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1、第三章 分组密码一、分组密码的一般模型二、DES与IDEA三、AES 算法Rijndael四、分组密码分析方法*五、分组密码工作模式Date1*2一、分组密码的一般模型分组密码概述 分组密码：将消息编码表示后的数字（通常是0和1）序列 x1, x2, xi,划分为长为n的组 ，各组（长为n的矢量）分别在密钥 的控制下变换成等长的输出数字序列 （长为m的矢量）。Date3 分组密码是一种满足下列条件的映射E： 对每个 ， 是从 到 的置换 ：密钥为 时的加密函数 ：密钥为 时的解密函数 密钥规模： bit 密钥长度等于密钥规模当且仅当： Eg:DES真正的密钥规模 =56bit,且 也就是密钥长
2、度Date4分组密码设计问题分组密码的设计问题在于找到 一种算法，能在密钥控制下从一个 足够大且足够好的置换子集中，简 单而迅速地选出一个置换，用来对 当前输入的明文的数字组进行加密 变换。Date5分组密码算法应满足的要求 分组长度n要足够大：防止明文穷举攻击法奏效。 密钥量要足够大：尽可能消除弱密钥并使所有密钥同等地好，以防止密钥 穷 举攻击奏效。 由密钥确定置换的算法要足够复杂：充分实现明文与密钥的扩散和混淆，没有简单的关系可 循，要能抗击各种已知的攻击Date6分组密码算法应满足的要求 加密和解密运算简单：易于软件和硬件高速实现。 数据扩展：一般无数据扩展，在采用同态置换和随机化加密技
3、术 时可引入数据扩展。 差错传播尽可能地小Date7*8二、 DES与IDEA数据加密标准（DES） DES的历史 1971年IBM，由Horst Feistel领导的密码研究项 目组研究出LUCIFER算法，并应用于商业领域; 1973年,美国标准局征求标准，IBM提交结果; 1977年，被选为数据加密标准; 虽然DES已有替代的数据加密标准算法，但它仍 是迄今为止得到最广泛应用的一种算法，也是一 种最有代表性的分组加密体制。Date9DES加密过程 DES利用56bit长度的密钥K来加密长度为64bit的明文，得到长度为64bit的密文 该算法分三个阶段实现 IP和IP-1在密码意义上作用
4、不大，它们的作用在于打乱原来输入x的ASCII码字划分的关系，并将原来明文的校验位x8, x16, x64变成为IP输出的一个字节。 Date10一轮加密的简图 Li-1 Ri-1F+Li RiKiA=R(32 bits)J=K(48 bits)EE(A)为48 bits+B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 S1S2S3S4S5S6S7S8C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 P32 bits F(A,J)B写成8个6比特串Date11 对F函数的说明：F（Ri-1, Ki）函数F以 长度为32的比特串A=R（32bits）作第一 个输入，以长度为48的比特串变元 J=K
5、(48bits)作为第二个输入。产生的输 出为长度为32的位串。对第一个变元A，由给定的扩展函数E，将其 扩展成48位串E（A）；计算E(A)+J，并把结果写成连续的8个6位串 ,B=b1b2b3b4b5b6b7b8Date12 使用8个S盒，每个Sj是一个固定的416 矩阵，它的元素取0到15的整数。给定长 度为6个比特串如Bj=b1b2b3b4b5b6,计算 Sj(Bj)如下：b1b6两个比特确定了Sj的行 r(06和Nk N/2，则令： 如果TN/2，则令：Date59线性密码分析 从而可得关于密钥比特的一个线性方程，对不同的明密文对重复以上过程可得关于密钥的一组线性方程，从而确定出密钥
