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1、密 码 学,分组密码运行模式-大数据加密,一、计算机数据的特殊性,1、存在明显的数据模式： 许多数据都具有某种固有的模式。这主要是由数据冗余和数据结构引起的。 各种计算机语言的语句和指令都十分有限，因而在程序中便表现为少量的语句和指令的大量重复。 各种语言程序往往具有某种固定格式。 数据库的记录也往往具有某种固定结构。 操作系统和网络也有同样的问题。,一、计算机数据的特殊性,1、存在明显的数据模式： 根据明文相同、密钥相同，则密文相同的道理，这些固有的数据模式将在密文中表现出来。 掩盖明文数据模式的方法： 预处理技术(随机掩盖) 链接技术 如果不能掩盖数据模式，既使采用安全的密码算法也是徒劳的
2、。,一、计算机数据的特殊性,数据的特殊性带来的需求： 分组固定而待加密的数据量是不定的。 即使有了安全的分组密码算法，也需要采用适当的工作模式来隐蔽明文的统计特性、数据的格式等，以提高整体的安全性，降低删除、重放、插入、和伪造成功的机会。 不仅要保持各分组的完整性，还有保持各分组的次序不变。,二、分组密码的工作模式,1977年DES颁布。1981年美国针对DES的应用制定了四种基本工作模式： 电码本模式（ECB） 每个明文组独立地以同一密钥加密，单个数据加密。 密文反馈链接模式（CBC） 将前一组密文与当前明文组逐步异或后再进行分组、加密，用途：加密、认证。,二、分组密码的工作模式,密码反馈模
3、式（CFB） 每次只处理k位数据，将上一次的密文反馈到输入端，从加密器的输出取k位，与当前的k位明文逐位异或，产生相应密文；用途：一般传送数据的流加密，认证 输出反馈模式（OFB） 类似于CFB，以加密器输出的k位随机数字直接反馈到加密器的输入，用途：对有扰信道传送的数据流进行加密（如卫星数传）,二、分组密码的工作模式,2000年美国在征集AES的同时又公开征集AES的工作模式。共征集到 15个候选工作模式。 新的工作模式标准还在评审中。 这些新的工作模式将为AES的应用作出贡献。,二、分组密码的工作模式,1、电码本模式（ECB） 直接利用分组密码对明文的各分组进行加密。 设 明文M=（M1
4、，M2 ，Mn ）, 密钥为K， 密文C ( C1 ，C2 ，Cn ), 其中 Ci E（Mi，K）, i=1,2,n 电码本方式是分组密码的基本工作模式。 缺点：可能出现短块，这时需要特殊处理。 缺点：暴露明文的数据模式。 应用：适合加密密钥等短数据,二、分组密码的工作模式,2、密文反馈链接模式（CBC） 明密文链接方式（Plaintext and Ciphertext Block Chaining） 设 明文 M=（M1 ，M2 ，Mn ）, 密钥为K， 密文 C = ( C1 ，C2 ，Cn ), 其中 E（Mi Z ，K）， i=1 E（Mi Mi-1 Ci-1，K）, i=2,n Z
5、为初始化向量。,Ci=,二、分组密码的工作模式,2、密文反馈链接模式（CBC） 明密文链接方式 即使Mi Mj ，但因一般都有Mi-1 Ci-1 Mj-1 Cj-1 ，从而使Ci Cj ，从而掩盖了明文中的数据模式。 加密时，当Mi 或Ci 中发生一位错误时，自此以后的密文全都发生错误。这种现象称为错误传播无界。 解密时也是错误传播无界。,二、分组密码的工作模式,2、密文反馈链接模式（CBC） 明密文链接方式 错误传播无界的缺点：当磁盘发生一点损坏时将导致整个文件无法解密。 错误传播无界的优点：可用于数据完整性、真实性认证。,二、分组密码的工作模式,M1,E,C1,M1,D,M2,E,C2,D
6、,Mn,E,Cn,D,Mn,M2,加密,解密,K,K,K,K,K,K,Z,Z,二、分组密码的工作模式,2、密文反馈链接模式（CBC） 明密文链接方式具有加解密错误传播无界的特性，而磁盘文件加密和通信加密通常希望解密错误传播有界，这时可采用密文链接方式。 密文链接方式（ Ciphertext Block Chaining） 设 明文 M=（M1 ，M2 ，Mn ）, 密钥为K， 密文 C = ( C1 ，C2 ，Cn ), 其中 E（ Mi Z ，K）， i=1 E（Mi Ci-1，K）, i=2,n,Ci=,二、分组密码的工作模式,M1,E,C1,M1,D,M2,E,C2,D,Mn,E,Cn,
7、D,Mn,M2,加密,解密,K,K,K,K,K,K,Z,Z,二、分组密码的工作模式,2、密文反馈链接模式（CBC） 密文链接方式 加密：错误传播无界 解密时：错误传播有界 D（Ci ，K）Z ， i=1 D（Ci ，K）Ci-1 , i=2,n Ci-1 发生了错误，则只影响Mi-1 和Mi 发生错误，其余不错，因此错误传播有界。 缺点也是要求数据的长度是密码分组长度的整数倍，否则最后一个数据块将是短块。,Mi=,二、分组密码的工作模式,3、输出反馈模式 (OFB) 将一个分组密码转换为一个密钥序列产生器。从而可以实现用分组密码按流密码的方式进行加解密。,64移位寄存器 K位,E K位,明文K
8、位,密文K位,种子R0,K,二、分组密码的工作模式,3、输出反馈模式 (OFB) 如果分组密码是安全的，则产生的密钥序列也是安全的。 加解密都没有错误传播。 适于加密冗余度较大的数据，如语音和图象数据。 为了提高速度可输出最右边的 8位。 但因无错误传播而对密文的篡改难以检测。,二、分组密码的工作模式,4、密码反馈模式 CFB（Cipher Feedback） CFB模式也是用分组密码产生密钥序列。,64移位寄存器 K位,E K位,明文K位,密文k位,种子R0,K,二、分组密码的工作模式,4、密码反馈模式 (CFB) 与OFB的不同是，把密文反馈到移位寄存器。 加密时若明文错了一位，则影响相应
