能否详细说明一下对称算法中的DES,AES?

好的，我来给你详细聊聊对称加密算法中的两个重要代表：DES 和 AES。我会尽量用通俗易懂的方式，把它们内部的“门道”掰开了揉碎了说，让你明白它们是怎么工作的，以及它们之间的区别和演变。

对称加密的魅力：一把钥匙，一次加密

咱们先明确一个概念：对称加密。顾名思义，这种加密方式的特点是加密和解密使用同一把密钥。就像你用一个锁头锁住一个箱子，并且用同一把钥匙去打开它一样。

这种方式的好处显而易见：

速度快：相比于需要两把不同密钥（公钥和私钥）的非对称加密，对称加密的处理速度要快很多，非常适合加密大量数据。
效率高：算法相对简单，计算量小，对硬件要求不高。

当然，它也有一个巨大的挑战：如何安全地分发这把“对称”的钥匙。如果钥匙落入坏人手里，那加密的所有数据就等于暴露了。

DES (Data Encryption Standard): 那个曾经的“黄金标准”

DES，全称是“数据加密标准”，是上世纪七十年代由 IBM 开发，并由美国国家标准局（NBS，现在的 NIST）在 1977 年发布的。在很长一段时间里，它都是事实上的行业标准，被广泛应用于各种安全通信领域。

DES 的“武功秘籍”：迭代替换和置换

DES 是一种分组密码，意思是它一次处理固定长度的数据块，DES 的数据块大小是 64 比特（也就是 8 个字节）。而它的密钥长度是 56 比特（虽然标准是 64 比特，但有 8 比特是校验位，实际参与加密的是 56 比特）。

DES 的核心思想是迭代，也就是把一个复杂的加密过程重复进行多轮。每一轮都包含一系列的替换 (Substitution) 和置换 (Permutation) 操作。你可以想象成把原始数据打散、揉碎、再重新组合，并且每进行一轮，都用一把“轮密钥”来“调味”，让过程更加复杂。

我们来分解一下 DES 的主要构成部分：

1. 初始置换 (Initial Permutation, IP):
这就像是给 64 比特的明文数据块先来个“洗牌”。它把数据块中的比特重新排列一次，但这种排列是可逆的，目的是为了后续的计算方便。
你可以理解成，IP 只是把数据块的顺序打乱了一下，并没有改变数据的本质。

2. 16 轮的 Feistel 结构:
这是 DES 最核心的部分，也是它之所以能工作的关键。DES 采用了 Feistel 结构，这个结构是由德国密码学家 Horst Feistel 发明的，很多对称加密算法都借鉴了它。
Feistel 结构是什么意思？ 简单来说，就是将一个数据块分成左右两半（L 和 R），然后在每一轮中，右半部分（R）会和左半部分（L）通过一个“轮函数”进行“混合”，然后将混合后的结果与左半部分进行异或 (XOR)，最后再将“混合”后的右半部分（R）和异或结果交换位置，作为下一轮的输入。
具体到 DES:
64 比特的输入数据块被分成 32 位的左半部分 (L0) 和 32 位的右半部分 (R0)。
每轮 (Round) 的操作:
轮函数 (f): 这是最关键的“加密核心”。它接收上一轮的右半部分 (Ri1) 和一个轮密钥 (Ki) 作为输入，输出一个 32 位的加密结果。
异或 (XOR): 将轮函数 f 的输出结果与上一轮的左半部分 (Li1) 进行异或操作： `Li1 XOR f(Ri1, Ki)`。
交换: 将上一轮的右半部分 (Ri1) 作为这一轮新的左半部分 (Li)，而上一步异或的结果则作为这一轮新的右半部分 (Ri)。
DES 总共进行 16 轮这样的迭代。

3. 轮函数 (f) 的内部机制:
轮函数是 DES 的“大脑”。它接收 32 位的右半部分数据 (Ri1) 和 48 位的轮密钥 (Ki)。
扩展置换 (Expansion Permutation, E): 首先，32 位的 Ri1 会被扩展成 48 位。这是通过复制一部分比特来实现的，目的是为了让 32 位的数据能与 48 位的轮密钥进行按位操作。
与轮密钥异或 (XOR with Round Key): 扩展后的 48 位数据与 48 位的轮密钥 Ki 进行异或。
S盒 (Substitution Boxes, Sboxes): 这是 DES 最具创新性也是最“秘密”的部分。这 48 位数据会被分成 8 组，每组 6 位。然后，每一组 6 位数据会通过一个专门设计的 S盒，转换成 4 位数据。
S盒的作用: S盒是 DES 加密的核心，它实现的是非线性替换。加密的安全性很大程度上依赖于 S盒的设计。通过 S盒，一个比特的输入改变，可能会导致输出发生很大的变化，这增加了破解的难度。DES 有 8 个不同的 S盒，每个 S盒都是一个 6x4 的查找表。
P盒 (Permutation P): S盒输出的 8 个 4 位数据（共 32 位）会被 P盒进行一次置换，也就是重新排列比特顺序。
最终输出: P盒的输出就是 32 位数据，作为下一轮的右半部分。

