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1、网络安全网络安全技术与实践技术与实践（第（第2版版） 刘建伟刘建伟 王育民王育民 编著编著 清华大学出版社 清华大学出版社 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教育部2011年精品教材 课件制作人声明 课件制作人声明 n 本课件总共有17个文件，版权属于刘建伟所 有，仅供选用此教材的教师和学生参考。 n 本课件严禁其他人员自行出版销售，或未经 作者允许用作其他社会上的培训课程。 n 对于课件中出现的缺点和错误，欢迎读者提 出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人：刘建伟 2013年10月9日 单钥加密体制（第单钥加密体制（第2 2讲讲） IDEA 二 三 四 一 五 流密码 RC5 分组密码的
2、工作模式 Rijndeal算法与AES 一 单钥加密体制（第单钥加密体制（第2讲讲） IDEA 二 三 四 一 五 流密码 RC5 分组密码的工作模式 Rijndeal算法与AES 一 ?AES评选过程:1998年8月20日，NIST公布了15个候选算 法。第一轮选出5个，第二轮选定Rijndael。于2000年10月2 日，由NIST正式对外公布。 ?5个候选算法：Mars, RC6, Rijndael, Serpent, Twofish ?Rijndael算法的原型是Square算法，其设计策略是宽轨迹 策略(Wide Trail Strategy)，以针对差分分析和线性分析； ?Rijn
3、dael是迭代分组密码，其分组长度和密钥长度都是可 变的；为了满足AES的要求，分组长度为128bit，密码长度 为128/192/256bit，相应的轮数r为10/12/14。 ?设计人：比利时密码学家Daemen和Rijinmen。 一一、AES Candidates和和Rijndeal 一一、AES Candidates和和Rijndeal Rijndeal密码概述 ? 为了简化讨论，这里只讨论密钥长度128bits，分组长 度128bits的情况，但不失一般性。 ? 128bits的消息（明文、密文）分组被分成16个Bytes（1 Bytes=8bits，所以16Bytes=168bi
4、ts=128bits），记为： InputBlock = ? 密钥分组如下：InputKey = ? 内部数据结构的表示是一个44矩阵： =1511731410621395112840mmmmmmmmmmmmmmmmInputBlock1510,mmm1510,kkk? 与DES一样，Rijndeal算法也是由基本的“轮变换”经过 多次迭代而成。密钥长度为128bits时，轮数为10。当密钥 长度和分组长度增大时，轮数要相应增加。 Rijindael中的轮变换为： ? 这里，State是轮消息矩阵，既被看作输入，也被看作输出； ? RoundKey是轮密钥矩阵，它是由输入密钥通过密钥表导 出的
5、。 ),(RoundKeyStateRound =1511731410621395112840kkkkkkkkkkkkkkkkInputKey一一、AES Candidates和和Rijndeal Rijndeal密码概述（续） ? 一轮的完成将导致State的元素改变值 （也就是改变状态） ? 对于加密算法， 输入到第1轮的State 就是明文矩阵InputBlock，而最后1轮中 输出的State就是密文消息矩阵； ? 对于解密，输入到第1轮的State就是密 文矩阵InputBlock，而最后1轮中输出的 State就是明文消息矩阵； ? 每一轮（最后1轮除外）变换由4个不 同的变换组成
6、，这些变换就是将要介绍 的内部函数： 一一、AES Candidates和和Rijndeal Rijndeal密码概述（续） ? SubBytes(State)函数为State的每个字节（也就是x）提供了 一个非线性代换，任一非0的字节xF28被下面的变换所取代： y = Ax-1+b mod28 注意：x-1体现了变换的非线性，A是可逆的，所以此变换 是也可逆的：x-1=A-1(y-b)mod28 x 其中： 011000111111100001111100001111100001111110001111110001111110001111110001=bA一一、AES Candidates
7、和和Rijndeal 1、内部函数SubBytes(State) ? 这个函数在State的每一行上运算： ?这个运算实际是一个换位密码，仅仅改变了元 素的位置，而不改变元素本身。既然换位密码 仅仅重排元素的位置，因此这个变换是可逆的。 2, 31 , 30, 33 , 31 , 20, 23 , 22, 20, 13 , 12, 11 , 13 , 02, 01 , 00, 03 , 32, 31 , 30, 33 , 22, 21 , 20, 23 , 12, 11 , 10, 13 , 02, 01 , 00, 0SSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSSS一一、AE
8、S Candidates和和Rijndeal 2、内部函数ShiftRows(State) ?这个函数对State的每一列作用，迭代4次；下面仅描 述对一列的作用，一次迭代的输出仍是一列。 首先令State的一列为： ?为了表述清楚，这里省略了列数。 ?把这一列表示为3次多项式： ?因为s(x)的系数是字节，也就是说是F28 域中的元素，所以 这个多项式是F28 上的。 3210SSSS012 23 0)(sxsxsxsxs+=一一、AES Candidates和和Rijndeal 3、内部函数MixColumns(State) ?列s(x)上的运算定义为将这个多项式乘以一个固定的3次 多项式
