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1、第3章 分组密码-DES和AES,3.1 分组密码原理 3.2 分组密码：DES 3.3 分组密码DES的安全性等 3.3 分组密码设计原则,Symmetric Cipher Model,分组密码,分组密码，就是一个明文分组被当作一个整体来产生一个等长（通常）的密文分组的密码，通常使用的是128位分组大小。 分组密码的实质是，设计一种算法，能在密钥控制下，把n比特明文简单而又迅速地置换成唯一n比特密文，并且这种变换是可逆的（解密）。,分组密码的设计思想（C.E. Shannon),扩散(diffusion) 将明文及密钥的影响尽可能迅速地散布到 较多个输出的密文中（将明文冗余度分散 到密文中）
2、。产生扩散的最简单方法是通 过“置换(Permutation)”（比如：重新排 列字符）。,分组密码的设计思想(Cont.),混淆(confusion) 其目的在于使作用于明文的密钥和密文之 间的关系复杂化，是明文和密文之间、密 文和密钥之间的统计相关特性极小化，从 而使统计分析攻击不能奏效。通常的方法 是“代换（Substitution)”（回忆恺撒密 码）。,乘积密码,核心思想：迭代交替地使用代换（S）、置换（P） SPN代换置换网络 Feistel密码（下图）,Feistel 密 码 结 构,分组密码设计的要求,分组长度足够大（64128比特） 密钥量要足够大（128） 迭代轮次（16）
3、 子密钥产生算法要足够复杂 轮函数 快速软、硬件实现 简化分析难度（破译是困难的，但算法却简洁清晰）,3.2数据加密标准（DES),DES的历史1971年， IBM公司，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美国标准局征求标准，IBM提交结果，在1977年，被选为数据加密标准。 1999年退役,DES 算法的一般描述,一轮加密的简图,Li-1 Ri-1,F,+,Li Ri,Ki,A=R(32 bits),J=K(48 bits),E,E(A)为48 bits,+,B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8,S1,S2,S3,
4、S4,S5,S6,S7,S8,C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8,P,32 bits F(A,J),B,写成8个6比特串,DES 的F函数,图表（密钥生成Ki）,K,PC-1,C0 D0,LS1,LS1,C1 D1,LS2,LS2,LS16,LS16,C16 D16,PC-2,PC-2,K1,K16,3.3 DES的安全性,密钥长度：56 S-Box的安全性,关于DES的争论,DES的核心是S盒 S盒的设计准则： S盒不是它输入变量的线性函数 改变S盒的一个输入位至少要引起两位的输出改变 对任何一个S盒，如果固定一个输入比特，其它输入变化时，输出数字中0和1的总数近于相等。,一些猜
5、测,公众仍然不知道S盒的构造中是否还使用了进一步的设计准则（有陷门？）。 密钥长度是否足够？ 迭代的长度？（8、16、32？）,3.3 分组密码设计原则,S-Box的设计准则 置换的设计准则 加密轮数 F函数 密钥调度算法,作业(old),1、现代密码的构造借鉴了古典密码的哪两种思想并加以扩充？ 2、给出一轮DES加密的轮密钥和结果，如何可以得出该轮加密的明文？这说明什么？ 3、现代密码系统做了哪些基本假设？,作业（Old2：1必做，后3选1）,1、DES加密过程中第16轮结束后为什么还要进行左右32比特互换的操作？ 2、如何扩充使得DES算法的分组长度为128比特、密钥长度为128比特？ 3
6、、用中文注释给出的DES源代码的详细解释和分析。 4、实现用DES加密大数据文件的软件，命令行操作：DES e/d file1 file2 key. 记录加密所用时间，计算加密的平均速度。,AES-Advanced Encryption Standard,1997年9月，NIST征集AES方案，以替代DES。 1999年8月，以下5个方案成为最终候选方案：MARS, RC6, Rijndael, Serpent, Twofish。 2000年10月，由比利时的Joan Daemen和Vincent Rijmen提出的算法最终胜出。,AES的评估,安全性 密钥128比特 成本 算法和执行效率 软
7、硬件实现、简洁,AES的设计原则,能抵抗所有已知的攻击； 在各种平台上易于实现，速度快； 设计简单。,Rijndael是一个分组密码算法，其分组长度和密钥长度相互独立，都可以改变。,表 1. 分组长度和密钥长度的不同取值,Rijndael,Fig 4. 分组长度和密钥长度均为128 bits时的Rijndael加密算法框图,Data / Key Addition,Rnd 0,Rnd 1,Rnd 8,Final Rnd,Key Schedule,Cipher Text,Key,Plain Text,Fig 5. Rijndael Round的构成,ByteSubstitution,ByteRot
8、ation,MixColumn,+,Round Key,一般的轮变换,ByteSubstitution,ByteRotation,+,Round Key,最后一轮的轮变换,用伪代码表示的Rijndael轮变换,一般的轮变换 Round(State, RoundKey) ByteSubstitution;ByteRotation;MixColumn;AddRounKey;,结尾轮的变换 FinalRound(State, RoundKey) ByteSubstituion;ByteRotation;AddRoundKey;,字节代换（ ByteSubstitution ）,查表操作：44的字节矩
9、阵 S盒是1616的字节矩阵 S盒的构造方法 非常关键的设计 但是对用户来说,Byte Substitution,行移位,第0行循环左移0字节 第1行循环左移1字节 第2行循环左移2字节 第3行循环左移3字节,Shift Rows,列混淆,给定一个特殊的矩阵（可逆） 按列操作，每一列分别与矩阵相乘，得到一列新数据，替代原来的列,Mix Columns,轮密钥加,密钥调度算法,输入4个字（16字节），输出44个字的数组 输入密钥直接复制为前四个字 然后依次填充余下部分 第i个值依赖第i-1和第i-4个单元的值 下标为4的倍数的元素采用更复杂的计算 如下图,AES Key Expansion,G函
10、数的定义,字移位 字代换（依次进行字节代换） 轮常量加,实现上的若干考虑,8位处理器 32位处理器,AES-小结,AES是现在的国际加密标准。 AES具有强抗攻击能力（线性攻击、差分攻击等），尚无发现实质性弱点。 AES结构简单、效率很高，具有广泛的应用。,分组密码的工作模式,分组密码加密固定长度的数据分组,需要使用一些实际的方法来加密任意数量的明文 分组密码算法是基本构件，如何实际应用需要更多的考虑 五种工作模式,Electronic Codebook Book (ECB),电码本模式,ECB的优势与局限,相同的明文对于相同的密文 结构化明文 消息有重复部分 主要用于发送少数量的分组数据,C
11、ipher Block Chaining (CBC),密码分组链接模式,Cipher FeedBack (CFB),密码反馈模式,Output FeedBack (OFB),输出反馈模式,Counter (CTR),计数器模式,Advantages and Limitations of CTR,效率 可并行加密 预处理 吞吐量仅受可使用并行数量的限制 加密数据块的随机访问 可证明安全 简单性（只要求实现加密算法）,使用对称密码实现保密,重点需要考虑如下问题： 在什么逻辑位置上实现密码技术？ 如何分配密钥？ 随机数的产生,作业,思考题: P.97 P.179 习题：1、P.99 : 3.9 2、利用159页的内容计算01在S-Box中所对应的值，提示01的逆元是01。给出计算过程。 程序题： 1、展示Python中密码学函数的调用过程。 2、使用pycrypto-2.6实现一个加密程序。 https:/
