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密码学：解析Feistel网络结构及实现代码

news 来源：原创 2025/6/4 23:18:39

概述

Feistel网络是由IBM密码学家Horst Feistel在20世纪70年代提出的对称加密结构，已成为现代分组密码的核心框架。DES、Blowfish、RC5等经典加密算法均基于此结构。其核心思想是将输入明文分组分成左右两半，通过多轮迭代操作实现加密，每轮使用不同的子密钥和轮函数处理数据。Feistel结构具有加解密过程对称的特性，只需反转子密钥顺序即可实现解密，极大简化了实现复杂度。

关键特点

雪崩效应：
- 定义：输入微小变化（如1比特翻转）导致输出产生显著变化
- 实现机制：轮函数扩散特性 + 左右数据交叉混合
- 重要性：增强密码算法抵抗差分密码分析的能力
结构对称性：
- 加密与解密使用相同结构
- 仅需反转子密钥顺序即可解密
可证明安全性：
- 轮数足够多时可逼近理想密码模型
- 安全性依赖轮函数设计质量

加解密过程

加密流程（n轮迭代）：

1. 输入：明文分组M = (L0, R0)
2. 对于每轮i (1到n):Li = Ri-1Ri = Li-1 ⊕ F(Ri-1, Ki)   # Ki为第i轮子密钥
3. 输出密文：C = (Rn, Ln)   # 注意左右交换

在这里插入图片描述

解密流程：

1. 输入密文：C = (Rn, Ln)
2. 对于每轮i (n到1):Ri-1 = LiLi-1 = Ri ⊕ F(Li, Ki)  # 使用与加密相同的子密钥序列
3. 输出明文：M = (L0, R0)