9、c(x)【见注释见注释】，然后模x4+1： d(x) = c(x) s(x) (modx4+1) ?Rijndeal给出：c3=“03”, c2=“01”, c1=“01”, c0=“02” ?在乘积d(x)中，x2的系数是：d2=c2s0+c1s1+c0s2+c3s3 ?很容易验证，上述乘法的系数可由以下矩阵乘法得出： 012 23 3)(cxcxcxcxc+=321001233012230112303210ssssccccccccccccccccdddd=一一、AES Candidates和和Rijndeal MixColumns(State) 续 一一、AES Candidates和和R
10、ijndeal MixColumns(State) 续 F2上，c(x)与x4+1是互素的，所以在F2(x)中， 逆c(x)-1 (modx4+1)是存在的。这等于说，上述 矩阵变换是可逆的。 注意到注意到 ?这个函数仅仅是逐字节、逐比特地将RoundKey中的元素 与State中的元素相加。这里的加，是F2中的加，也就是 异或运算，是平凡可逆的。 ?RoundKey比特已经被列表，不同轮的密钥比特是不同 的。它们使用一个固定的“密钥表”导出密钥，该“密 钥表”是非秘密的。具体细节可参阅有关NIST的标准文 件。 ?到此为止，我们完成了对Rijndael算法的内部函数的描 述，因此也完成了加密
11、运算的描述。 一一、AES Candidates和和Rijndeal 4、AddRoundKey(State, RoundKey) ;)(;)(;)(),(),(1111StateSubbytesStateShiftRowsStateMixColumnsRoundKeyStateyAddRoundKeRoundkeystateRound),();();();(),(RoundKeyStateyAddRoundKeStateMixColumnsStateShiftRowsStateSubbytesRoundkeystateRound注意注意：它与Feistel密码不同。Feistel密码的加密和
12、解密可 以使用同样的电路（硬件）和代码（软件），而Rijndael 算法的加密和解密必须分别使用不同的电路和代码。 一一、AES Candidates和和Rijndeal Rijndael的解密运算 单钥加密体制（第单钥加密体制（第2讲讲） IDEA 二 三 四 一 五 流密码 RC5 分组密码的工作模式 Rijndeal算法与AES 一 ?Xuejia Lai和James Massey提出； ?IDEA是对称、分组密码算法，输入的明文为64位，密钥 为128位，生成的密文为64位； ?IDEA是一种相对较新的算法，有坚强的理论基础，但仍 应谨慎使用(尽管该算法已被证明可对抗差分分析和线性 分
13、析)； ?IDEA是一种专利算法(在欧洲和美国)，专利由Ascom-Te ch AG拥有； ?PGP中已实现了IDEA。 二二、欧洲数据加密标准欧洲数据加密标准IDEA 单钥加密体制（第单钥加密体制（第2讲讲） IDEA 二 三 四 一 五 流密码 RC5 分组密码的工作模式 Rijndeal算法与AES 一 ?RC系列是Ron Rivest为RSA公司设计的一系列 密码： ?RC1从未被公开，以致于许多人们称其只出现在Rive st的记事本上； ?RC2是变长密钥加密密法；(RC3在设计过程中在RS A内被攻破); ?RC4是Rivest在1987年设计的变长密钥的序列密码； ?RC5是Ri
14、vest在1994年设计的分组长、密钥长的迭代 轮数都可变的分组迭代密码算法； ?DES(56),RC5-32/12/5, RC5-32/12/6,RC-32/12/7 已分别在1997年被破译。 三三、RC5 单钥加密体制（第单钥加密体制（第2讲讲） IDEA 二 三 四 一 五 流密码 RC5 分组密码的工作模式 Rijndeal算法与AES 一 四四、分组密码的工作模式 分组密码的工作模式 电码本模式ECB 1密码分组链接模式 CBC 2密码反馈模式CFB 3输出反馈模式OFB 4计数器模式CTR 5?电码本模式（ECB-Electric Code Book） ECB加密加密： ECB解
15、密解密： ?注释注释：ECB模式是确定性的，也就是说，如果在相 同的密钥下将 加密2次，那 么输出的密文分组也是相同的。如果明文消息是可 猜测的，那么攻击者就会用试凑法猜测出明文。通 常人们不希望使用确定性密码。因此在大多数应用 中，建议不要使用ECB模式。 miPECii, 2 , 1),(=miCDPii, 2 , 1),(=mPPP,21四四、分组密码的工作模式 分组密码的工作模式 1、 ECB模式 ECB的的电路结构 ?密码分组链接模式（CBC-Cipher Block Chaining） ? CBC加密 输入输入： 输出输出： ?CBC解密： 输入输入： 输出输出： mPPPIV,21mCCCIV,21miCPECIVCiii, 2 , 1),(,10=mCCCIV,21mPPP,21miCCDPIVCiii, 2 , 1,)(,10=四四、分组密码的工作模式 分组密码的工作模式 2、CBC模式 n bit存储 存储 E(IV) D(IV) n bit存储 存储 C