4. 逆初始置换 (Inverse Initial Permutation, IP1):
在经过 16 轮迭代后，得到的 64 位数据块（此时左右部分已经交换过了）会经过逆初始置换 IP1。它做的就是和初始置换 IP 相反的操作，把数据块恢复到最初的排列顺序。

DES 的密钥生成过程：轮密钥是怎么来的？

DES 的 56 位密钥，是如何变成每轮所需的 48 位轮密钥的呢？这个过程也很复杂，可以概括为：

1. 置换选择 1 (Permuted Choice 1, PC1): 56 位密钥先经过 PC1 进行一次置换和选择，得到两个 28 位的子密钥。
2. 循环左移 (Circular Left Shift): 每一轮，这两个 28 位的子密钥会根据预设的规则进行循环左移（左移的位数根据轮次不同而不同）。
3. 置换选择 2 (Permuted Choice 2, PC2): 循环左移后的两个 28 位子密钥会被合并，然后通过 PC2 选择其中的 48 位，作为这一轮的轮密钥。
4. 重复: 这个过程重复 16 次，生成 16 个 48 位的轮密钥。

DES 的“硬伤”：密钥长度太短了

DES 的设计在当时是相当先进的，但随着计算机算力的飞速发展，特别是暴力破解 (Bruteforce attack) 技术（尝试所有可能的密钥）的进步，DES 的 56 位密钥长度显得越来越不够用。

暴力破解的威力: 2^56 种可能的密钥，虽然在当时是天文数字，但随着计算能力的提升，已经被证明是可以被攻破的。2000 年左右，已经有公开的实验证明可以在短时间内破解 DES。
3DES 的出现: 为了解决 DES 密钥长度不足的问题，人们想到了一个办法：三重 DES (Triple DES, 3DES)。它不是发明一种新的算法，而是连续三次使用 DES 加密。常用的模式是“加密解密加密”（EDE），使用三组密钥（k1, k2, k3）： `C = E(k3, D(k2, E(k1, P)))`。最安全的方式是使用三个不同的密钥，这样相当于把密钥长度“延长”到了 168 位（563），大大增加了破解难度。但 3DES 的速度只有 DES 的约 1/3，依然不够高效。

AES (Advanced Encryption Standard): 新一代的“加密王者”

随着 DES 的逐渐老去，密码界一直在寻找一种更安全、更高效的对称加密算法。1997 年，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 发起了一场公开竞赛，邀请全球的密码学家提交新一代的加密标准。最终，在 2001 年，由比利时密码学家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 设计的 Rijndael 算法脱颖而出，被采纳为新的加密标准，也就是我们今天熟知的 AES。

AES 的“武功秘籍”：多轮的字节替换、行位移、列混合和轮密钥加

AES 是一种分组密码，但它与 DES 不同，它不像 DES 那样固定数据块和密钥长度。AES 支持三种密钥长度：128 位、192 位和 256 位；同时也支持三种数据块长度：128 位、192 位和 256 位（但实际上，在 NIST 的标准中，AES 的数据块长度被固定为 128 位）。

AES 的加密过程同样是迭代的，但其内部结构和操作都与 DES 完全不同。它不像 DES 那样使用 Feistel 结构，而是采用一种替代排列网络 (SubstitutionPermutation Network, SPN) 的结构。

我们以 AES128（128 位密钥，128 位数据块）为例，它需要进行 10 轮加密。每一轮（除了最后一轮）都包含四个主要步骤：

1. 字节替换 (SubBytes):
这是 AES 的第一个“非线性”操作，类似于 DES 的 S盒。AES 也使用一个固定的、精心设计的 S盒（通常叫做 `aes_sbox`），将数据块中的每个字节（8 位）独立地进行替换。
S盒的设计使得对字节的微小改变都会导致输出的巨大差异，这是保证 AES 安全性的重要因素。S盒的构建是基于伽罗瓦域 GF(2^8) 的数学运算，非常复杂且安全。

2. 行位移 (ShiftRows):
AES 将 128 位的数据块想象成一个 4x4 的字节矩阵。ShiftRows 操作就是对矩阵的行进行循环位移。
第一行（Top row）保持不变。
第二行（Second row）向左循环位移 1 个字节。
第三行（Third row）向左循环位移 2 个字节。
第四行（Fourth row）向左循环位移 3 个字节。
这个操作的作用是将每行的数据进行“混淆”，使得同一列的字节在下一阶段的混合操作中能够互相影响。

