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1、河 南 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文） 题目姓 名 院 （系） 专 业指导教师 年 月 日毕 业 设 计（ 论 文 ）任 务 书 填表时间：2008 年 12 月 10 日研究所（教研室）主任签字： 年 月 日对称密钥密码算法研究 摘 要对称密码是现代密码学中的一个重要分支，其诞生和发展有着广泛的使用背景和重要的理论价值。目前这一领域还有许多理论和实际问题有待继续研究和完善。这些问题包括：如何设计可证明安全的密码算法；如何加强现有算法及其工作模式的安全性；如何测试密码算法的安全性；如何设计安全的密码组件，例如S-盒、扩散层及密钥扩展算法等。 目前分组密码所采用的整体结构可分为 Feis
2、tel 结构（如CAST-256、DEAL、DFC、E2等）、SP网络（如Safer、Serpent 等）及其他密码结构（例如Frog和HPC）。Feistel 结构最大的优点是容易保证加解密的相似性；SP 网络则是扩散性能比较好。AES 沿袭了 SQUARE 的特点采用了 SP 网络结构，并在加解密过程大量使用矩阵运算，这样做使得加密和解密过程略有不同，但大幅提高了算法实现的效率。 虽然AES的设计在分组密码系统的发展上有了一个质的飞跃，然而目前仍有研究和改进的空间。AES 在多种平台上实现的效率有待进一步提高， 同时新的加解密工作模式也有待研究。本论文简单介绍了对称密码学的部分基本知识和
3、AES 算法的工作过程，根据 AES 算法大量矩阵运算的的特点，改进了传统的加解密速度，给出了其在时间上的优化：该算法的时间优化能够提高AES算法的加解密速度。 关键词：对称加密算法,DES,Rijndael,有限域The Research Of Symmetric Key Cipher AlgorithmABSTRACT Symmetrical cryptosystem is an important branch of modern cryptography, with its appearance and development there are wide applicant back
4、ground and theorial value. There are lot theorial and applicant problems need to be studied and optimized, such as: how to design a provable safe cryptosystem, how to strengthen the safty of algorithms and working modules which are already available, how to test the safty of a cipher algorithm, how
5、to design safe components of a cryptosystem, as S-boxes, diffusing layers, and key-expanding processes, etc.The general architecture of symmetrical cryptosystem at present can be sorted as Feistel (CAST-256, DEAL, DFC E2, etc.), SP network (Safer, Serpent, etc.) and other architectures (Frog, HPC).
6、Symmetry is the most distinct character of Feistel, while SP network has a good deffuse capability. AES inherited SQUARE in designation, and added in a lot of matrix operations. This causes a bit different between encryption and decryption, but it optimizes the efficiency of the algorism. AES is a r
7、apid progress in cryptosystem development, however, it needs to be ameliorated yet. The efficiency of AES may be boosted, and new working module is also necessary to be developed. This paper introuduces the theory of semmetrical cryptography and the working process of AES algorithm, improves a conve
8、ntional means of increasing the encrypting speed , proposes its optimized algorism, which can greately increase the encryptingspeed。 KEY WORDS: symmetrical cryptography,DES,Rijndael, finite field目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言11.1 概述11.2 课题的研究现状及发展趋势21.3 分组密码的定义4第2章 DES加密方法62.1 DES算法基本原理72.2 DES算法的f函数处理92.
