一次性密碼本
一次性密碼本是一種非常簡單，它的原理是“將明文與一串隨機的比特序列進行XOR運算”。如果將硬幣的證明設爲0，反面設爲1，則通過不斷擲硬幣就能產生這樣一串隨機的比特序列。
加密
解密
正如上面所講到的那樣，一次性密碼本是一種非常簡單的密碼，如此簡單的密碼居然無法破譯，這真是讓人匪夷所思。這裏說的無法破譯，並不是指在現實的時間內難以破譯，而是指即便擁有一種運算能力無窮大的計算機，可以在一瞬間遍歷任意大小的密鑰空間，也依然無法破解。
我們假設對一次性密碼本的密文進行嘗試進行暴力破解，那麼總有一天我們會嘗試到和加密時相同的密鑰，也就能解密出明文midnight，這是毋庸置疑的事實，然而，即便我們解密出midnight這個字符串，我們也無法判斷它是否是正確的明文。
這是因爲在對一次性密碼本嘗試解密的過程中，所有的64比特的排列組合都會出現，這其中包含像aaaaaaaa，ZZZZZZZZ這樣的規則字符串，也會包含midnight，onenight等英文單詞，還會包含其他看不懂的組合，所以，我們無法判斷出其中哪一個纔是正確的明文。
所謂玻璃破解，就是按順序將所有的密鑰都嘗試一遍，並判斷得到的是不是正確的明文的方法。然後在一次性密碼本中，由於我們無法判斷得到明文是不是正確的明文，因此一次性密碼本是無法破譯的。
爲什麼沒有被普遍使用
密鑰配送
最大的問題在於密鑰的配送。
我們來設想一下使用一次性密碼本進行通信的場景，發送者Alice使用一次性密碼本生成密文發送出去。發送的密文即便被竊聽者Eve截獲也沒關係，因爲一次性密碼本是絕對無法破譯的。
接收者Bob收到了Alice發來的密文。Bob要想進行節目，就必須使用和Alice進行加密時相同的密鑰，因此Alice必須將密鑰發送給Bob，且該密鑰的長度和密文是相等的。但這樣就產生了一個矛盾，如果能夠有一種方法將密鑰安全送出去，那麼豈不是也可以用同樣的方法來安全地發送明文了麼？
密鑰保存
一次性密文本中，密鑰的長度必須和明文的長度相等，而且由於密鑰保護着明文的機密性，因此必須妥善保存，不能被竊聽者竊取。不過，如果能夠有辦法安全保護與明文一樣長的密鑰，那豈不是就有辦法安全保存明文本身了麼？
密鑰的重用
在一次性密碼本中絕對補鞥呢用重用過去用過的隨機比特序列，一次性密碼本中的“一次性”由此而來。這是因爲作爲密鑰的比特序列一旦泄露，過去所有的機密通信內容將全部被解密。
密鑰的同步
一次性密碼本中還會產生髮送者與接收者之間的密鑰同步問題。當明文很長時，一次性密碼本的密鑰也會跟着變長。如果明文是一個大小爲100MB的文件，則密鑰的大小也一定是100MB。而且在通信過程中，發送者和接收者的密鑰的比特序列不允許有任何錯位，否則錯位後的所有信息都無法解密。
密鑰的生成
一次性密碼本中，需要生成大量的隨機數。這裏的隨機數並不是通過計算機程序生成的僞隨機數，而必須是無重現性的真正隨機數。
綜上所述，一次性密碼本是一種幾乎沒有實用的密碼。但是，一次性密碼本的思路卻孕育出了流密碼 。流密碼使用的不是真正的隨機比特序列，而是僞隨機數生成器產生的比特序列。流密碼雖然不是無法破譯的，但只要使用高性能的僞隨機數生成器，就能夠構建出較高強度的密碼系統，後續會繼續介紹。
DES
DES的密文可以在短時間內被破譯，因此除了用它來解密一起的密文以外，現在我們不應該再使用DES了。
加密和解密
DES是一種將64比特的明文加密成64比特的密文的對稱密碼算法，它的密鑰的長度是56比特。儘管從規格上來說，DES的密鑰長度是64比特，但由於每隔7比特會設置一個用於錯誤檢查的比特，因此實質上其密鑰長度是56比特。
DES 是以64比特的明文（比特序列）爲一個單位來進行加密的，這個64比特的單位稱爲分組 ，一般來說，以分組爲單位進行處理的密碼算法稱爲分組密碼，DES就是分組密碼的一種。
DES每次只能加密64比特的數據，如果要加密的明文比較長，就需要對DES加密進行迭代（反覆），而迭代的具體方式就稱爲模式。
DES的結構（Feistel網絡）
