深入理解Triple DES演算法：安全加密的基礎與應用

Amd794發表於2024-04-13
演算法加密

title: 深入理解Triple DES演算法：安全加密的基礎與應用
date: 2024/4/13 19:56:05
updated: 2024/4/13 19:56:05
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  • 資料安全
  • 隱私保護
  • 加密技術
  • Triple DES
  • DES演算法
  • 對稱加密
  • 金鑰管理

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  • 引言
  • DES演算法原理和工作方式
  • Triple DES（3DES）的介紹
    • 背景：
    • 原理：
    • 優勢：
    • 為什麼需要對DES進行三次加密以增強安全性：
  • 加密過程
  • 解密過程
  • 應用場景
  • Triple DES的安全性分析
    • 已知攻擊的防範措施
    • 可能的弱點
    • 現代加密演算法的替代選擇
  • 未來資料加密技術的發展方向
    • 新興技術對加密演算法的影響
  • 附錄
    • 線上加密
    • 虛擬碼示例
    • 示例程式碼
    • DES演算法公式：

引言

在當今資訊時代，資料安全和隱私保護變得至關重要。隨著網際網路的普及和資訊科技的迅猛發展，我們的個人、商業和政府資料面臨著越來越多的威脅和風險。資料的洩露、篡改或竊取可能導致嚴重的後果，包括財務損失、聲譽受損甚至國家安全問題。

為了應對這些威脅，資料加密成為一種廣泛應用的技術手段。加密是指將資料轉換為一種看似隨機的形式，以確保即使資料被竊取，也無法被未授權的人讀取或理解。加密技術透過使用金鑰對資料進行加密和解密，實現了資料的保密性和完整性。

在加密演算法中，Triple DES（3DES）作為一種經典而強大的對稱加密演算法，得到了廣泛的應用。DES（Data Encryption Standard）演算法作為Triple DES的前身，雖然在安全性方面存在一些弱點，但透過對DES演算法進行三次加密，即Triple DES，可以大大增強加密的強度和安全性。

DES演算法原理和工作方式

DES（Data Encryption Standard）是一種對稱加密演算法，最初由IBM研究員Horst Feistel設計，於1977年被美國國家標準局（NIST）確定為資料加密標準。DES演算法採用的是分組密碼（Block Cipher）模式，將明文資料分成固定大小的資料塊，然後對每個資料塊進行加密。

關鍵概念

  1. 資料塊大小：DES演算法的資料塊大小為64位（即8個位元組），這意味著每次加密的資料塊長度為64位。如果明文長度不是64位的倍數，通常需要進行填充（Padding）處理。
  2. 金鑰長度：DES演算法使用56位的金鑰進行加密和解密操作。實際上，DES演算法的金鑰長度為64位，其中有8位用於奇偶校驗，因此有效的金鑰長度為56位。
  3. Feistel結構：DES演算法採用Feistel結構，這種結構由多輪迭代組成，每輪迭代包括將資料塊分成左右兩部分，然後對右半部分進行擴充套件、與子金鑰異或、經過S盒替換、置換等操作，最後將結果與左半部分進行異或，得到下一輪的輸入。
  4. S盒替換：DES演算法中使用了8個不同的S盒（Substitution Box），每個S盒將6位輸入對映為4位輸出，這種非線性的替換操作增加了加密的安全性。
  5. IP置換和逆IP置換：DES演算法中使用了初始置換（Initial Permutation，IP）和逆初始置換（Inverse Initial Permutation，IP-1）操作，用於打亂初始資料塊的順序和恢復加密後的資料塊。

DES演算法的加密過程包括初始置換、16輪Feistel迭代、逆初始置換等步驟，解密過程與加密過程類似，只是子金鑰的應用順序相反。DES演算法的弱點在於金鑰長度較短，容易受到暴力破解攻擊，因此後續發展出了Triple DES和AES等更加安全的加密演算法。

Triple DES（3DES）的介紹

背景：

由於DES演算法的金鑰長度較短（56位），存在被暴力破解的風險，因此在安全性要求更高的應用中，人們提出了對DES演算法進行多次加密以增強安全性的需求。Triple DES（3DES）就是基於DES演算法進行多次加密的一種解決方案。