9、3子密钥的生成122.4 DES安全性问题142.5 IDEA分组密码15第3章 AES加密算法163.1 AES发展史163.1.1高加密标准的制定过程163.1.2 AES的评估及中选173.2 AES算法的数学基础183.3 AES算法的设计原理213.3.1 安全性原则223.3.2 实现性原则233.4 AES 算法的整体结构233.4.1 迭代密码算法的结构分类243.4.1.1 Feistel 网络结构243.4.1.2替换/置换(SP)网络结构253.4.1.3 AES 算法的结构253.4.2加、解密的输入输出263.4.3 AES算法的步骤283.4.4 AES 算法描述3
10、03.4.4.1 字节代换（SubBytes）303.4.4.2 行移变换（ShiftRows）313.4.4.3 列混合变换（MixColumns）323.4.4.5 密钥扩展（ExpandedKey）34第4章 AES的快速实现374.1 Rijndael算法的实现方案374.1.1 实现考虑374.1.2 实现方案及其分析384.2 各模块的算法描述及其分析394.2.1 计算轮函数的T表394.2.2 轮函数的C语言实现404.3 加密性能测试424.3.1 测试环境及开发平台424.3.2 测试方法434.3.3 测试结果44总 结45参考文献46致 谢50第1章 引 言1.1 概述
11、 密码学是保密学的一部分,保密学是研究密码系统或通信安全的科学。密码学的主要任务是解决信息的保密性和可认证性,即保证信息在生成、传递、处理和保存的过程中不被未授权者非法提取、篡改、删除、重放和伪造。它包含两个分支,即密码学( cryptology )和密码分析学(cryptanalytic)。密码学是对信息进行编码实现隐蔽信息的一门学问,密码分析学是研究分析破译密码的学问。两者相互对立又相互促进。密码学的使用与研究已经有几千年的历史,但是直到Shannon于1949年发表了“保密通信的信息理论”1之后,它才真正成为一门科学。而“密码学新方向”2的发表和美国数据加密标准DES的颁布实施标志着现代
12、密码学的诞生,并从此揭开了商用民用密码研究的序幕。此后,实用密码体制的研究基本上沿着两个方向进行,即以RSA为代表的公开密钥密码体制和以DES为代表的秘密密钥分组密码体制。分组密码具有速度快、易于标准化和便于软硬件实现等特点,通常是信息与网络安全中实现数据加密、数字签名、认证及密钥管理的核心体制,它在计算机通信和信息系统安全领域有着最广泛的应用。 对称算法(symmetric algorithm),有时又称传统密码算法,就是加密密钥能够从解密密钥中推算出来,同时解密密钥也可以从加密密钥中推算出来。而在大多数的对称算法中,加密密钥和解密密钥是相同的。所以也称这种加密算法为秘密密钥算法或单密钥算法
13、。它要求发送方和接收方在安全通信之前,商定一个密钥。对称算法的安全性依赖于密钥,泄漏密钥就意味着任何人都可以对他们发送或接收的消息解密,所以密钥的保密性对通信性至关重要。 对称加密的优点在于算法实现的效率高、速度快。对称加密的缺点在于:第一,密钥量问题。在单钥密码系统中,每一对通信者就需要一对密钥,当用户增加时,必然会带来密钥量的成倍增长,因此在网络通信中,大量密钥的产生、存放和分配将是一个难以解决的问题。第二,密钥分发问题。单钥密码系统中,加密的安全性完全依赖于对密钥的保护,但是由于通信双方使用的是相同的密钥,人们又不得不相互交流密钥,所以为了保证安全,人们必须使用一些另外的安全信道来分发密
14、钥,例如用专门的信使来传送密钥。这种做法的代价是相当大的,甚至可以说是非常不现实的,尤其在计算机网络环境下,人们使用网络传送加密的文件,却需要另外的安全信道来分发密钥,显而易见,这需要新的解决方法。1.2 课题的研究现状及发展趋势 分组密码3-12的研究始于20世纪70年代中期,至今已有近30年的历史,这期间人们在这一研究领域已经取得了丰硕的成果。分组密码的研究大体上包括三个方面：分组密码的设计原理、分组密码的安全性分析和分组密码的统计性能测试。 分组密码的设计与分析是两个既相互对立又相互依存的研究方向,正是由于这种对立促进了分组密码的飞速发展。早期的研究基本上围绕DES(Data Encryption Standard)进行,进入20世纪90年代后,人们对DES类密码的研究更加深入,特别是差分密码分析13-14和线性密码分析15-16的提出,迫使人们不得不研究新的密码结构。IDEA密码的出现打破了DES类密码的垄断局面,IDEA密码的设计思想是混合使用来自不同代数群中的运算。随后出现的Sqare、Shark和Rijndael17-18都采用了结构非常清晰的代替-置换(SP)网络19-24,每一轮由混淆层和扩散层组成。这种结构的最大优点是能够从理论上给出最大差分特征概率和最佳线性逼近优势的界,也就是说密码对差分密码分析和线性密码分析是可证明安全的
