Blowfish加密算法的密钥扩展过程
字数 2657 2025-12-06 00:37:30

Blowfish加密算法的密钥扩展过程

Blowfish 是一种对称分组密码算法，由 Bruce Schneier 于 1993 年设计。它使用可变长度的密钥（32 位到 448 位）和 64 位分组大小，采用 Feistel 网络结构。Blowfish 的密钥扩展过程相对复杂，因为它需要生成一个较大的子密钥数组（包括 18 个 32 位的 P 数组和 4 个 32×256 的 S 盒）。下面我们将详细讲解密钥扩展的每一步。

1. 算法背景与结构概述

Blowfish 包含两个主要部分：

  • 数据加密部分：16 轮的 Feistel 网络，每轮使用一个来自 P 数组的子密钥和一个 S 盒的替换。
  • 密钥扩展部分：将用户提供的可变长度密钥（最多 448 位）扩展为：
    • 18 个 32 位的子密钥（P₁ 到 P₁₈），用于每轮的轮密钥加。
    • 4 个 S 盒（每个 S 盒包含 256 个 32 位条目），用于轮函数中的替换操作。

密钥扩展的核心思想是：用用户密钥初始化 P 数组和 S 盒，然后通过迭代加密一个全零的 64 位分组，用结果逐步替换 P 数组和 S 盒的条目，使得最终的子密钥与用户密钥相关。

2. 密钥扩展的详细步骤

我们逐步分解密钥扩展过程：

步骤 1：初始化 P 数组和 S 盒
Blowfish 预先定义了固定的初始值：

  • P 数组的初始值由圆周率 π 的小数部分的前 18×32 位组成（十六进制表示）。例如：
    P₁ = 0x243f6a88, P₂ = 0x85a308d3, ..., P₁₈ = 0x8979fb1b。
  • 4 个 S 盒（每个 256 个 32 位条目）同样从 π 的小数部分派生，例如 S₁[0] = 0xd1310ba6, ..., S₄[255] = 0x2a8b7a4a。

这些初始值是公开的常数，与用户密钥无关。

步骤 2：用用户密钥异或更新 P 数组
用户密钥是一个字节数组，长度为 1 到 56 字节（8 到 448 位）。设用户密钥为 K[0], K[1], ..., K[k-1]（k 为字节数，1 ≤ k ≤ 56）。

  • 将用户密钥循环重复，直到覆盖整个 P 数组（18 个 32 位值）。具体操作：
    1. 将用户密钥的字节重新解释为一个 32 位字的数组。例如，如果密钥是 "ABCD"，则四个字节 'A'(0x41)、'B'(0x42)、'C'(0x43)、'D'(0x44) 可以组成一个 32 位字 0x41424344。
    2. 对于 i 从 1 到 18：
      Pᵢ = Pᵢ XOR (密钥的第 ((i-1) mod 密钥字数) 个字)。
      注意：如果密钥长度不是 4 字节的整数倍，最后一个字可能用零填充或循环填充（取决于实现，但标准方法是循环重复密钥字节直到填满 32 位）。

步骤 3：用全零分组加密更新 P 数组
现在，我们用一个 64 位全零分组（左半部分 L=0x00000000，右半部分 R=0x00000000）进行迭代加密，并用加密结果更新 P 数组。这个过程称为“自修改”：

  1. 用当前的 P 数组和 S 盒对全零分组执行完整的 Blowfish 加密（16 轮 Feistel 网络，包含轮函数 F 和每轮的 P 数组异或）。
  2. 加密结果得到两个 32 位输出 L' 和 R'。
  3. 用 L' 替换 P₁，用 R' 替换 P₂。
  4. 再次用当前的 P 数组和 S 盒加密新的 L' 和 R'（即上一步的输出作为输入）。
  5. 用新的加密结果的左半部分替换 P₃，右半部分替换 P₄。
  6. 重复这个过程，直到更新完 P₁ 到 P₁₈。总共需要 9 次加密（因为每次加密更新两个 P 条目）。

步骤 4：用更新后的 P 数组加密更新 S 盒
在 P 数组全部更新后，用类似的方法更新 4 个 S 盒（每个 S 盒有 256 个条目）：

  1. 继续使用当前的 P 数组和 S 盒加密全零分组（但注意此时 P 数组已经更新过，不再是初始值）。
  2. 用加密结果的左半部分替换 S₁[0]，右半部分替换 S₁[1]。
  3. 再次加密上一次的输出，用结果替换 S₁[2] 和 S₁[3]。
  4. 重复这个过程，直到 S₁ 的所有 256 个条目都被更新。
  5. 然后以相同的方式更新 S₂、S₃ 和 S₄。