3. 列混合 (MixColumns):
这是 AES 的第二个“线性”混淆步骤。它对数据块的列进行混合。
每一列的四个字节会被视为一个多项式，然后乘以一个固定的、可逆的 4x4 矩阵（在 GF(2^8) 上进行乘法和加法运算）。
MixColumns 的意义: 这个操作使得数据块中的每个字节都会影响到同一列的所有字节，从而实现了更深层次的数据扩散，进一步增加了破解的难度。

4. 轮密钥加 (AddRoundKey):
这是 AES 中唯一一个涉及到密钥的操作。它将当前轮的数据块（经过前三个步骤处理后的结果）与一个轮密钥进行按位异或 (XOR)。
轮密钥的生成: AES 的密钥扩展算法会根据原始密钥生成一系列的轮密钥。对于 AES128，会生成 11 个 128 位的轮密钥（包括初始轮密钥和 10 轮的轮密钥）。

AES 的最后一道“关卡”

在完成了 10 轮的“SubBytes > ShiftRows > MixColumns > AddRoundKey”操作后，还有最后一轮的特殊处理：

最后轮 (Final Round): 最后这一轮不进行 MixColumns 操作，而是直接执行“SubBytes > ShiftRows > AddRoundKey”。

AES 的密钥扩展过程：从原始密钥到轮密钥

AES 的密钥扩展算法（Key Expansion）是生成轮密钥的关键。它将原始密钥（128, 192, 或 256 位）扩展成足够多的轮密钥（128 位数据块需要 11 个 128 位的轮密钥）。

这个过程同样是迭代进行的，涉及到：

字 (Word): AES 的密钥和数据都以“字”（4 个字节，32 位）为单位进行操作。
循环移位 (Rotate): 对字进行字节循环移位。
S盒替换 (SubBytes): 对字的某些字节进行 S盒替换。
异或 (XOR): 将处理后的字与前一个“关键”的字进行异或。

这个过程虽然复杂，但其核心思想是将原始密钥“扩散”成多个独立且看似随机的轮密钥，并且保证这些轮密钥的生成过程是确定的，可逆的。

AES 的优势：安全、高效、灵活

安全性极高: AES 的 128 位、192 位、256 位密钥长度，即使采用暴力破解，所需的计算量也是目前人类科技无法企及的。S盒和 MixColumns 的设计使得算法具有强大的抗差分分析（Differential Cryptanalysis）和线性分析（Linear Cryptanalysis）的能力。
效率高: AES 的算法结构比 DES 更为规整，每一轮的操作都是对字节或字的独立操作，这使得它非常适合在现代计算机硬件和软件中实现，运算速度非常快。
灵活性: 支持多种密钥长度和数据块长度，可以根据实际需求选择最适合的配置。

DES vs AES：一场“加密史”的跨越

| 特征 | DES (Data Encryption Standard) | AES (Advanced Encryption Standard) |
| : | : | : |
| 发明时间 | 1977 年 | 2001 年 |
| 算法结构 | Feistel 结构 | 替代排列网络 (SPN) 结构 |
| 数据块大小 | 64 位 | 128 位 (标准中固定，但算法本身支持 128, 192, 256 位) |
| 密钥长度 | 56 位 (实际参与加密) | 128 位, 192 位, 256 位 |
| 安全性 | 已被证明不安全（密钥长度太短），3DES 仍然可用但效率低 | 目前认为是安全的，是现代对称加密的标准 |
| 速度 | 相对较慢，特别是 3DES | 非常快，高效 |
| 主要数学工具 | 逻辑运算 (AND, OR, XOR), S盒替换, 置换, 扩展, 压缩 | 伽罗瓦域 (GF(2^8)) 上的运算 (字节替换, 混合), 置换, 轮密钥加 |
| 安全性基础 | S盒的设计, Feistel 结构 | S盒的设计, ShiftRows, MixColumns, 密钥扩展算法 |
| 应用领域 | 已基本被淘汰，部分遗留系统仍在使用 | 广泛应用于 TLS/SSL, WiFi 加密 (WPA2/WPA3), 文件加密, VPN 等 |

简单来说：

DES 就像是一台老式计算器，虽然曾经很厉害，但现在算力爆炸的时代，它已经无法满足需求了。它的“漏洞”在于密钥太短，容易被暴力破解。
AES 就像是最新一代的超级计算机，不仅计算速度飞快，而且内部的计算方式极其复杂且安全，能够抵御目前已知的绝大多数攻击。

DES 的出现是密码学发展史上的一个重要里程碑，它推动了对称加密技术的进步。而 AES 的出现，则标志着对称加密进入了一个更加安全、高效的新时代。了解它们的工作原理，就像是了解信息安全“基石”是如何搭建的，这对于理解我们现在所处的数字世界至关重要。

如果可以的话，也说明下IDEA