《密码与隐藏技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《密码与隐藏技术（99页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第2章 密码与隐藏技术,2.1 密码技术概述 2.2 古典加密方法 2.3 数据加密标准DES 2.4 高级加密标准AES 2.5 公开密钥体制 2.6 RSA算法 2.7 NTRU公开密钥体制 2.8 对称加密体制与公开密钥体制比较 2.9 信息隐藏技术 2.10 数字水印,2,2.1 密码技术概述密码技术是防止信息泄露的技术，是信息安全技术中最重要和最基本的安全技术。密码技术中常用的一些术语：1明文P（Plaintext ）：可以理解的信息原文。2. 加密E（Encryption）：用某种方法伪装明文以隐藏它的内容的过程。3密文C（Ciphertext）：经过加密后将明文变换成不容易理
2、解的信息。4解密D （Decryption）：将密文恢复成明文的过程。,3,5算法（algorithm）：就是用于加密或解密的方法，在现代密码学中算法就是一个用于加密和解密的数学函数。6密钥K（key）：是用来控制加密和解密算法的实现。典型的加密和解密过程可以用图2.1来描述。如果将加密过程看成是一个数学函数F的话，则密文C可以表示为： C = F （P，K ）,4,这个函数具有两个自变量P和K，在函数F的作用下得到密文。在已知密钥K1、K2、加密算法E和解密算法D时，则加密和解密过程可以表示如下：EK1 （ P ） = CD K2（ C ） = P 显然为使明文加密后能被解密必须有：P =
3、D K2 （E K1（ P ） = P在实际加密和解密时，根据加密算法的特点，K1与K2的值可以不同，也可以相同。,5,例：设明文是一串二进制序列，加密和解密算法都采用模2运算，即异或运算，加密密钥和解密密钥也相同。若明文 P = 1 1 0 0 1 1 0 0 加密和解密密钥 K= 1 1 0 0 0 1 1 1 则加密后的密文 C = P K = 0 0 0 0 1 0 1 1 解密后的密文 P = C K = 1 1 0 0 1 1 0 0如字符串“HYIT”的ASCII码为48594954H， 密钥用05H，密文为4D5C4C51H，对应的ASCII码为“MLQ”,6,现代密码学已发展
4、成两个重要的研究分支：（1）对称加密方法，其典型代表是数据加密标准DES（数据加密标准）、IDEA（国际数据加密算法）、AES（高级加密标准）等算法。（2）公开密钥算法(也称非对称算法)，其典型代表是RSA、椭圆曲线加密、NTRU算法等。,7,2.2 古典加密方法 2.2.1 代替密码代替密码又称替换密码，就是按照一定要求，将明文中的每个字符替换成另一个字符，明文中字符的位置保持不变，但其本身改变了。分为单表代换和多表代换。 （1）单表代换：同一个字符具有一个密文字符。 （2）多表代换：同一个字符具有不同的密文字符。 如：移位密码：C=P+K(mod 26), M=C-K(mod 26)仿射变
5、换：C=aP+b(mod 26), M=a-1(C-b)(mod 26)，a与26互素,8,多表代换：密钥由多个字母组成，依次用来对明文进行加密。2.2.2 换位密码换位密码也可称为置换密码，它是改变明文中字母的位置，明文中的字母不变。也就是明文中的字母保持不变，但顺序被打乱了。例如可以将明文the变换成het。,9,2.3 对称加密体制对称加密算法，有时又叫传统密码算法，它的典型特点是：1采用的解密算法就是加密算法的逆运算，或者解密算法与加密算法完全相同；2加密密钥和解密密钥相同，或者加密密钥能够从解密密钥中推算出来，反过来也成立。 对称算法要求发送者和接收者在安全通信之前，商定一个密钥。它