总共需要 512 次加密（因为每个 S 盒 256 个条目，每次加密更新两个条目，4×256/2 = 512 次加密）。加上更新 P 数组的 9 次加密，整个密钥扩展过程需要 521 次加密操作。

步骤 5：完成扩展
当所有 P 数组和 S 盒更新完毕后，密钥扩展过程结束。此时的 P 数组和 S 盒与用户密钥相关，并用于后续的数据加密。

3. 关键点与注意事项

  • 计算开销大：Blowfish 的密钥扩展需要 521 次加密，相对较慢。这增加了暴力破解的难度，但也使得密钥切换成本较高（不适合频繁更换密钥的场景）。
  • 密钥长度可变：用户密钥长度可以在 32 位到 448 位之间。如果密钥长度不足 4 字节的倍数，需要循环重复字节来填充。
  • 安全性依赖 S 盒：S 盒在扩展过程中被密钥材料“随机化”，增强了算法的抗攻击能力。
  • 不可逆性：从最终的 P 数组和 S 盒无法反推出用户密钥，这提供了额外的安全保护。

4. 示例演示（简化）

假设用户密钥是 4 字节的 0x00000000（仅为示例，实际密钥应随机）：

  1. 初始 P 数组为固定值，如 P₁=0x243f6a88, P₂=0x85a308d3, ...
  2. 用密钥异或更新 P 数组：P₁ = P₁ XOR 0x00000000 = 0x243f6a88（不变，因为密钥全零）。
  3. 用全零分组加密：加密结果假设为 (L', R') = (0x4ef99745, 0x6198dd78)（实际值取决于初始 P 和 S 盒）。
  4. 更新 P₁=0x4ef99745, P₂=0x6198dd78。
  5. 继续加密和更新，直到 P 数组和 S 盒全部更新。

通过这个过程，即使简单的密钥也能产生复杂的子密钥集合。

5. 总结

Blowfish 的密钥扩展通过迭代加密和替换，将短的用户密钥扩展为大量的子密钥材料（4168 字节的 S 盒和 72 字节的 P 数组）。这种设计增加了密钥设置的复杂度，提高了对穷举攻击的抵抗力，但也导致密钥调度较慢。理解这一过程有助于深入掌握 Blowfish 算法的安全性和实现细节。

