第4章 對(duì)稱密碼技術(shù)

1、2022-6-222復(fù)習(xí)與回顧復(fù)習(xí)與回顧密碼技術(shù)的基本概念、分類、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用原理。內(nèi)密碼技術(shù)的基本概念、分類、實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用原理。內(nèi)容包括：容包括：q數(shù)據(jù)保密通信模型及基本術(shù)語數(shù)據(jù)保密通信模型及基本術(shù)語q對(duì)稱密碼體制及其分類與工作原理對(duì)稱密碼體制及其分類與工作原理q公鑰密碼體制及其工作原理公鑰密碼體制及其工作原理q數(shù)字簽名技術(shù)及其特性數(shù)字簽名技術(shù)及其特性q消息完整性保護(hù)及認(rèn)證消息完整性保護(hù)及認(rèn)證如何定義和衡量密碼體制的安全性如何定義和衡量密碼體制的安全性2022-6-224學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)本章以幾個(gè)典型對(duì)稱密碼算法為例，介紹對(duì)稱密碼算本章以幾個(gè)典型對(duì)稱密碼算法為例，介紹對(duì)稱密碼算法實(shí)現(xiàn)過程、機(jī)理及

2、特點(diǎn)，理解密碼算法的應(yīng)用背景。法實(shí)現(xiàn)過程、機(jī)理及特點(diǎn)，理解密碼算法的應(yīng)用背景。q 幾個(gè)經(jīng)典的古典密碼方案幾個(gè)經(jīng)典的古典密碼方案q 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DESDESq 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AESAESq 其它典型分組密碼算法其它典型分組密碼算法q 流密碼算法流密碼算法分組密碼算法工作模式分組密碼算法工作模式2022-6-225目目 錄錄4.0 古典密碼古典密碼4.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.3 其他分組密碼算法介紹其他分組密碼算法介紹4.4 流密碼算法流密碼算法RC44.5 分組密碼工作模式分組密碼工作模式4 0n古典代換密碼古典代換密碼q

3、將明文字母替換成其他字母、數(shù)字或符號(hào)的方法；將明文字母替換成其他字母、數(shù)字或符號(hào)的方法；q如果把明文看成是如果把明文看成是0 0或或1 1的序列，那么密文就是的序列，那么密文就是0 0或或1 1比比特序列的另一種表達(dá)。特序列的另一種表達(dá)。n古典置換密碼古典置換密碼q通過改變明文字符的位置來實(shí)現(xiàn)加解密；通過改變明文字符的位置來實(shí)現(xiàn)加解密；q例如：柵欄密碼、行移位密碼等例如：柵欄密碼、行移位密碼等2022-6-2274n所知道的最早的代替密碼；所知道的最早的代替密碼；nJulius Caesar；n首先用在軍事通信中；首先用在軍事通信中；n用字母后的第三個(gè)字母代替。用字母后的第三個(gè)字母代替。明 文

4、ab cdefghijklmnopqrstuvwxyz密 文D E F G HIJKL M N OP Q R S T U V W X YZ A BCn加密加密q方式一：公式計(jì)算方式一：公式計(jì)算m明文編碼：如明文編碼：如a=0,b=1,z=25，則明文，則明文Pp1p2pnm加密運(yùn)算：加密運(yùn)算：cipi +k (mod 26), i 1,2,nm加密得密文：加密得密文：Cc1c2cnq方式二：查表（例方式二：查表（例k3）明文明文abcdefghijklmnopqrstuvwxyz密文密文DEFGHIJKLM N OPQRSTUV W XYZABCn 解密解密q 方式一：公式計(jì)算方式一：公式計(jì)算

5、m 密文密文Cc1c2cn 解密運(yùn)算：解密運(yùn)算：Pici k(mod 26), i1,2,nm 解碼得明文：解碼得明文：Pp1p2pnq 方式二：查表（例方式二：查表（例k=3）密文密文ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXY Z明文明文xyzabcdefghijklmnopqrstuv wn愷撒密碼加解密算法愷撒密碼加解密算法q加密算法：加密算法：c = E(p) = (p+k) mod (26)q解密算法：解密算法：p = D(c) = (ck) mod (26)q 共有密鑰共有密鑰25個(gè)個(gè) q 可簡(jiǎn)單地依次去測(cè)試可簡(jiǎn)單地依次去測(cè)試 ，強(qiáng)力搜索，窮舉攻擊，強(qiáng)力搜索，窮舉攻擊 q