与SP网络结构相比，Feistel网络结构的一个优点是，它的轮函数F不必可逆

Java实现

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.SecretKey;
import javax.crypto.SecretKeyFactory;
import javax.crypto.spec.DESKeySpec;
import java.nio.charset.StandardCharsets;
import java.security.MessageDigest;
import java.security.spec.KeySpec;
import java.util.Arrays;public class FeistelCipher {// 使用DES的分组大小（64位/8字节）private static final int BLOCK_SIZE = 8; // DES分组大小private static final int HALF_BLOCK = BLOCK_SIZE / 2; // 4字节// 默认轮数private static final int DEFAULT_ROUNDS = 16;/*** PKCS#7填充 - 加密时使用* @param data 需要填充的数据* @return 填充后的数据*/public static byte[] padPKCS7(byte[] data) {int paddingLength = BLOCK_SIZE - (data.length % BLOCK_SIZE);byte[] padded = new byte[data.length + paddingLength];System.arraycopy(data, 0, padded, 0, data.length);// 填充字节的值等于填充长度Arrays.fill(padded, data.length, padded.length, (byte) paddingLength);return padded;}/*** PKCS#7去除填充 - 解密时使用* @param data 带填充的数据* @return 去除填充后的原始数据* @throws IllegalArgumentException 如果填充无效*/public static byte[] unpadPKCS7(byte[] data) {// 检查填充长度是否有效int paddingLength = data[data.length - 1] & 0xFF;if (paddingLength < 1 || paddingLength > BLOCK_SIZE) {throw new IllegalArgumentException("无效的PKCS#7填充");}// 验证所有填充字节是否正确for (int i = data.length - paddingLength; i < data.length; i++) {if (data[i] != paddingLength) {throw new IllegalArgumentException("无效的PKCS#7填充");}}return Arrays.copyOfRange(data, 0, data.length - paddingLength);}/*** DES轮函数实现* @param data 输入数据（半块大小，4字节）* @param key 轮密钥（8字节）* @return 轮函数处理结果（4字节）*/private static byte[] desFFunction(byte[] data, byte[] key) throws Exception {// 确保输入大小正确if (data.length != HALF_BLOCK) {throw new IllegalArgumentException("轮函数输入大小必须为" + HALF_BLOCK + "字节");}// 将4字节数据扩展为8字节（DES输入大小）byte[] expanded = new byte[BLOCK_SIZE];System.arraycopy(data, 0, expanded, 0, HALF_BLOCK);System.arraycopy(data, 0, expanded, HALF_BLOCK, HALF_BLOCK);// 使用DES ECB模式Cipher cipher = Cipher.getInstance("DES/ECB/NoPadding");// 创建DES密钥（仅使用前56位有效位）KeySpec keySpec = new DESKeySpec(key);SecretKeyFactory keyFactory = SecretKeyFactory.getInstance("DES");SecretKey secretKey = keyFactory.generateSecret(keySpec);cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, secretKey);byte[] encrypted = cipher.doFinal(expanded);// 取结果的前4字节作为输出return Arrays.copyOf(encrypted, HALF_BLOCK);}/*** 从主密钥派生轮密钥* @param masterKey 主密钥* @param rounds 轮数* @return 轮密钥数组（每个8字节）*/public static byte[][] deriveRoundKeys(byte[] masterKey, int rounds) throws Exception {byte[][] roundKeys = new byte[rounds][8];MessageDigest sha256 = MessageDigest.getInstance("SHA-256");for (int i = 0; i < rounds; i++) {// 使用不同的盐派生每轮密钥sha256.update(masterKey);sha256.update((byte) i);byte[] hash = sha256.digest();// 取前8字节作为轮密钥System.arraycopy(hash, 0, roundKeys[i], 0, 8);}return roundKeys;}/*** Feistel网络加密* @param plaintext 明文* @param roundKeys 轮密钥* @return 密文*/public static byte[] encrypt(byte[] plaintext, byte[][] roundKeys) throws Exception {// 应用PKCS#7填充byte[] padded = padPKCS7(plaintext);byte[] ciphertext = new byte[padded.length];// 分块处理for (int block = 0; block < padded.length; block += BLOCK_SIZE) {// 分割左右块byte[] left = new byte[HALF_BLOCK];byte[] right = new byte[HALF_BLOCK];System.arraycopy(padded, block, left, 0, HALF_BLOCK);System.arraycopy(padded, block + HALF_BLOCK, right, 0, HALF_BLOCK);// 多轮迭代for (int round = 0; round < roundKeys.length; round++) {byte[] temp = right.clone();byte[] fResult = desFFunction(right, roundKeys[round]);// 左块与轮函数结果异或for (int i = 0; i < HALF_BLOCK; i++) {right[i] = (byte) (left[i] ^ fResult[i]);}left = temp;}// 合并结果（最后一轮不交换）System.arraycopy(left, 0, ciphertext, block, HALF_BLOCK);System.arraycopy(right, 0, ciphertext, block + HALF_BLOCK, HALF_BLOCK);}return ciphertext;}/*** Feistel网络解密* @param ciphertext 密文* @param roundKeys 轮密钥* @return 解密后的数据*/public static byte[] decrypt(byte[] ciphertext, byte[][] roundKeys) throws Exception {if (ciphertext.length % BLOCK_SIZE != 0) {throw new IllegalArgumentException("密文长度必须是块大小的倍数");}byte[] plaintext = new byte[ciphertext.length];for (int block = 0; block < ciphertext.length; block += BLOCK_SIZE) {byte[] left = new byte[HALF_BLOCK];byte[] right = new byte[HALF_BLOCK];System.arraycopy(ciphertext, block, left, 0, HALF_BLOCK);System.arraycopy(ciphertext, block + HALF_BLOCK, right, 0, HALF_BLOCK);// 反向使用子密钥for (int round = roundKeys.length - 1; round >= 0; round--) {byte[] temp = left.clone();byte[] fResult = desFFunction(left, roundKeys[round]);// 右轮与轮函数结果异或for (int i = 0; i < HALF_BLOCK; i++) {left[i] = (byte) (right[i] ^ fResult[i]);}right = temp;}System.arraycopy(left, 0, plaintext, block, HALF_BLOCK);System.arraycopy(right, 0, plaintext, block + HALF_BLOCK, HALF_BLOCK);}// 去除填充的数据plaintext = unpadPKCS7(plaintext);// 返回解密数据return plaintext;}public static void main(String[] args) throws Exception {// 示例主密钥byte[] masterKey = "MySecretKey".getBytes(StandardCharsets.UTF_8);// 派生轮密钥int rounds = DEFAULT_ROUNDS;byte[][] roundKeys = deriveRoundKeys(masterKey, rounds);// 测试短文本（长度不足块大小）String shortText = "Short";System.out.println("测试短文本加密（长度不足块大小）:");testEncryptionDecryption(shortText, roundKeys);// 测试长文本String longText = "This is a longer text that will require multiple blocks for encryption.";System.out.println("\n测试长文本加密:");testEncryptionDecryption(longText, roundKeys);}private static void testEncryptionDecryption(String text, byte[][] roundKeys) throws Exception {byte[] plaintext = text.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);System.out.println("原始文本: " + text);System.out.println("原始长度: " + plaintext.length + " 字节");// 加密byte[] ciphertext = encrypt(plaintext, roundKeys);System.out.println("加密后长度: " + ciphertext.length + " 字节");// 解密byte[] decrypted = decrypt(ciphertext, roundKeys);System.out.println("解密后文本: " + new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8));System.out.println("解密后长度: " + decrypted.length + " 字节");// 验证if (Arrays.equals(plaintext, decrypted)) {System.out.println("验证成功: 原始文本与解密文本匹配");} else {System.out.println("验证失败: 原始文本与解密文本不匹配");}}}