对称加密DES和TripleDES

一、  对称加密

对称加密，是一种比较传统的加密方式，其加密运算、解密运算使用的是同样的密钥，信息的发送者和信息的接收者在进行信息的传输与处理时，必须共同持有该密码（称为对称密码）。因此，通信双方都必须获得这把钥匙，并保持钥匙的秘密。

单钥密码系统的安全性依赖于以下两个因素：

第一、加密算法必须是足够强的，仅仅基于密文本身去解密信息在实践上是不可能的。

第二、加密方法的安全性依赖于密钥的秘密性，而不是算法的秘密性，因此，我们没有必要确保算法的秘密性（事实上，现实中使用的很多单钥密码系统的算法都是公开的），但是我们一定要保证密钥的秘密性。

DES(Data Encryption Standard)和TripleDES是对称加密的两种实现。

DES和TripleDES基本算法一致，只是TripleDES算法提供的key位数更多，加密可靠性更高。

DES使用的密钥key为8字节，初始向量IV也是8字节。

TripleDES使用24字节的key，初始向量IV也是8字节。

两种算法都是以8字节为一个块进行加密，一个数据块一个数据块的加密，一个8字节的明文加密后的密文也是8字节。如果明文长度不为8字节的整数倍，添加值为0的字节凑满8字节整数倍。所以加密后的密文长度一定为8字节的整数倍。

本文测试源代码：/Files/chnking/TripleDESTest.rar

二、  加密解密过程

Figure 1. DES加密解密过程

上图是整个DES和TripleDES算法的加密解密过程，下面以TripleDES为例，结合dotnet分析加密解密的各个步骤，并给出相关实现代码。

1、生成key和IV

System.Security.Cryptography. TripleDESCryptoServiceProvider类是dotnet中实现TripleDES算法的主要的类。

TripleDESCryptoServiceProvider类只有一个构造方法TripleDESCryptoServiceProvider（），这个方法把一些属性初始化：

KeySize（加密密钥长度，以位为单位）= 192（24字节）

BlockSize（加密处理的数据块大小，以位为单位）= 64（8字节）

FeedbackSize（加密数据块后返回的数据大小，以位为单位）= 64（8字节）

TripleDESCryptoServiceProvider构造方法同时会初始化一组随机的key和IV。

默认的TripleDESCryptoServiceProvider的key为24字节，IV为8字节，加密数据块为8字节。

生成key和IV的代码很简单：

TripleDESCryptoServiceProvider tDESalg = new TripleDESCryptoServiceProvider();

byte[] keyArray = tDESalg.Key;

byte[] IVArray = tDESalg.IV;

生成的key和IV在加密过程和解密过程都要使用。

2、字符串明文转成某一代码页对应的编码字节流

待加密的数据可能有两种形式，一种是二进制的数据，本身就是一组字节流，这样的数据可以跳过这一步，直接进入加密步骤。还有一种情况是字符串数据，字符串中同样的字符使用不同的代码页会生成不同的字节码，所以从字符串到字节流的转换是需要指定使用何种编码的。在解密之后，要从字节流转换到字符串就要使用相同的代码页解码，否则就会出现乱码。

// 待加密的字符串

string plainTextString = "Here is some data to encrypt. 这里是一些要加密的数据。";

// 使用utf-8编码（也可以使用其它的编码）

Encoding sEncoding = Encoding.GetEncoding("utf-8");

// 把字符串明文转换成utf-8编码的字节流

byte[] plainTextArray = sEncoding.GetBytes(plainTextString);

3、加密操作

加密的原料是明文字节流，TripleDES算法对字节流进行加密，返回的是加密后的字节流。同时要给定加密使用的key和IV。

// 把字符串明文转换成utf-8编码的字节流

byte[] plainTextArray = sEncoding.GetBytes(plainTextString);

public static byte[] EncryptString(byte[] plainTextArray, byte[] Key, byte[] IV)

{

// 建立一个MemoryStream，这里面存放加密后的数据流

MemoryStream mStream = new MemoryStream();

// 使用MemoryStream 和key、IV新建一个CryptoStream 对象

CryptoStream cStream = new CryptoStream(mStream,

new TripleDESCryptoServiceProvider().CreateEncryptor(Key, IV),

CryptoStreamMode.Write);

// 将加密后的字节流写入到MemoryStream

cStream.Write(plainTextArray, 0, plainTextArray.Length);

//把缓冲区中的最后状态更新到MemoryStream，并清除cStream的缓存区

cStream.FlushFinalBlock();

// 把解密后的数据流转成字节流

byte[] ret = mStream.ToArray();

// 关闭两个streams.

cStream.Close();

mStream.Close();

return ret;

}

4、解密操作

解密操作解密上面步骤生成的密文byte[]，需要使用到加密步骤使用的同一组Key和IV。

// 调用解密方法，返回已解密数据的byte[]

byte[] finalPlainTextArray = DecryptTextFromMemory(Data, keyArray, IVArray);

public static byte[] DecryptTextFromMemory(byte[] EncryptedDataArray, byte[] Key, byte[] IV)

{

// 建立一个MemoryStream，这里面存放加密后的数据流

MemoryStream msDecrypt = new MemoryStream(EncryptedDataArray);

// 使用MemoryStream 和key、IV新建一个CryptoStream 对象

CryptoStream csDecrypt = new CryptoStream(msDecrypt,

new TripleDESCryptoServiceProvider().CreateDecryptor(Key, IV),

CryptoStreamMode.Read);

// 根据密文byte[]的长度（可能比加密前的明文长），新建一个存放解密后明文的byte[]

byte[] DecryptDataArray = new byte[EncryptedDataArray.Length];

// 把解密后的数据读入到DecryptDataArray

csDecrypt.Read(DecryptDataArray, 0, DecryptDataArray.Length);

msDecrypt.Close();

csDecrypt.Close();

return DecryptDataArray;

}

有一点需要注意，DES加密是以数据块为单位加密的，8个字节一个数据块，如果待加密明byte[]的长度不是8字节的整数倍，算法先用值为“0”的byte补足8个字节，然后进行加密。所以加密后的密文长度一定是8的整数倍。这样的密文解密后如果补了0值的byte，则解密后这些0值的byte依然存在。比如上例中要加密的明文是：

“Here is some data to encrypt. 这里是一些要加密的数据。”

转成明文byte[]后是66个字节，DES算法就会补上6个0值的byte，补到72个字节。这样加密后再解密回来的密文byte[]解码后的字符串就是这样的：

"Here is some data to encrypt. 这里是一些要加密的数据。\0\0\0\0\0\0"

5、从编码字节流转成字符串明文

// 使用前面定义的Encoding，utf-8的编码把byte[]转成字符串

plainTextString = sEncoding.GetString(finalPlainTextArray);