6、基于字母頻率的破譯方法基于字母頻率的破譯方法q 所破譯的明文需要識(shí)別所破譯的明文需要識(shí)別m如：破譯密文如：破譯密文 GCUA VQ DTGCM“ dzrx sn aqdzj （k=3） easy to break （k=2）4換換n 不是簡(jiǎn)單有序地字母移位不是簡(jiǎn)單有序地字母移位 n 任意地打亂字母的順序任意地打亂字母的順序 n 每個(gè)明文字母映射到一個(gè)不同的隨機(jī)密文字母每個(gè)明文字母映射到一個(gè)不同的隨機(jī)密文字母 n 密鑰數(shù)目：密鑰數(shù)目：26！ 4換換q密鑰空間：密鑰空間： 26! 4 1026 q貌似安全，實(shí)則不然貌似安全，實(shí)則不然 q語言特性語言特性4換換q 人類的語言是有冗余的人類的語言是有冗

7、余的 q 字母的使用頻率是不同的字母的使用頻率是不同的q 在英語中在英語中E使用的頻率最高使用的頻率最高 q 有些字母使用較少有些字母使用較少q 單字母、雙字母、三字母組合統(tǒng)計(jì)單字母、雙字母、三字母組合統(tǒng)計(jì)4換換4n 特點(diǎn)：在明文消息中采用不同的代換表特點(diǎn)：在明文消息中采用不同的代換表n 安全性提高安全性提高 n 使得字母的頻率分布更加平坦使得字母的頻率分布更加平坦n 用一個(gè)密鑰指示明文消息中每個(gè)字母加解密時(shí)所用的用一個(gè)密鑰指示明文消息中每個(gè)字母加解密時(shí)所用的代換表代換表n 密鑰依次重復(fù)使用，代換表依次重復(fù)使用密鑰依次重復(fù)使用，代換表依次重復(fù)使用 n 例子：例子：q Vigenre（維吉利亞）

8、密碼（維吉利亞）密碼（1858）q Vernam（唯爾南）密碼（唯爾南）密碼（1918）4加密方式一：數(shù)學(xué)公式計(jì)算加密方式一：數(shù)學(xué)公式計(jì)算q設(shè)明文設(shè)明文 P = p1p2pn，密鑰，密鑰 k = k1k2kn，密文，密文C = c1c2cn 明文編碼；明文編碼；計(jì)算計(jì)算 ci= pi+ki(mod 26)，i=1,2,n。q說明：若明文長(zhǎng)度大于說明：若明文長(zhǎng)度大于n，則，則K重復(fù)使用。重復(fù)使用。方式二：查表法方式二：查表法44nVigenre密碼解密方法一：數(shù)學(xué)公式計(jì)算密碼解密方法一：數(shù)學(xué)公式計(jì)算qpi = ciki (mod 26)，=1，2，n；n方法二：查表方法二：查表2022-6-22

9、20n加密過程：加密過程：qP“encode and decode”，k“mykey”字母序號(hào)字母序號(hào)123456789101112131415明文編碼明文編碼P =4132143401333421434密鑰編碼密鑰編碼k =122410424122410424122410424加密加密C =1637121827162423727162624728模運(yùn)算模運(yùn)算111102密文編碼密文編碼C =QLMSBQYXHBQAYHB2022-6-2221n解密過程：解密過程：qC“QLMSBQYXHBQAYHB”，k“mykey”字母序號(hào)字母序號(hào)123456789101112131415密文編碼密文編碼

10、C=161112181162423711602472密鑰編碼密鑰編碼k=122410424122410424122410424加密加密C=4-13214-2340133-234-24143-22模運(yùn)算模運(yùn)算133324明文編碼明文編碼P=encodeanddecoden密鑰空間：密鑰空間：|K|26nn字母的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)一步降低字母的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)一步降低n明、密文字母不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系明、密文字母不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系nVigenre本人建議：密鑰與明文一樣長(zhǎng)本人建議：密鑰與明文一樣長(zhǎng)n特例：特例：當(dāng)當(dāng)k1 k2 kn k時(shí)，是時(shí)，是Caesar密碼密碼4 0n 1929年由數(shù)學(xué)家年由數(shù)學(xué)家Lester

