Blowfish加密算法 题目描述 Blowfish是一种对称分组密码算法，由Bruce Schneier于1993年设计，适用于替代DES等老旧算法。其特点包括： 分组长度为64位，密钥长度可变（32位至448位）。 包含密钥扩展和数据加密两部分，核心操作依赖于一个复杂的密钥生成过程和多个S盒（替换盒）。 加密过程由16轮Feistel网络结构实现，每轮包含密钥异或、S盒替换和模加运算。 要求：解释Blowfish的密钥扩展流程和加密轮函数的具体步骤。 解题过程 1. 算法结构概述 Blowfish加密流程分为两个核心阶段： 密钥扩展 ：将可变长度密钥（最长448位）扩展为多个子密钥，包括18个32位的P-数组（P₁到P₁₈）和4个S盒（每个S盒包含256个32位整数）。 数据加密 ：将64位明文分成左右两半（L和R，各32位），通过16轮Feistel网络处理，最后输出密文。 2. 密钥扩展流程 密钥扩展是Blowfish最复杂的部分，步骤如下： 步骤1：初始化P-数组和S盒 使用圆周率π的小数部分十六进制值，预填充P-数组和4个S盒（例如P₁=0x243F6A88, P₂=0x85A308D3...）。 这些初始值是固定的，与用户密钥无关。 步骤2：用密钥异或更新P-数组 将用户密钥循环重复，直到覆盖整个P-数组（18个元素）。 例如：若密钥为"KEY"，则实际用于异或的密钥流为"KEYKEYKEY..."。 将P₁与密钥的前32位异或，P₂与接下来的32位异或，直至处理完P₁₈。 步骤3：用当前P-数组加密全零数据块 将64位全零数据（L=0x00000000, R=0x00000000）输入Blowfish加密函数（见后文），生成输出。 用输出的左半部分更新P₁和P₂，右半部分更新P₃和P₄。 重复此过程，直到更新完所有P-数组（共需9次全零加密）。 步骤4：更新S盒 类似步骤3，用当前P-数组和S盒加密全零数据块，用输出依次更新4个S盒中的每个条目（共需512次加密）。 关键点 ：密钥扩展需要大量计算，但预计算后可直接用于加密，适合密钥固定的场景。 3. 加密轮函数详解 加密过程遵循Feistel结构，每轮操作如下： 步骤1：输入拆分 明文分为左半部分L和右半部分R（各32位）。 步骤2：16轮迭代（第i轮） L与Pᵢ异或 ：Lᵢ = Lᵢ₋₁ XOR Pᵢ（首轮i=1，L₀为初始左半部分）。 轮函数F处理Lᵢ ： 将Lᵢ分为4个8位字节（a, b, c, d）。 查S盒并合并： F(Lᵢ) = (S₁[ a] + S₂[ b]) XOR S₃[ c] + S₄[ d ] 其中"+"表示模2³²加法。 更新R ：Rᵢ = F(Lᵢ) XOR Rᵢ₋₁。 交换L和R （最后一轮不交换）： 临时值T = Lᵢ, Lᵢ = Rᵢ, Rᵢ = T。 步骤3：最终处理 16轮后，交换L₁₇和R₁₇（抵消最后一轮未交换的操作）。 输出密文：L₁₈ = R₁₇ XOR P₁₈, R₁₈ = L₁₇ XOR P₁₇。 4. 示例说明 假设明文为0x123456789ABCDEF，密钥为"TestKey"（十六进制表示）： 密钥扩展：重复密钥至覆盖P-数组，通过全零加密更新P和S盒。 加密首轮： L₀=0x12345678, R₀=0x9ABCDEF。 L₁ = L₀ XOR P₁, 然后计算F(L₁)并更新R₁。 重复16轮后，通过最终异或P₁₇和P₁₈得到密文。 关键特性 安全性 ：依赖S盒的非线性和密钥扩展的复杂性，抗差分和线性密码分析。 灵活性 ：支持长密钥，但密钥扩展较慢，不适合频繁更换密钥的场景。