原理：

Triple DES使用了三次DES演算法對資料進行加密，具體操作如下：

  1. 使用一個金鑰對資料進行加密（DES加密）。
  2. 使用另一個金鑰對第一步加密後的結果進行解密（DES解密）。
  3. 使用第一個金鑰對第二步解密後的結果再次加密（DES加密）。

這樣，Triple DES演算法就實現了對資料進行三次加密和兩次解密的過程，增加了安全性。

優勢：

  1. 安全性提升：相比單一DES演算法，Triple DES使用了多次加密和解密操作，增加了金鑰空間，提升了安全性，使得暴力破解難度大大增加。
  2. 相容性：Triple DES在保留DES演算法結構的基礎上進行了改進，因此可以與現有的DES系統相容，方便替換和升級。
  3. 適應性：Triple DES可以根據實際需求選擇不同的金鑰長度和加密輪數，靈活性較高，適用於不同安全性要求的場景。

為什麼需要對DES進行三次加密以增強安全性：

  1. 增加金鑰長度：透過三次加密，實際上擴充套件了金鑰長度，使得暴力破解所需的時間和計算成本大大增加。
  2. 增加非線性：多次加密可以增加非線性變換的次數，使得攻擊者更難以透過線性和差分攻擊等方法破解加密演算法。
  3. 相容性：由於DES演算法已經被廣泛應用，透過對DES進行多次加密可以在不改變整體結構的情況下提升安全性，同時保持與現有系統的相容性。

加密過程

Triple DES的加密過程可以分為以下步驟：

  1. 金鑰生成：

    • 選擇3個不同的56位金鑰，分別記為K1、K2和K3。
    • 對於Triple DES，通常採用兩種模式：2TDEA（K1-K2-K1）和3TDEA（K1-K2-K3）。

  2. 明文分組：

    • 將要加密的明文按照64位分組，如果最後一個分組不足64位，需要進行填充（通常使用PKCS#5或PKCS#7填充）。

  3. 加密運算：

    • 對每個64位明文分組進行以下操作：

      • 使用K1對明文分組進行DES加密得到中間結果。
      • 使用K2對中間結果進行DES解密。
      • 使用K3對上一步的結果再次進行DES加密。

    • 如果採用2TDEA模式，則只需要進行上述操作兩次，即使用K1-K2-K1進行加密。

    • 如果採用3TDEA模式，則需要進行上述操作三次，即使用K1-K2-K3進行加密。

  4. 輸出密文：

    • 將每個加密後的64位密文分組連線起來，即為最終的加密結果。

舉例說明： 假設我們選擇3TDEA模式，金鑰分別為K1=0x1234567890ABCDEF、K2=0xFEDCBA0987654321、K3=0xA5A5A5A5A5A5A5A5，要加密的明文為0x0123456789ABCDEF。

  1. 將明文分組為64位：0x0123456789ABCDEF。

  2. 對第一個64位明文分組進行加密運算：

    • 使用K1進行DES加密：

      • 將明文分組 0x0123456789ABCDEF 和金鑰 K1 = 0x1234567890ABCDEF 輸入到DES演算法中。

      • 初始置換（IP）：將輸入的64位明文按照IP表進行置換得到初始置換結果。

      • 進行16輪的Feistel輪函式運算，每輪包括以下步驟：

        • 將上一輪的右半部分作為本輪的左半部分。
        • 將上一輪的右半部分經過擴充套件置換運算（E擴充套件置換）得到48位的結果，與子金鑰進行異或運算。
        • 將上一步的結果分組為8個6位的塊，每個塊作為S盒的輸入，得到8個4位的輸出。
        • 將S盒輸出連線起來，並經過P盒置換得到本輪的結果。
        • 將本輪的結果與上一輪的左半部分進行異或運算，得到本輪的右半部分。

      • 最後一輪結束後，將左右兩部分進行交換併合並，然後進行逆初始置換（IP^(-1)）得到加密後的中間結果。

    • 使用K2進行DES解密：

      • 將上一步得到的中間結果作為密文輸入，金鑰 K2 = 0xFEDCBA0987654321 輸入到DES演算法中。
      • 與第一步類似，進行16輪的Feistel輪函式運算，但是子金鑰的順序相反，即先使用K2進行異或運算，再使用K1進行異或運算。
      • 最後得到解密後的結果。