DES的基本結構是由Horst Feistel設計的，因此也稱爲Feistel網絡（Feistel network）、Feistel結構（Feistel structure）或者Feistel密碼（Feistel cipher）。這一結構不僅被用於DES，在其他很多密碼算法中也有應用。
Feistel網絡中，加密的各個步驟稱爲輪，整個加密過程就是進行若干次輪的循環，下圖，展現的是Feistel網絡中一輪的計算流程。DES是一種16輪循環的Feistel網絡。
上圖兩個方框表示Feistel網絡中的一輪的輸入（明文）。輸入的數據被等分爲左右兩半分別進行處理。在圖中，左半部分寫作“左側”，右半部分寫作“右側”。
下圖的兩個方框表示本輪的輸出（密文）。輸出的左半部分寫作“加密後的左側”，右半部分寫作“右側”。
中間的“子密鑰”指的是本輪加密所使用的的密鑰，在Feistel網絡中，每一輪都需要使用一個不同的子密鑰。由於密鑰只在一輪中使用，它只是一個局部的密鑰，因此才稱爲子密鑰（subkey）。
輪函數的作用是根據“右側”和子密鑰生成對“左側”進行加密的比特序列，它是密碼系統核心。將輪函數的輸出與“左側”進行XOR運算，其結果就是“加密後的左側”。也就是說，我們用XOR將輪函數的輸出與“左側”進行合併。而輸入的“右側”則會直接成爲輸出的“右側”。
總結一下，一輪的具體計算步驟如下：
- 將輸入的數據等分爲左右兩個部分
- 將輸入的右側直接發送到輸出的右側
- 將輸入的右側發送到輪函數
- 輪函數根據右側數據和子密鑰，計算出一串看上去是隨機的比特序列
- 將上一步得到的比特序列與左側序列進行XOR運算，並將結果作爲加密後的左側。
但是，這樣看來，“右側”根本沒有加密，因此我們需要用不同的子密鑰對一輪的處理重複若干次，並在沒兩輪處理指間將左側和有責的數據對調。
上圖展現了一個3輪的Feistel網絡，3輪加密計算需要進行兩次左右對調。對調只在兩輪指間進行，租後一輪結束不需要對調。
那麼，Feistel網絡如何解密呢？
如上圖所示，通過上述操作都能夠將密文正確的還原明文。
有多輪的情況也是一樣的，也就是說，Feistel網絡的解密操作，只要按照相反的順序來使用子密鑰就可以完成了，而Feistel網絡本身的結構，在加密和解密都是完全相同的。
Feistel網絡性質
- Feistel網絡，輪數可以任意增加。無論運行多少輪的加密計算，都不會發生無法解密的情況
- Feistel網絡，加密時無論使用任何函數作爲輪函數都可以正確解密。
- Feistel網絡，加密和解密可以用完全相同的結構來實現，這也是Feistel網絡的一個特點。
三重DES
現在DES已經可以在現實的時間內被暴力破解，因此我們需要一種替代DES的分組密碼，三重DES就是出於這個目的被開發出來的。
三重DES是爲了增加DES的強度，將DES重複3次所得到的一種密碼算法，也稱爲TDEA(Triple Date Encryption Algorithm)，通常縮寫爲3DES。
三重DES的加密
明文經過三次DES處理才能變成最後的密文，由於DES密鑰的長度實質上是56比特，因此三重DES密鑰的長度就是168比特。
三重DES並不是進行三次DES加密，而是加密->解密->加密的過程。在加密算法中加入解密操作，讓人感覺很不可思議實際上，這個算法是IBM公司設計出來的，目的是爲了讓三重DES能夠兼容普通的DES。
三重DES的解密
三重DES的解密過程和加密過程正好相反，是以密鑰3，密鑰2，密鑰1的順序執行解密->加密->解密的操作。
AES
AES（Advanced Encryption Standard）是取代前任標準DES而成爲新標準的一種對稱密碼算法。全世界的企業和密碼學家提交了多個對稱密碼算法作爲AES候選，最終在2000年的時候，從這些候選算法中選出了有一種名爲Rijndael的對稱密碼算法，並將其確定爲AES。
Rijndael
Rijndael是由比利時密碼學家Joan Daemen 和Vincent Rijmen設計分組密碼算法，於2000年被選爲新一代的標準算法密碼-AES。
Rijindael的分組長度和密鑰長度可以分別爲32比特爲單位，在128比特到256比特的範圍內進行選擇。不過AES規格中，分組長度固定爲128比特，密鑰長度只有128、192和256比特三種。