6、的安全性依赖于密钥的保密性。,10,对称算法可分为两类：分组密码和序列密码或流密码。1分组密码是将明文分成固定长度的组或块（如64比特为一组），然后用同一密钥和算法对每一块进行加密，输出密文的长度也是固定的，如图2.3所示。教材P192序列密码（stream cipher）的主要原理是通过伪随机序列发生器产生性能优良的随机序列，使用该序列与明文序列叠加来输出密文序列。解密时，再用同一个随机序列与密文序列进行叠加来恢复明文，如图2.4所示。教材P19,11,2.3.1 DES算法DES（数据加密标准，Data Encryption Algorithm）算法：IBM提出，美国标准，世界首例标准。D
7、ES 是分组加密算法，它以64位（二进制）为一组，对称数据加密，64位明文输入，64位密文输出。密钥长度为56位，但密钥通常表示为64位，并分为8组，每组第8位作为奇偶校验位，以确保密钥的正确性，这样对用户来说每组密钥仍是56位。利用密钥，通过传统的换位、替换和异或等变换，实现二进制明文的加密与解密。,12,DES算法概要：1对输入的明文从右向左按顺序每64位分为一组（不足64位时，在高位补0），并按组进行加密或解密。2进行初始换位。3将换位后的明文分成左、右两个部分，每部分为32位长。4进行16轮相同的变换，包括密钥变换。5将变换后左右两部分合并在一起。6逆初始变换，输出64位密文。,13,
8、p=p1p2p64,p=p58p50p7,c=c1c2c64,c=c40c8c25,14,加密变换：将明文p初始置换后得到p分为两部分（L0,R0），首轮变换后得到新的64位数据，还分为左右两部分（L1,R1），再用（L1,R1）进行同样变换，从而先后得到（L2,R2） （L16,R16）。 （L16,R16）即为c。,一轮变换过程图示：,15,16,置换相当于重新排队,队列：,1 2 3 62 63 64,p1,p2,p3,p64,p62,p63,p58,p50,p42,p23,p15,p7,17,18,19,20,21,对应S盒的（3，5）元素为9，将9转换为二进制数1001。所以，当S盒
9、的输入为101011时，S盒的输出为1001。S盒代替是DES算法的核心部分，整个变换过程是非线性的（而DES算法的其他变换都是线性的），提供很好的混乱数据效果，比DES算法的其他步骤都提供了更好的安全性。9. P盒置换：将S盒输出的32位二进制数据按P盒置换表2.7进行置换。,22,23,可利用课后时间，编程实现DES算法,24,DES算法的安全性：（1）安全性比较高，目前只有一种方法可以破解该算法,那就是穷举法。（2）采用64位密钥技术,实际只有56位有效，8位用来校验的。一台PC机器,它能每秒计算一百万次（约220），那么它要穷举的时间为2285年，所以这种算法还是比较安全的一种算法。
10、但破译DES不是不可能:(1)1997年DESCHALL小组经过4个月，通过Internet搜索了31016个密钥，找出了DES密钥，恢复了明文。（2）1998年美国EFF（electronics frontier foundation)宣布，他们用一台20万美元的计算机改装的专用解密机，花56小时破译了56位密钥的DES。2000年有了高级加密标准AES- Rijndael算法。,25,2.4 高级加密标准AESRijndael算法也是一种分组密码体制，其明文分组长度、密钥长度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一个。按照密钥长度，分别记为AES-128，AES-192，AES-
11、256。AES比DES支持更长的密钥，AES-128密钥个数比DES的56位密钥个数要多1021倍，对AES的攻击仍然是穷举密钥攻击。如果用一台每秒钟能够找出255个DES密钥的机器，用它来找AES-128的密钥，大约需要149万年。,26,2.4 高级加密标准AES,27,即5783=D4,28,11B即0001 0001 1011对应多项式x8+x4+x3+x+1,即57 83=C1（先相乘，再相除，得到的余数）,29,30,注意： 系数a3,a1,b3,b1 是一个字节8位二进制数，不是一位二进制数1或0,把复杂的乘法运算转换为移位和加法运算。,31,32,该矩阵是一个循环矩阵，x b(