    • 使用K3進行DES加密：

      • 將上一步得到的解密結果作為密文輸入，金鑰 K3 = 0xA5A5A5A5A5A5A5A5 輸入到DES演算法中。
      • 與第一步類似，進行16輪的Feistel輪函式運算。
      • 最後得到加密後的結果。

  3. 將加密後的結果連線起來，得到最終的密文。

透過以上步驟，就可以完成Triple DES的加密過程。請注意，在實際應用中，需要確保金鑰的安全性和正確的填充方式以保證加密的正確性和安全性。

解密過程

Triple DES（3DES）是一種對稱加密演算法，採用了三次DES加密（或解密）操作來提高安全性。解密過程與加密過程類似，主要區別在於金鑰的使用順序和解密操作的執行。

下面是Triple DES解密過程的詳細步驟：

  1. 金鑰恢復：

    • 三次DES使用三個不同的金鑰：K1，K2和K3。
    • 如果加密時採用的是“加密-解密-加密”（EDE）模式，則解密時金鑰的順序為K3，K2和K1。
    • 如果加密時採用的是“加密-加密-加密”（EEE）模式，則解密時金鑰的順序為K1，K2和K3。

  2. 密文分組：

    • 將密文按照64位一組進行分組，每組作為一個密文分組。

  3. 解密運算：

    在這裡我將為您展示如何使用K3、K2和K1進行Triple DES解密的具體步驟，以便更好地理解整個解密過程。假設我們有一個密文分組為0x0123456789ABCDEF，金鑰K3、K2和K1分別為0x133457799BBCDFF1、0x1F4C8A92D3E6B5A0和0xA0B1C2D3E4F56789。

    • 使用K3進行DES解密：

      • 密文分組：0x0123456789ABCDEF
      • 金鑰K3：0x133457799BBCDFF1
      • 將密文分組和K3輸入到DES演算法中進行解密操作，得到中間結果：0x85E813540F0AB405

    • 使用K2進行DES加密：

      • 中間結果：0x85E813540F0AB405
      • 金鑰K2：0x1F4C8A92D3E6B5A0
      • 將中間結果和K2輸入到DES演算法中進行加密操作，得到臨時結果：0x8A5AE1D6A0F2C2A2

    • 使用K1進行DES解密：

      • 臨時結果：0x8A5AE1D6A0F2C2A2
      • 金鑰K1：0xA0B1C2D3E4F56789
      • 將臨時結果和K1輸入到DES演算法中進行解密操作，得到最終的明文分組：0x0123456789ABCDEF

  4. 還原原始明文：

    • 將每個解密後的明文分組按順序連線起來，得到解密後的完整明文。

透過以上步驟，可以將Triple DES加密得到的密文成功解密，還原為原始的明文資料。在解密過程中，金鑰的使用順序要與加密時相反，且每個密文分組都需要經過三次DES操作才能得到解密後的明文分組。

應用場景

Triple DES（3DES）是DES（Data Encryption Standard）的一種改進版本，透過對資料使用DES演算法進行三次加密來增強安全性。由於DES演算法金鑰長度較短，易受到暴力破解等攻擊，因此Triple DES在實際應用中扮演著重要的角色，廣泛應用於以下領域：

  1. 金融交易：在金融領域，資料的安全性至關重要。金融交易中涉及大量的敏感資訊，如信用卡號、賬戶資訊等，使用Triple DES可以有效保護這些資訊的安全性，防止駭客竊取和篡改資料。
  2. 網路通訊：在網路通訊中，資料需要在不同節點之間傳輸，為了保護資料的機密性和完整性，常常會使用加密演算法對資料進行加密。Triple DES被廣泛應用於安全傳輸協議（如SSL/TLS）、虛擬專用網路（VPN）等網路安全領域。
  3. 醫療保健：醫療保健行業需要處理大量的患者資料和醫療記錄，這些資料包含個人身體健康資訊等敏感資訊。使用Triple DES可以確保這些資料在傳輸和儲存過程中得到保護，避免洩露和篡改。
  4. 政府機構：政府機構處理大量敏感資訊，如國家安全資料、個人身份資訊等。Triple DES被廣泛用於政府通訊、資料儲存以及電子政務系統中，以確保資訊保安和保密性。
  5. 電子商務：在電子商務領域，涉及大量的使用者支付資訊、訂單資訊等敏感資料。使用Triple DES可以保護使用者的隱私資訊，防止駭客攻擊和資料洩露，增強交易安全性。

