详解DES&3DES算法的原理以及C#和JS的实现

一、简介

1、DES 简介

DES 全称为 Data Encryption Standard，即数据加密标准，是一种使用密钥加密的块算法，1977 年被美国联邦政府的国家标准局确定为联邦资料处理标准（FIPS），并授权在非密级政府通信中使用，随后该算法在国际上广泛流传开来。

在很长时间内，许多人心目中“密码生成”与 DES 一直是个同义词。直到 1997 年 NIST（美国国家标准与技术研究院）开始公开征集更安全的加密算法以替代 DES，并在 2001 年推出了更加安全的 AES（Advanced Encryption Standard）高级加密标准。

优点：

Feistel 网络的轮数可以任意增加；
解密与轮函数 f 无关，轮函数f也不需要有逆函数；
轮函数可以设计得足够复杂；
加密和解密可以使用完全相同的结构来实现。

缺点：

分组比较短；
密钥太短；
密码生命周期短；
运算速度较慢。

2、3DES 简介

其实并不是直接由 DES 过渡到 AES，还有一个 3DES 统治时期。3DES 也称 Triple DES，它使用 3 条 56 位的密钥对数据进行三次加密。

3DES 算法通过对 DES 算法进行改进，增加 DES 的密钥长度来避免类似的攻击，针对每个数据块进行三次 DES 加密；因此，3DES 加密算法并非什么新的加密算法，是 DES 的一个更安全的变形，它以 DES 为基本模块，通过组合分组方法设计出分组加密算法。

相比 DES，3DES 因密钥长度变长，安全性有所提高，但其处理速度不高。因此又出现了 AES 加密算法，AES 较于 3DES 速度更快、安全性也更高。

加密：

为了兼容普通的 DES，3DES 并没有直接使用加密->加密->加密的方式，而是采用了加密->解密->加密的方式。

当三重密钥均相同时，前两步相互抵消，相当于仅实现了一次加密，因此可实现对普通 DES 加密算法的兼容。

解密：

3DES 解密过程，与加密过程相反，即逆序使用密钥。是以密钥 3、密钥 2、密钥 1的顺序执行解密->加密->解密。

二、C# 代码实现

1、DES

// 测试（密钥需要是八位字符）
string jiamihou = DesEncrypt(\”TestString\”, \”11111222\”, false); // 57fe567eaa866373f851a526f07d9e26
string jiamiqian = DesDecrypt(jiamihou32, \”11111222\”);
/// <summary>
/// DES加密字符串
/// </summary>
/// <param name=\”deseninstr\”>待加密的字符串</param>
/// <param name=\”deskey\”>加密密钥,要求为8位</param>
/// <param name=\”isupper\”>返回大写密文，false：小写</param>
/// <returns>加密成功返回加密后的字符串，失败返回源串</returns>
public static string DesEncrypt(string deseninstr, string deskey, bool isupper = true)
{
StringBuilder stringBuilder = new StringBuilder();
try
{
DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider();
byte[] inputByteArray = Encoding.UTF8.GetBytes(deseninstr);
des.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(deskey);
des.IV = Encoding.UTF8.GetBytes(deskey); // 当 mode 为 CBC 时，偏移量必传
des.Mode=CipherMode.ECB; // 为空默认 CBC
MemoryStream memoryStream = new MemoryStream();
CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(memoryStream, des.CreateEncryptor(), CryptoStreamMode.Write);
cryptoStream.Write(inputByteArray, 0, inputByteArray.Length);
cryptoStream.FlushFinalBlock();
foreach (byte bb in memoryStream.ToArray())
{
stringBuilder.AppendFormat(isupper ? \”{0:X2}\” : \”{0:x2}\”, bb);
}
return stringBuilder.ToString();
}
catch (Exception ex)
{
return deseninstr;
}
}
/// <summary>
/// DES解密字符串
/// </summary>
/// <param name=\”desdeinstr\”>待解密的字符串</param>
/// <param name=\”deskey\”>解密密钥,要求为8位</param>
/// <returns>解密成功返回解密后的字符串，失败返源串</returns>
public static string DesDecrypt(string desdeinstr, string deskey)
{
MemoryStream memoryStream = new MemoryStream();
try
{
DESCryptoServiceProvider des = new DESCryptoServiceProvider();
byte[] inputByteArray = new byte[desdeinstr.Length / 2];
for (int ii = 0; ii < desdeinstr.Length / 2; ii++)
{
int intt = (Convert.ToInt32(desdeinstr.Substring(ii * 2, 2), 16));
inputByteArray[ii] = (byte)intt;
}
des.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(deskey);
des.IV = Encoding.UTF8.GetBytes(deskey); // 当 mode 为 CBC 时，偏移量必传
des.Mode = CipherMode.ECB; // 为空默认 CBC
CryptoStream cs = new CryptoStream(memoryStream, des.CreateDecryptor(), CryptoStreamMode.Write);
cs.Write(inputByteArray, 0, inputByteArray.Length);
cs.FlushFinalBlock();
return Encoding.UTF8.GetString(memoryStream.ToArray());
}
catch
{
return desdeinstr;
}
}