Blowfish加密算法的密钥扩展过程 Blowfish 是一种对称分组密码算法，由 Bruce Schneier 于 1993 年设计。它使用可变长度的密钥（32 位到 448 位）和 64 位分组大小，采用 Feistel 网络结构。Blowfish 的密钥扩展过程相对复杂，因为它需要生成一个较大的子密钥数组（包括 18 个 32 位的 P 数组和 4 个 32×256 的 S 盒）。下面我们将详细讲解密钥扩展的每一步。 1. 算法背景与结构概述 Blowfish 包含两个主要部分： 数据加密部分 ：16 轮的 Feistel 网络，每轮使用一个来自 P 数组的子密钥和一个 S 盒的替换。 密钥扩展部分 ：将用户提供的可变长度密钥（最多 448 位）扩展为： 18 个 32 位的子密钥（P₁ 到 P₁₈），用于每轮的轮密钥加。 4 个 S 盒（每个 S 盒包含 256 个 32 位条目），用于轮函数中的替换操作。 密钥扩展的核心思想是：用用户密钥初始化 P 数组和 S 盒，然后通过迭代加密一个全零的 64 位分组，用结果逐步替换 P 数组和 S 盒的条目，使得最终的子密钥与用户密钥相关。 2. 密钥扩展的详细步骤 我们逐步分解密钥扩展过程： 步骤 1：初始化 P 数组和 S 盒 Blowfish 预先定义了固定的初始值： P 数组的初始值由圆周率 π 的小数部分的前 18×32 位组成（十六进制表示）。例如： P₁ = 0x243f6a88, P₂ = 0x85a308d3, ..., P₁₈ = 0x8979fb1b。 4 个 S 盒（每个 256 个 32 位条目）同样从 π 的小数部分派生，例如 S₁[ 0] = 0xd1310ba6, ..., S₄[ 255 ] = 0x2a8b7a4a。 这些初始值是公开的常数，与用户密钥无关。 步骤 2：用用户密钥异或更新 P 数组 用户密钥是一个字节数组，长度为 1 到 56 字节（8 到 448 位）。设用户密钥为 K[ 0], K[ 1], ..., K[ k-1 ]（k 为字节数，1 ≤ k ≤ 56）。 将用户密钥循环重复，直到覆盖整个 P 数组（18 个 32 位值）。具体操作： 将用户密钥的字节重新解释为一个 32 位字的数组。例如，如果密钥是 "ABCD"，则四个字节 'A'(0x41)、'B'(0x42)、'C'(0x43)、'D'(0x44) 可以组成一个 32 位字 0x41424344。 对于 i 从 1 到 18： Pᵢ = Pᵢ XOR (密钥的第 ((i-1) mod 密钥字数) 个字)。 注意：如果密钥长度不是 4 字节的整数倍，最后一个字可能用零填充或循环填充（取决于实现，但标准方法是循环重复密钥字节直到填满 32 位）。 步骤 3：用全零分组加密更新 P 数组 现在，我们用一个 64 位全零分组（左半部分 L=0x00000000，右半部分 R=0x00000000）进行迭代加密，并用加密结果更新 P 数组。这个过程称为“自修改”： 用当前的 P 数组和 S 盒对全零分组执行完整的 Blowfish 加密（16 轮 Feistel 网络，包含轮函数 F 和每轮的 P 数组异或）。 加密结果得到两个 32 位输出 L' 和 R'。 用 L' 替换 P₁，用 R' 替换 P₂。 再次用当前的 P 数组和 S 盒加密新的 L' 和 R'（即上一步的输出作为输入）。 用新的加密结果的左半部分替换 P₃，右半部分替换 P₄。 重复这个过程，直到更新完 P₁ 到 P₁₈。总共需要 9 次加密（因为每次加密更新两个 P 条目）。 步骤 4：用更新后的 P 数组加密更新 S 盒 在 P 数组全部更新后，用类似的方法更新 4 个 S 盒（每个 S 盒有 256 个条目）： 继续使用当前的 P 数组和 S 盒加密全零分组（但注意此时 P 数组已经更新过，不再是初始值）。 用加密结果的左半部分替换 S₁[ 0]，右半部分替换 S₁[ 1 ]。 再次加密上一次的输出，用结果替换 S₁[ 2] 和 S₁[ 3 ]。 重复这个过程，直到 S₁ 的所有 256 个条目都被更新。 然后以相同的方式更新 S₂、S₃ 和 S₄。 总共需要 512 次加密（因为每个 S 盒 256 个条目，每次加密更新两个条目，4×256/2 = 512 次加密）。加上更新 P 数组的 9 次加密，整个密钥扩展过程需要 521 次加密操作。 步骤 5：完成扩展 当所有 P 数组和 S 盒更新完毕后，密钥扩展过程结束。此时的 P 数组和 S 盒与用户密钥相关，并用于后续的数据加密。 3. 关键点与注意事项 计算开销大 ：Blowfish 的密钥扩展需要 521 次加密，相对较慢。这增加了暴力破解的难度，但也使得密钥切换成本较高（不适合频繁更换密钥的场景）。 密钥长度可变 ：用户密钥长度可以在 32 位到 448 位之间。如果密钥长度不足 4 字节的倍数，需要循环重复字节来填充。 安全性依赖 S 盒 ：S 盒在扩展过程中被密钥材料“随机化”，增强了算法的抗攻击能力。 不可逆性 ：从最终的 P 数组和 S 盒无法反推出用户密钥，这提供了额外的安全保护。 4. 示例演示（简化） 假设用户密钥是 4 字节的 0x00000000（仅为示例，实际密钥应随机）： 初始 P 数组为固定值，如 P₁=0x243f6a88, P₂=0x85a308d3, ... 用密钥异或更新 P 数组：P₁ = P₁ XOR 0x00000000 = 0x243f6a88（不变，因为密钥全零）。 用全零分组加密：加密结果假设为 (L', R') = (0x4ef99745, 0x6198dd78)（实际值取决于初始 P 和 S 盒）。 更新 P₁=0x4ef99745, P₂=0x6198dd78。 继续加密和更新，直到 P 数组和 S 盒全部更新。 通过这个过程，即使简单的密钥也能产生复杂的子密钥集合。 5. 总结 Blowfish 的密钥扩展通过迭代加密和替换，将短的用户密钥扩展为大量的子密钥材料（4168 字节的 S 盒和 72 字节的 P 数组）。这种设计增加了密钥设置的复杂度，提高了对穷举攻击的抵抗力，但也导致密钥调度较慢。理解这一过程有助于深入掌握 Blowfish 算法的安全性和实现细节。