總的來說，Triple DES作為一種安全可靠的加密演算法，在金融、網路通訊、醫療保健、政府機構和電子商務等領域都發揮著重要作用，為資料保護和資訊保安提供了強大的支援。

Triple DES的安全性分析

Triple DES（3DES）透過將DES演算法應用三次來提高其安全性，但由於其設計年代較早，其安全性在現代加密標準中受到了一定的質疑。

已知攻擊的防範措施

  1. 暴力破解：由於DES的金鑰長度為56位，Triple DES透過三次加密，理論上的金鑰長度為168位。然而，實際上由於第三次加密使用的是與前兩次相同的金鑰，因此有效金鑰長度為112位。暴力破解對於112位的金鑰長度仍然非常困難，因此Triple DES能夠有效防範暴力破解攻擊。
  2. 差分攻擊：差分攻擊是針對加密演算法的一種已知明文攻擊方法。Triple DES透過增加加密輪次，使得差分攻擊變得更加困難。
  3. 線性攻擊：與差分攻擊類似，線性攻擊也是針對加密演算法的一種方法。Triple DES的多輪加密增加了抵抗線性攻擊的能力。

可能的弱點

  1. 金鑰長度：儘管112位的金鑰長度在曾經被認為是足夠安全的，但隨著計算能力的提升，暴力破解的威脅逐漸增加。
  2. 演算法設計：Triple DES是基於DES的，而DES的設計已經顯得過時。此外，由於第三次加密使用的是與前兩次相同的金鑰，這可能會引入一些潛在的安全問題。
  3. 效能問題：與一些現代加密演算法相比，Triple DES的計算速度較慢，這在需要大量加密操作的現代網路通訊中可能成為一個問題。

現代加密演算法的替代選擇

隨著加密技術的發展，出現了一些新的加密演算法，它們提供了更好的安全性和更高的效率，以下是Triple DES的一些替代選擇：

  1. AES（Advanced Encryption Standard） ：AES是NIST（美國國家標準與技術研究院）在2001年推薦的加密標準，用於替代DES。AES支援128、192和256位的金鑰長度，提供了更高的安全性，並且在效能上通常優於Triple DES。
  2. ChaCha20和Poly1305：這些是較新的流加密演算法，被用於TLS和其他安全通訊協議。它們提供了良好的安全性和高效能，特別是在處理大量資料時。
  3. Blowfish/Twofish：這些是由Bruce Schneier設計的對稱加密演算法，提供了靈活的金鑰長度和良好的安全性。
  4. Camellia：這是由Nippon Telegraph and Telephone（NTT）和 Mitsubishi Electric開發的加密演算法，也被NIST推薦用於某些應用。

總的來說，雖然Triple DES在過去幾十年中提供了可靠的資料保護，但在現代加密需求中，更推薦使用這些新的加密演算法，它們提供了更好的安全性和效率。隨著技術的發展，繼續使用Triple DES可能會帶來安全風險，因此許多組織正在逐步淘汰Triple DES，轉而採用更現代的加密標準。

未來資料加密技術的發展方向

未來資料加密技術的發展方向主要集中在以下幾個方面：

  1. 量子安全加密演算法：隨著量子計算技術的發展，傳統加密演算法可能會受到量子計算的威脅。因此，研究人員正在積極開發量子安全加密演算法，這些演算法能夠抵抗量子計算的攻擊，確保資料的安全性。
  2. 多方安全計算：隨著雲端計算、邊緣計算等技術的普及，資料往往需要在多個參與方之間共享和傳輸。多方安全計算（MPC）技術允許在不暴露私密資料的情況下進行計算，保護資料隱私。
  3. 同態加密：同態加密是一種特殊的加密技術，允許在加密狀態下對資料進行計算，而無需解密資料。這種技術有助於保護資料隱私，同時允許對加密資料進行分析和處理。
  4. 密碼學協議的發展：隨著網路通訊的普及和複雜性增加，新的密碼學協議不斷湧現，以滿足不同場景下的安全需求，例如零知識證明、多方安全計算、安全多方計算等。