11、Hill發(fā)明發(fā)明n 是一種多表代換密碼是一種多表代換密碼n 利用模運(yùn)算意義下的矩陣乘法、求逆矩陣、線性利用模運(yùn)算意義下的矩陣乘法、求逆矩陣、線性無關(guān)、線性空間與線性變換等概念和運(yùn)算無關(guān)、線性空間與線性變換等概念和運(yùn)算 4 0q加密加密m 明文分組并編碼明文分組并編碼m CKP mod26，其中，其中K為密鑰矩陣，為密鑰矩陣，P、C分別為明文分別為明文分組和密文分組。分組和密文分組。q解密解密m 密文分組并編碼密文分組并編碼m PK-1C mod 26 注：對(duì)密鑰矩陣注：對(duì)密鑰矩陣K的要求：在的要求：在mod 26下可逆。下可逆。密鑰矩陣密鑰矩陣K92221182151717明文分組明文分組P“

12、mor” rom171412明文編碼明文編碼 P 192221182151717 171412 375651527 1137加密加密 C mod 26密文密文 C LDH，即，即C“HDL”Hill密碼的例子密碼的例子 17024617151594K1加密加密：2022-6-2226密鑰矩陣密鑰矩陣K92221182151717明文明文P“mor” rom171412明文明文 P 1137解密解密 P mod 26C LDHC“HDL”解密解密： 17024617151594K1 355222220 17024617151594 11371714124 0q密鑰空間：密鑰空間：|K|25！1.

13、61025q字母的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)一步降低字母的統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)一步降低q明、密文字母不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系明、密文字母不是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系4n 隨機(jī)密鑰隨機(jī)密鑰n 理論上不可破理論上不可破n 實(shí)際上不可行實(shí)際上不可行q 產(chǎn)生大量的隨機(jī)密鑰難產(chǎn)生大量的隨機(jī)密鑰難q 密鑰分配與保護(hù)更難密鑰分配與保護(hù)更難4.0n在現(xiàn)代密碼之前，轉(zhuǎn)輪密碼是最廣泛使用的復(fù)雜密碼在現(xiàn)代密碼之前，轉(zhuǎn)輪密碼是最廣泛使用的復(fù)雜密碼n廣泛用在第二次世界大戰(zhàn)中：廣泛用在第二次世界大戰(zhàn)中：German Enigma, Allied Hagelin, Japanese Purplen實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多變的多表代換密碼，多層加密實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多變的多表代換密碼，多層

14、加密n采用一系列轉(zhuǎn)輪，每一個(gè)都是一個(gè)代換表，轉(zhuǎn)輪可以采用一系列轉(zhuǎn)輪，每一個(gè)都是一個(gè)代換表，轉(zhuǎn)輪可以依次旋轉(zhuǎn)加密每個(gè)字母依次旋轉(zhuǎn)加密每個(gè)字母q用用3個(gè)轉(zhuǎn)輪就有個(gè)轉(zhuǎn)輪就有 263=17576 代替表代替表2022-6-22302022-6-22342022-6-22352022-6-2236目目 錄錄4.0 古典密碼古典密碼4.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES4.2高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.3 其他分組密碼算法介紹其他分組密碼算法介紹4.4 流密碼算法流密碼算法RC44.5 分組密碼工作模式分組密碼工作模式2022-6-2237如何實(shí)現(xiàn)加解密過程相同、密鑰相同的對(duì)稱如何實(shí)現(xiàn)加解密過程相同

15、、密鑰相同的對(duì)稱密碼算法密碼算法？4.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES2022-6-22384.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DESn 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES（Data Encryption Standard）是一個(gè)著名是一個(gè)著名分組加密算法。分組加密算法。n 美國國家標(biāo)準(zhǔn)局美國國家標(biāo)準(zhǔn)局1973年年5月公開征集用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)在傳輸和月公開征集用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)在傳輸和存儲(chǔ)期間實(shí)現(xiàn)加密保護(hù)的密碼算法。存儲(chǔ)期間實(shí)現(xiàn)加密保護(hù)的密碼算法。n 1975年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局接受了年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局接受了IBM公司提交的一種密碼算法并公司提交的一種密碼算法并向社會(huì)公開征求意見。向社會(huì)公開征求意見。n 197