2、3DES

密文采用 Base64 格式输出。

疑问解答：三次加解密操作会运用三个不同的 Key，但是我们只传入了一个密钥，怎么回事？

3DES 密钥必须为 24 位，为 DES 的 3 倍，经测试得出结论：

TripleDESCryptoServiceProvider 内部将密钥分成 3 份，进行了加密解密三重操作。

我们把 24 位字符串分成三部分，如果三部分均相等，或前两部分相等，就会报错："Specified key is a known weak key for 'TripleDES' and cannot be used."–指定的密钥是'TripleDES'的已知弱密钥，不能使用。

// 测试
string jiamihou16 = SecurityDES.Des3Encrypt(\”TestString\”, \”111112222233333444445555\”, \”12345678\”); // yJGf3qgWyoAQeaPY2S5Etg==
string jiamihou32 = SecurityDES.Des3Decrypt(jiamihou16, \”111112222233333444445555\”, \”12345678\”);
/// <summary>
/// 3DES 加密
/// </summary>
/// <param name=\”des3eninstr\”></param>
/// <param name=\”des3key\”>24 位</param>
/// <param name=\”des3iv\”>8 位</param>
/// <returns></returns>
public static string Des3Encrypt(string des3eninstr, string des3key, string des3iv)
{
string encryptPassword = string.Empty;
SymmetricAlgorithm algorithm = new TripleDESCryptoServiceProvider();
algorithm.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(des3key);// Convert.FromBase64String(des3key);
algorithm.IV = Encoding.UTF8.GetBytes(des3iv);
algorithm.Mode = CipherMode.ECB;
algorithm.Padding = PaddingMode.PKCS7;
ICryptoTransform transform = algorithm.CreateEncryptor();
byte[] data = Encoding.UTF8.GetBytes(des3eninstr);
MemoryStream memoryStream = new MemoryStream();
CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(memoryStream, transform, CryptoStreamMode.Write);
cryptoStream.Write(data, 0, data.Length);
cryptoStream.FlushFinalBlock();
encryptPassword = Convert.ToBase64String(memoryStream.ToArray());
memoryStream.Close();
cryptoStream.Close();
return encryptPassword;
}
/// <summary>
/// 3DES 解密
/// </summary>
/// <param name=\”des3deinstr\”>密文 Base64</param>
/// <param name=\”des3key\”>24 位</param>
/// <param name=\”des3iv\”>8 位</param>
/// <returns></returns>
public static string Des3Decrypt(string des3deinstr, string des3key, string des3iv)
{
string decryptPassword = string.Empty;
SymmetricAlgorithm algorithm = new TripleDESCryptoServiceProvider();
algorithm.Key = Encoding.UTF8.GetBytes(des3key);
algorithm.IV = Encoding.UTF8.GetBytes(des3iv);
algorithm.Mode = CipherMode.ECB;
algorithm.Padding = PaddingMode.PKCS7;
ICryptoTransform transform = algorithm.CreateDecryptor(algorithm.Key, algorithm.IV);
byte[] buffer = Convert.FromBase64String(des3deinstr);
MemoryStream memoryStream = new MemoryStream(buffer);
CryptoStream cryptoStream = new CryptoStream(memoryStream, transform, CryptoStreamMode.Read);
StreamReader reader = new StreamReader(cryptoStream, System.Text.Encoding.ASCII);
decryptPassword = reader.ReadToEnd();
reader.Close();
cryptoStream.Close();
memoryStream.Close();
return decryptPassword;
}