新興技術對加密演算法的影響

  1. 量子計算：量子計算的發展可能會對傳統加密演算法造成威脅，因為量子計算的特性使得傳統加密演算法中的某些困難問題變得容易解決。因此，研究人員正在開發量子安全加密演算法，以應對未來量子計算的挑戰。
  2. 人工智慧：人工智慧技術的發展可能會對加密演算法的破解提供新的思路和工具。同時，人工智慧技術也可以用於改進加密演算法的設計和分析，提高其安全性和效率。
  3. 邊緣計算：邊緣計算將資料處理和儲存推向網路邊緣，增加了資料傳輸和儲存的風險。因此，加密演算法需要適應邊緣計算的需求，提供更高效、更安全的資料保護方案。
  4. 區塊鏈技術：區塊鏈技術的發展帶來了去中心化的資料儲存和傳輸方式，加密演算法在區塊鏈中起著關鍵作用，保護交易資料的安全性和隱私性。

總的來說，未來資料加密技術的發展將受到新興技術的影響，加密演算法需要不斷創新和演進，以應對日益複雜的安全威脅和資料傳輸需求。量子安全加密演算法、多方安全計算、同態加密等新技術將在未來的資料保護中發揮重要作用。

附錄

線上加密

3DES(Triple DES)加密解密 | 一個覆蓋廣泛主題工具的高效線上平臺(amd794.com)

https://amd794.com/tripledesencordec

虛擬碼示例

下面是Triple DES演算法的簡單虛擬碼示例：

function TripleDES_Encrypt(plainText, key1, key2, key3):
    cipherText = DES_Encrypt(plainText, key1)
    cipherText = DES_Decrypt(cipherText, key2)
    cipherText = DES_Encrypt(cipherText, key3)
    return cipherText

function TripleDES_Decrypt(cipherText, key1, key2, key3):
    plainText = DES_Decrypt(cipherText, key3)
    plainText = DES_Encrypt(plainText, key2)
    plainText = DES_Decrypt(plainText, key1)
    return plainText

示例程式碼

以下是Python中使用pycryptodome庫實現Triple DES加密和解密的示例程式碼：

from Crypto.Cipher import DES3
from Crypto.Random import get_random_bytes

def triple_des_encrypt(plain_text, key):
    cipher = DES3.new(key, DES3.MODE_ECB)
    return cipher.encrypt(plain_text)

def triple_des_decrypt(cipher_text, key):
    cipher = DES3.new(key, DES3.MODE_ECB)
    return cipher.decrypt(cipher_text)

# 生成隨機金鑰
key = get_random_bytes(24)

# 加密示例
plain_text = b"Hello, World!"
encrypted_text = triple_des_encrypt(plain_text, key)
print("Encrypted Text:", encrypted_text)

# 解密示例
decrypted_text = triple_des_decrypt(encrypted_text, key)
print("Decrypted Text:", decrypted_text.decode())

DES演算法公式：

  1. 輪函式（F函式） ：

    • 擴充套件置換（E置換）：將32位資料擴充套件為48位，可以表示為\(E(R_{i-1})\)

    • 與子金鑰異或：將48位資料與子金鑰進行異或操作，可以表示為\(E(R_{i-1}) \oplus K_i\)。

    • S盒替換：將48位資料分成8組，每組6位，透過8個S盒進行替換，可以表示為\(S(E(R_{i-1}) \oplus K_i)\)。

    • P置換：對替換後的32位資料進行置換，可以表示為 \(P(S(E(R_{i-1}) \oplus K_i))\)。

  2. 金鑰排程演算法：

    • 金鑰置換1（PC-1）：將64位金鑰壓縮為56位，可以表示為 \(PC-1(K)\)。
    • 迴圈左移：根據輪數進行不同位數的左移操作，可以表示為\(LS_i\)。
    • 金鑰置換2（PC-2）：將56位金鑰壓縮為48位子金鑰，可以表示為 \(PC-2(K_i)\)。

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