16、7年正式采用該算法作為美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。年正式采用該算法作為美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。n 1980年年12月美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)正式采用該算法作為美國商用加月美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)正式采用該算法作為美國商用加密算法。密算法。2022-6-22394.1.1 概述概述n 美國國家標(biāo)準(zhǔn)局征求加密算法的要求：美國國家標(biāo)準(zhǔn)局征求加密算法的要求：q提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保護(hù)，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權(quán)的泄露和未被察覺的修改。未被察覺的修改。q具有相當(dāng)高的復(fù)雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得具有相當(dāng)高的復(fù)雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時(shí)又便于理解和掌握。的利益，同時(shí)又便于理解和掌握。

17、q密碼體制的安全性應(yīng)該不依賴于算法的保密，其安全密碼體制的安全性應(yīng)該不依賴于算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)。性僅以加密密鑰的保密為基礎(chǔ)。 q實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行有效，并且適用于多種完全不同的應(yīng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)，運(yùn)行有效，并且適用于多種完全不同的應(yīng)用。用。2022-6-22404.1.1 概述概述nDES是一種分組密碼算法，加密和解密使用相同的密是一種分組密碼算法，加密和解密使用相同的密鑰。鑰。nDES的分組長(zhǎng)度為的分組長(zhǎng)度為64比特位比特位。n使用使用64比特密鑰（其中包括比特密鑰（其中包括8比特奇偶校驗(yàn)位），密比特奇偶校驗(yàn)位），密鑰通過擴(kuò)展后鑰通過擴(kuò)展后n經(jīng)過經(jīng)過16輪對(duì)明文分組的代換和置換

18、輪對(duì)明文分組的代換和置換2022-6-22414.1.2 DES工作過程工作過程2022-6-22421. 初始置換初始置換和和其逆置換其逆置換 IP置換置換逆逆IP置換置換2022-6-22432. f函數(shù)函數(shù)2022-6-22442. f函數(shù)函數(shù)2022-6-22452. f函數(shù)函數(shù)置換置換P2022-6-22464.1.3 密鑰調(diào)度密鑰調(diào)度n56比特密鑰作為初始輸入，經(jīng)過置換選擇操作比特密鑰作為初始輸入，經(jīng)過置換選擇操作PC1，輸出輸出56比特分作左右兩個(gè)部分（各比特分作左右兩個(gè)部分（各28比特），分別做左循環(huán)比特），分別做左循環(huán)移位，之后左右兩部分合并再進(jìn)行置換選擇操作移位，之后左右兩

19、部分合并再進(jìn)行置換選擇操作PC2，產(chǎn)，產(chǎn)生生48比特輪密鑰。比特輪密鑰。置換選擇置換選擇PC1置換選擇置換選擇PC22022-6-22474.1.4 DES安全性分析安全性分析n S盒是盒是DES的核心，也是的核心，也是DES算法最敏感的部分，所有替換都是算法最敏感的部分，所有替換都是固定的，甚顯神秘。許多密碼學(xué)家曾擔(dān)心固定的，甚顯神秘。許多密碼學(xué)家曾擔(dān)心NSA設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)S盒時(shí)隱藏了盒時(shí)隱藏了某些陷門某些陷門。n DES算法具有很好的雪崩效應(yīng)算法具有很好的雪崩效應(yīng)。n 1997年年通過通過互聯(lián)網(wǎng)利用上萬臺(tái)微機(jī)互聯(lián)網(wǎng)利用上萬臺(tái)微機(jī)4個(gè)月成功破譯個(gè)月成功破譯DES。n 1998年年EFF花費(fèi)大約花費(fèi)