三、js 语言实现

以下是通过 crypto-js.js 实现。

1、DES

注意：mode 为空默认 CBC，此时偏移量 iv 不可为空。

注意：密钥可用位数为 8，如果超过 8 位以后的对加密结果无影响，且不会报错。

// 先引入 js 文件
<script src=\”http://cdn.bootcdn.net/ajax/libs/crypto-js/4.0.0/crypto-js.js\”></script>
// npm（Node.js package manager）方式
> npm install crypto-js

// 调用方法 message() 查看测试结果
function message(){
var outdata_value = encryptByDES(\”TestString\”, \”11111222\”);
alert(outdata_value) // 57fe567eaa866373f851a526f07d9e26
console.log(\”outdata_value-aes_encrypt:\”, outdata_value);
outdata_value = decryptByDES(outdata_value, \”11111222\”);
alert(outdata_value)
console.log(\”outdata_value-aes_decrypt:\”, outdata_value);
}
//DES 加密
function encryptByDES(deseninstr, keystr, ivstr = keystr) {
var keybyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(keystr);
var ivbyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(ivstr);
let afterEncrypt = CryptoJS.DES.encrypt(deseninstr, keybyte, {
iv: ivbyte, // 当 mode 为 CBC 时，偏移量必传
mode: CryptoJS.mode.ECB, // 为空默认 CBC
padding: CryptoJS.pad.Pkcs7
}).ciphertext.toString()
console.log(afterEncrypt)
return afterEncrypt
}
//DES 解密
function decryptByDES(desdeinstr, keystr, ivstr = keystr) {
var keybyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(keystr);
var ivbyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(ivstr);
var decrypted = CryptoJS.DES.decrypt(
{ ciphertext: CryptoJS.enc.Hex.parse(desdeinstr) },
keybyte,
{
iv: ivbyte, // 当 mode 为 CBC 时，偏移量必传
mode: CryptoJS.mode.ECB, // 为空默认 CBC
padding: CryptoJS.pad.Pkcs7
}
);
console.log(decrypted);
var result_value = decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
return result_value;
}

2、3DES

// 调用方法 message() 查看测试结果
function message() {
var outdata_value = encryptByDES(\”TestString\”, \”111112222233333444445555\”);
alert(outdata_value) // yJGf3qgWyoAQeaPY2S5Etg==
console.log(\”outdata_value-3des_encrypt:\”, outdata_value);
outdata_value = decryptByDES(outdata_value, \”111112222233333444445555\”);
alert(outdata_value)
console.log(\”outdata_value-3des_decrypt:\”, outdata_value);
}
// 加密密钥需为 24 位，偏移量需为 8 位
function encryptByDES(deseninstr, keystr) {
var keybyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(keystr);
//var ivbyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(ivstr);
var encrypted = CryptoJS.TripleDES.encrypt(deseninstr, keybyte, {
// iv: ivbyte, // 当 mode 为 CBC 时，偏移量必传
mode: CryptoJS.mode.ECB,
padding: CryptoJS.pad.Pkcs7
});
return encrypted.toString();
}
// 解密密钥需为 24 位，偏移量需为 8 位
function decryptByDES(desdeinstr, keystr) {
var keybyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(keystr);
//var ivbyte = CryptoJS.enc.Utf8.parse(ivstr);
var decrypted = CryptoJS.TripleDES.decrypt(desdeinstr, keybyte, {
// iv: ivbyte, // 当 mode 为 CBC 时，偏移量必传
mode: CryptoJS.mode.ECB,
padding: CryptoJS.pad.Pkcs7
});
return decrypted.toString(CryptoJS.enc.Utf8);
}