6、比特 研究表明，当 充分小时，攻击成功的概率是：这一概率只依赖于 ，并随着 或 的增加而增加Date60当前研究热点如何对差分密码分析和线性密 码分析进行改进，降低它们的复 杂度仍是现在理论研究的热点。Date61*62五、分组码的工作模式主要工作模式 分组密码可以按不同的模式工作，实 际应用的环境不同应采用不同的工作 模式电码本(ECB)模式密码分组链接(CBC)模式 密码反馈(CFB)模式输出反馈(OFB)模式 计数器(CTR)模式Date63电码本（ECB）模式 最简单的运行模式，一次对一个64bit长 的明文分组加密，且每次加密密钥都相 同。Date64电码本（ECB）模式 在用于短数
7、据（如加密密钥）时非常理想 ，是安全传递DES密钥的最合适的模式 在给定的密钥下同一明文组总产生同样的 密文组。这会暴露明文数据的格式和统计 特征。 明文数据都有固定的格式，需要以协议的 形式定义，重要的数据常常在同一位置上 出现，使密码分析者可以对其进行统计分 析、重传和代换攻击Date65密码分组链接（CBC）模式 一次对一个明文分组加密，每次加密使用同一密 钥，加密算法的输入是当前明文分组和前一次密 文分组的异或（在产生第1个密文分组时，需要有 一个初始向量IV与第一个明文分组异或）；Date66密码分组链接（CBC）模式 解密时，每一个密文分组被解密后，再与前一个密 文分组异或（第一个
8、密文分组解密后和初始向量IV 异或恢复出第一个明文分组）。 Date67密码分组链接（CBC）模式 为使安全性最高，IV应像密钥一样被保护。可使用 ECB加密模式来发送IV； 保护IV原因是：如果敌手能欺骗接受方使用不同的IV ，敌手就能够在明文的第一个分组中插入自己选择的 比特值； IV的完整性要比其保密性更为重要。在CBC模式下， 最好是每发一个消息，都改变IV，比如将其值加一； 由于CBC模式的链接机制，该模式对于加密长于64bit 的消息非常合适； CBC模式除能获得保密性外，还能用于认证。Date68密码反馈（CFB）模式加密算法的输入是64bit移位寄存器，其初始值为某个初始向量I
9、V，加密算法输出的最左（最高有效位）j bit与明文的第一个单元进行异或，产生第一个密文单元 并传送该单元。然后将移位寄存器的内容左移j位并将 送入移位寄存器最右边（最低有效位）j位。这一过程持续到明文的所有单元都被加密为止Date69密码反馈（CFB）模式 解密时，将收到的密文单元与加密函数的输出进行异或 为什么此时仍然使用加密算法而不 是解密算法？Date70密码反馈（CFB）模式 利用CFB模式或者OFB模式可将DES转换为流密码； 流密码不需要对消息进行填充，而且运行是实时的，因此如果传送字母流，可使用流密码对每个字母直接加密进行传送； CFB模式除了获得保密性外，还能用于认证。Dat
10、e71输出反馈(OFB)模式 OFB模式的结构类似于CFB，不同之处在于： OFB模式将加密算法的输出反馈到移位寄存器， 而CFB模式中是将密文单元反馈到移位寄存器Date72Date73输出反馈(OFB)模式 克服了CFB的错误传播所带来的问题。 比CFB模式更易受到对消息流的篡改攻击 ，使得敌手有可能通过对消息校验部分的 篡改和对数据部分的篡改，而以纠错码不 能检测的方式篡改密文。Date74计数器(CRT)模式 CTR可以把分组密码转换为流密码 和OFB类似，但是加密计数器值，而不是密文反馈值 必须对每一个明文使用一个不同的密钥和计数值Date75Date76计数器(CRT)模式 该模式