Rijndael加密和解密
和DES一樣，Rijndael算法也是由多個輪構成，其中每一個輪分爲SubBytes、ShiftRows、MixColumns和AddRoundKey共4個步驟。DES使用Feistel網絡作爲基本結構，而Rijndael沒有使用Feistel網路，而是使用了SPN網路。
Rijndael的輸入分組128比特，也就是16個字節。首先，需要逐個字節地對16字節地輸入數據進行SubBytes處理。所謂SubBytes，就是以每個字節地值（0~255的任意值）爲索引，從一張表擁有256個值替換表（S-Box）中查找出對應的值來處理。也就是說，要將一個1字節地值替換成另一個1字節地值。這個步驟用語言來描述比較麻煩，大家可以將它想象成爲前面介紹的簡單替換密碼的256個字母的版本。
SubBytes之後需要進行ShiftRows處理。這一步是將以4字節爲單位的行，按照一定的規則向左平移，且每一行平移的字節數是不同的。
ShiftRows之後需要進行MixColumns處理。這一步是對一個4字節地值進行比特運算，將其變爲另外一個4個字節值。
最後，需要將MixColumns的輸出與輪密鑰進行XOR，即進行AddRoundKey處理。到這裏Rijndael的一輪就接收了。實際上，在Rijndael中需要重複進行10~14輪計算。
通過上面的結構，我們可以發現輸入比特在一輪中都會被加密。和每一輪都只加密一般輸入的比特的Feistel網絡相比，這種方式的優勢在於加密所需要的輪數更少。此外，這種方式還有一個優勢，即SubBytes、ShiftRows、MixColumns可以分別以字節、行、列爲單位進行並行計算。
在加密過程中，每一輪所進行的處理爲：
SubBytes——>ShiftRows——>MixColumns——>AddRoundKey
而在解密時，則是相反的順序來進行的，即
AddRoundKey——>MixColumns——>ShiftRows——>SubBytes
其中，AddRoundKey是與輪密鑰進行XOR運算，因此這一步在加密和解密是是完全相同的。
Rijndael的破譯
對於Rijndael來說，可能會出現以前不存在的新的攻擊方式。Rijndael的算法背後有這嚴謹的數學結構，也就是說從明文到密文的計算過程可以全部用公司來表達，這是在以前任何密碼算法都不具備的性質。如果Rijndael的公司能夠通過數學運算求解，哪也就是意味着Rijndael能夠通過數學方法進行POI，而這也就爲新的攻擊方式的產生提供了可能。
補充
AES相比同類對稱加密算法速度算是非常快，比如在有AES-NI的x86服務器至少能達到幾百M/s的速度。安全性在可預見的未來是基本等同的，因爲即使是128位也足夠複雜無法被暴力破解。現在112位密碼還在商業應用，而128位是112位的幾萬倍，所以在實務中用128位比較划算(稍節約資源)。
AES256比128大概需要多花40%的時間，用於多出的4輪round key生成以及對應的SPN操作。另外，產生256-bit的密鑰可能也需要比128位密鑰多些開銷，不過這部分開銷應該可以忽略。安全程度自然是256比128安全，因爲目前除了暴力破解，並沒有十分有效的代數攻擊方法。
AES128和AES256主要區別是密鑰長度不同（分別是128bits,256bits)、加密處理輪數不同（分別是10輪，14輪），後者強度高於前者。當前AES是較爲安全的公認的對稱加密算法。
關於用AES128還是AES256算法，個人認爲AES128已經足夠用，當然AES256可以作爲一個營銷手段使用。
應該使用哪種對稱密碼呢
首先，DES不應再應用任何新的用途。其次，我們也沒有理由將三重DES用於任何新的用途。一般來說，我們不應該使用任何自制的密碼算法，而是應該使用AES。因爲其在選定的過程中，經過了全世界密碼學家所進行的高品質的驗證工作，而對於自制的密碼算法則很難進行這樣的驗證。
參考資料
該系列的主要內容來自《圖解密碼技術第三版》