9、的密文错，这一错误反馈到移位寄存器后将影响到后续的密钥序列错，导致后续的密文都错。 解密时若密文错了一位，则影响相应的明文错，但密文的这一错误反馈到移位寄存器后将影响到后续的密钥序列错，导致后续的明文都错。 因错误传播无界，可用于检查发现对明密文的篡改。,二、分组密码的工作模式,5、X CBC (Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式 2000年美国学者J0hn Black和Phllip Rogaway提出X CBC模式，作为CBC模式的扩展，被美国政府采纳作为标准。 X CBC主要是解决了CBC要求明文数据的长度是密码分组长度的整数倍的限制，
10、可以处理任意长的数据。如果用分组密码是安全的，则密钥序列就是安全的。,二、分组密码的工作模式,5、X CBC (Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式 设明文M=（M1 ，M2 ，Mn-1，Mn ），相应的密文C=( C1 ，C2 ，Cn1，Cn )，而Mn 可能是短块。 使用3个密钥 K1，K2，K3进行加密。 使用填充函数 Pad（X）对短块数据进行填充。,二、分组密码的工作模式,5、X CBC (Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式 填充函数Pad（X）定义如下： X， 当X不是短块；
11、X100， 当X是短块。 经填充函数 Pad（X）填充后的数据块一定是标准块。,Pad（X）,二、分组密码的工作模式,5、X CBC (Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式 令Z0，以Z作为初始化向量。加密过程如下： E（Mi Z ，K1），i=1 E（Mi Ci-1，K1）, i=2,n1 E（Mn Cn -1 K2，K1）， 当Mn 不是短块； E（PAD（Mn）Cn -1 K3，K1），当Mn是短块。,Ci ,Cn ,二、分组密码的工作模式,5、X CBC (Extended Cipher Block Chaining Encrypti
12、on)模式 X CBC与CBC区别： CBC要求最后一个数据块是标准块，不是短块。 X CBC既允许最后一个数据块是标准块，也允许是短块。 最后一个数据块的加密方法与 CBC不同。 因为有填充，需要传输填充长度信息。,二、分组密码的工作模式,5、X CBC (Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式 X CBC模式的主要优点： 可以处理任意长度的数据。 适于计算产生检测数据完整性的消息认证码MAC。,X CBC模式的主要缺点： 有填充，不适合文件和数据库加密。 使用3个密钥，需要传填充长度，复杂。,二、分组密码的工作模式,6、CTR（Counte
13、r Mode Encryption）模式 CTR模式是Diffie和Hellman于1979年提出的，在征集AES工作模式的活动中由California大学的Phillip Rogaway等人的推荐。 设T1，T2 ，Tn-1，Tn 是一给定的计数序列，M1，M2，Mn-1，Mn 是明文，其中M1，M2，Mn-1是标准块，Mn 的可能是标准块，也可能是短块。设其长度等于u，u小于等于分组长度。,二、分组密码的工作模式,6、CTR（Counter Mode Encryption）模式 CTR的工作模式的加密过程如下： OiE（Ti，K），i=1,2,n. CiMiOi ，i=1,2,n-1. C
14、nMnMSBu（On）. 其中MSBu（On）表示On 中的高u位。,计数器,加密算法 E,M i,C i,T i,O i,K,T 1,时钟脉冲,二、分组密码的工作模式,6、CTR（Counter Mode Encryption）模式 CTR的工作模式的解密过程如下： OiE（Ti，K），i=1,2,n. MiCiOi ，i=1,2,n-1. MnCnMSBu（On）.,二、分组密码的工作模式,6、CTR（Counter Mode Encryption）模式 CTR的工作模式的优点： CTR模式的优点是安全、高效、可并行、适合任意长度的数据； Oi的计算可预处理高速进行； 加解密过程仅涉及加密
15、运算，不涉及解密运算，因此不用实现解密算法。 适合随机存储数据的解密。 CTR模式的缺点是没有错误传播，因此不易确保数据完整性。,三、短块加密,分组密码一次只能对一个固定长度的明文（密文）块进行加（解）密。 称长度小于分组长度的数据块为短块。 必须采用合适的技术解决短块加密问题。 短块处理技术： 1、填充技术 2、密文挪用技术 3、序列加密,三、短块加密,1、填充技术 用无用的数据填充短块，使之成为标准块。 为了确保加密强度，填充数据应是随机的。 但是收信者如何知道哪些数字是填充的呢？ 这就需要增加指示信息，通常用最后8位作为填充指示符。 填充法适于通信加密而不适于文件和数据库加密。,三、短块加密,Mn-1,a,a b,Mn,E,Cn,D,Mn,Mn-1,加密,解密,K,K,K,K,E,D,b Mn,a b,b Mn,Cn-1,2、密文挪用技术,三、短块加密,密文挪用法也需要指示挪用位数的指示符，否则收信者不知道挪用了多少位，从而不能正确解密。 密文挪用加密短块的优点是不引起数据扩展。 缺点是解密时要先解密Cn 、还原挪用后再解密Cn-1 ，从而使控制复杂。,三、短块加密,3、序列加密 对于最后一块短块数据，直接使用密钥K与短块数据模2相加。 序列加密方法的优点是简单。 但是如果短块太短，则加密强