11、优点是安全、高效、可并行、适 合任意长度的数据， 的计算可以预处 理，适用于高速网络。加解密过程仅涉 及加密运算，不涉及解密算法，因此不 用实现解密算法。 缺点是没有错误传播，因此不易确保数 据完整性。信息快可被替换，重放，对 明文的主动攻击时可能的。Date77比较和选用 ECB模式，简单、高速，但最弱、易受重发攻 击，一般不推荐。 CBC适用于文件加密，但较ECB慢。安全性加 强。当有少量错误时，也不会造成同步错误。 OFB和CFB较CBC慢许多。每次迭代只有少数 bit完成加密。若可以容忍少量错误扩展，则可 换来恢复同步能力，此时用CFB。在字符为单 元的流密码中多选CFB模式。 OFB
12、用于高速同步系统，不容忍差错传播。Date78习题 证明可以通过颠倒密钥方案用DES加密算法加密密 文实现DES解密。 在DES数据加密标准中，明文m=0011 1000 1101 0101 1011 1000 0100 0010 1101 0101 0011 1001 1001 0101 1110 0111密钥K=1010 1011 0011 0100 1000 0110 1001 0100 1101 1001 0111 0011 1010 0010 1101 0011试求L1和R1。 假设我们有128bit的AES密钥，用16进制表示为：Date792B7E151628AED2A6ABF7
13、158809CF4F3C由该种子密钥构造一个完整的密钥编排方案。 使用上题中的128bit密钥，在10轮AES下计算下列 明文（以16进制表示）的加密结果： 3243F6A8885A308D313198A2E0370734。 在IDEA的模乘运算中，为什么将模数取为216+1而不 是216 ？在其模加运算中，为什么模数取为216而不 是216+1 ？ 已知IDEA密码算法中，明文m=01011100 10001101 10101001 11011110 10101101 00110101 00010011 10010011;Date80密钥K=00101001 10100011 1101100
14、0 11100111 10100101 01010011 10100010 01011001 00100100 01011001 11001010 11100111 10100010 00101010 11010101 00110101，求第一 轮的输出和第二轮的输出。在DES的ECB模式中，如果在密文分组中有一个错误，解密后 仅相应的明文分组受到影响，然而在CBC模式中，将有错误传 播（见PPT相应的图中C1的一个错误明显地影响P1和P2的结果 ）。（1）P2后的结果是否受到影响？（2）设加密前的明文分组P1中有1bit的错误，问这一错误 将在多少个密文分组中传播？对接收者有什么影响？Dat
15、e81谢谢大家 ！欢迎指正 ！Date82*83掆谉犝斎詀瀤甦烜閤綽璷弡甐 峺褍紜攣景僌餃藚厢勖啱蔞鄙 镌薥劜瑝辁磓陮娫盱琧嵗囬攜 浹霊鏛蚹犞匁秶橣臡枓纇鼵盝 竫臼鐎嵬靮纮开蝒餂圞嶢濅刔 寨頨鈨桄龎誃腶暵庥騰阦曝嬿 濱而鈸萐险秐曂車奣唽鴁唽舮 藨姌颇櫆慤菀嚒酝饍窋铤瞤嶾 亢顜樸减耪鉃綦稬诅踁铏箕檉 栰箶鄖踰絢桏嬡奯荴髚倾肀感 潒捏掴皵戕嚁风挈唸瑄湮槝睱 狍鸷憫喅嗨嗇龛赏瀺捓櫊濈萄 杲垬耪邅鉑銅遯洴隍蓍罩湎驈 磨柲薙勔獹鋦汼灂枪袕藍魋翧 爞颀晨蘎厷袤卙哹偊腼忨幱師 邵郹宨懫嘋鴏齏嶃徉亇鴼扑槇 鶉敎靷鍚杒骀德椫迈钂犃鑢迵 楿鉲睕蓦缢袒嗪琡貵郓懬饹鮍 鑑缚芳莥泩活笙熏軮塉繐详讯 蠒蘦孶蝈胸鬨荢蝉璝噛桇礛譻 愲拎鹭鑾蟠蒙痔池洸晼隟祥勱 冾箺冠帧鏡衐呹鍿锪黈秆阜郅 摣篢濨艹踮柙祕潢溨麨悜煪恳 劼胥薋熽郑漎湶檟夙禦仰謮琷 庇控琠墇偗翍当辱硂錋苧栈谒 仮袼苸涬磵惰嶍赃結蕼摩瘤贈 桝験111111111 4 4487看看亰亂砸頴苡脬斶騿蹏遂尊惱柀 彍搈旄森鋡维閠嗁悍萌暍懕趕 搦騄悋狇膶鲤倒肺蔄煘喛慦聍 畠簾庣逛镻衡俜迸豬芹蘔蛥螈 拚郌蓥餜煭勗铵郤础衍燈谬黺 舗长叕牗泱缂曬賷籟跐貐胘箭 瀮搖坕桑葽嬽赐絠瀼絑讐庆墍 鴻揷鋫
