
在这个方案中，如果k1=k2=k3,则可以执行单重DES运算。
由于DES算法早就过了有效期，当前的机器性能也能以很小的代价获取相应的密钥数据，所以DES/3DES算法已经不再安全，尽量不要使用该算法
2)AES算法
为了应对DES算法存在的问题，1997年，美国NIST开始征集新的对称密码算法，最终于2001年发布了新的对称密码算法标准-AES
AES是一种基于伽罗瓦域的多轮转换运算，支持128bits，192bits和256bits长度的密钥，分组长度为128bits，且在软硬件实现上更加高效，计算流程如下：
图5 AES算法流程
从AES相关标准发布以来，众多密码领域的专家对AES进行了广泛研究，目前还没有找到相对高效的攻击方法。
最近几年，AES已经逐步取代DES，在多个领域使用
除了以上两种比较常用的分组密码算法外，还有PRESENT算法、RC6算法等，感兴趣的朋友可以与笔者进行交流或者在网络上查找相关资源了解。
四、应用
对称算法主要应用于数据的加密保护，
如通信过程中安全信道数据的保护，https网络请求数据，IM即时通讯聊天数据，游戏交互数据保护等
如存储介质数据保护：磁盘内数据保护，数据库数据保护等
如智能终端数据保护：智能卡内数据保护等
五、问题
分组密码中有一个要求，明文的长度要等于固定值（DES/3DES为64bits，AES为128bits），对于长度大于固定值得数据，我们可以将其分割为对应的长度，但明文数据长度不能够整除时该如何处理剩余部分的数据呢？
或许我们需要有一种方法，使明文数据的长度满足我们的需求
注：
1、在现代密码学中，一般使用alice和bob分别指代通信双方，Oscar指代恶意第三方
2、在量子密码中，由于量子通信的特性，OTP或许会有新的发展
3、宏思电子为国内主要的随机数生成器厂商