12、x)=b2x3+b1x2+b0x+b3， 即左循环移了一位（a0=a2=a3=00,a1=01，系数为一个字节），可见x或x的幂模乘多项式，相当于对字节构成的向量进行字节循环移位。,33,34,2.4.2 AES算法概述AES算法是一种可变数据块长Nb和可变密钥长Nk的迭代分组加密算法，其数据块长和密钥长度可分别为128、192和256比特。AES算法以字节（8比特）和字（32比特）为处理单位，将明文分成Nb个字，密钥分成Nk个字，每个字为4个字节32比特。 Nb 、Nk可分别取4、6、8，两者不一定相同。令变换轮数 Nr max Nb，Nk + 6，则算法共进行一个初始轮（初始化），Nr-1
13、轮变换及最后一轮变换，即AES算法共进行Nr +1轮变换。,35,当AES的输入明文分组长度为128位时，经AES加密或解密处理后，得到的输出也是128位。基本处理单位：在AES中，各种运算是以字节为基本单位进行处理的。在一个字节中，最右边的位是字节低位，最左边的位是字节高位。状态：对明文数据块加密或解密时，要经过多次的数据变换操作，每一次变换操作都产生一个中间结果，我们将这个中间结果称为状态（state）。怎么表示状态？状态可以用二维字节数组表示，它有4行Nb列，其中数组中元素单位为字节，Nb列的单位为字。,36,37,状态数组：,38,轮数Nr的取值：Nr max Nb，Nk + 6教材P
14、31表2.9，与Nb和Nk的值有关。,39,40,41,42,43,一个字节总共就256种可能，可以把字节代替变换SubBytes（）对各种可能字节的变换结果排成一个表，如表2.10所示，该表称为AES的S盒。可以通过查表直接得到Subbytes（）的输出。这样可以加快程序执行速度。如果状态中的一个字节为xy，则S盒中第x行第y列的字节就是SubBytes（）的输出。例：设有状态中的一个字节为C4H，则SubBytes （ ）的输出为S盒中第C行第4列的字节值为1CH。可以看出AES的S盒具有一定的代数结构，而DES中S盒是人为构造的。,44,共4行，每行以字节为单位循环移位,共Nb列，每列与
15、一个固定的多项式a(x)进行模x4+1乘法，a(x)是模x4+1可逆的。,45,4圈密钥加法变换AddRoundKey （ ）圈密钥也称轮密钥，圈密钥加法变换AddRoundKey（ ）是将一个圈密钥按位异或到一个状态上，如图2.10所示，圈密钥的长度为Nb个字。圈密钥按顺序取自扩展密钥ExpandedKey，扩展密钥是由原始密钥经过扩展后得到的，扩展密钥的长度为Nb(Nr十1)个字 。 例：（S0j ,S1j ,S2j ,S3j）=（S0j ,S1j ,S2j ,S3j）（k0j ,k1j ,k2j ,k3j），0 j 3。其中（k0j ,k1j ,k2j ,k3j）表示扩展密钥中的第rNb
16、 + j个字，0 r Nr。,46,圈密钥按列S00, S10 ,S20 ,S30,S03, S13 ,S23 ,S33顺序与状态上各元素进行异或运算。在AES加密过程中，r = 0时，是第一轮变换之前的初始圈密钥加法变换；r = Nr时，是输出之前的最后一轮密钥加法变换。Nb与Nk不同如何进行加法变换呢？他们以字为单位，而且是以Nb个字同时进行加法变换。 Nr十1轮需要 Nr十1次Nb个字的加法变换，即需要Nb(Nr十1)个字密钥。由Nk个字的密钥，如何扩展成长度为Nb(Nr十1)个字的扩展密钥呢？,47,5扩展密钥（密钥编排规则）AES算法利用外部输入字数为Nk的密钥串K，通过扩展密钥程序得到共Nb(Nr + l)字的扩展密钥串。对扩展密钥按每组为Nb个字分组，将每组的密钥称为圈密钥(或轮密钥)。这样就可以产生Nr + 1个圈密钥，每个圈密钥由Nb个字组成。每个字用wi表示，其中i = 0，1，2， ， Nb(Nr1) - 1。扩展密钥算法见教材p35-36。一次生成所有密钥，不像DES算法，在每轮变换密钥。扩展密钥程序涉及三个RotWord（）、SubWord（）和Rcon 模块。它们的工作方式如下：,