20、大約25萬美元定制構(gòu)造了一個(gè)萬美元定制構(gòu)造了一個(gè)DES解密器，該解密器，該機(jī)器包含機(jī)器包含1856個(gè)定制芯片，可在個(gè)定制芯片，可在2天內(nèi)強(qiáng)力搜索一個(gè)天內(nèi)強(qiáng)力搜索一個(gè)DES密鑰。密鑰。n 2006年德國年德國Bochum和和Kiel大學(xué)花費(fèi)大學(xué)花費(fèi)1萬美元，構(gòu)建了一個(gè)名為萬美元，構(gòu)建了一個(gè)名為COPACOBANA機(jī)器，它包含機(jī)器，它包含120個(gè)低成本個(gè)低成本FPGA，平均在，平均在9天內(nèi)天內(nèi)能夠完成一個(gè)能夠完成一個(gè)DES密鑰窮舉。密鑰窮舉。2022-6-22484.1.5 3DESnP= EK3(DK2(EK1(M)nFIPS PUB46-3標(biāo)準(zhǔn)中定義標(biāo)準(zhǔn)中定義3種密鑰使用方式：種密鑰使用方式：

21、q 3個(gè)密鑰相互獨(dú)立，互不相同。這種方式提供最強(qiáng)安全性，個(gè)密鑰相互獨(dú)立，互不相同。這種方式提供最強(qiáng)安全性，相當(dāng)于提供相當(dāng)于提供356=168比特長(zhǎng)度密鑰。比特長(zhǎng)度密鑰。q K1和和K2相互獨(dú)立，互不相同，而相互獨(dú)立，互不相同，而K3=K1。提供。提供256=112比特長(zhǎng)度密鑰，密鑰空間為比特長(zhǎng)度密鑰，密鑰空間為2112=51033。實(shí)際應(yīng)用多采用。實(shí)際應(yīng)用多采用此方法。此方法。q 3個(gè)密鑰完全相等，即個(gè)密鑰完全相等，即K1=K2=K3。算法退化為標(biāo)準(zhǔn)。算法退化為標(biāo)準(zhǔn)DES，保證向后兼容。保證向后兼容。2022-6-2249目目 錄錄4.0 古典密碼古典密碼4.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES

22、4.2高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.3 其他分組密碼算法介紹其他分組密碼算法介紹4.4 流密碼算法流密碼算法RC44.5 分組密碼工作模式分組密碼工作模式2022-6-2250如何設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)上可證明安全性的對(duì)稱密碼算如何設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)上可證明安全性的對(duì)稱密碼算法法？4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AESn1997.4.15，NIST發(fā)起征集高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)，目的發(fā)起征集高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的活動(dòng)，目的是確定一個(gè)可以公開技術(shù)細(xì)節(jié)的、全球免費(fèi)使用的分組密是確定一個(gè)可以公開技術(shù)細(xì)節(jié)的、全球免費(fèi)使用的分組密碼算法，作為新的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。碼算法，作為新的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。n199

23、7.9.12，美國聯(lián)邦登記處公布了正式征集，美國聯(lián)邦登記處公布了正式征集AES候選算候選算法的通告。作為進(jìn)入法的通告。作為進(jìn)入AES候選過程的一個(gè)條件，開發(fā)者承候選過程的一個(gè)條件，開發(fā)者承諾放棄被選中算法的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。諾放棄被選中算法的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。nNIST對(duì)對(duì)AES算法的要求算法的要求q 算法應(yīng)比三重算法應(yīng)比三重DES快而且至少還要一樣的安全快而且至少還要一樣的安全q 應(yīng)當(dāng)具有應(yīng)當(dāng)具有128比特分組長(zhǎng)度和比特分組長(zhǎng)度和128/192/256比特密鑰長(zhǎng)度比特密鑰長(zhǎng)度n1998.8.12首屆首屆AES會(huì)議會(huì)議NIST收到收到15個(gè)候選算法。個(gè)候選算法。1999.3.22第二次第二次AES會(huì)議將候選名

24、單減少為會(huì)議將候選名單減少為5個(gè)：個(gè)：qMARS（IBM）、）、RC6（MIT）、）、Rijndael（比）、（比）、Serpent（ 英、以、美）、英、以、美）、Twofish（美）（美）n2000.4.13第三次第三次AES會(huì)議上，對(duì)這會(huì)議上，對(duì)這5個(gè)候選算法的各種分個(gè)候選算法的各種分析結(jié)果進(jìn)行了討論。析結(jié)果進(jìn)行了討論。n2000.10.2，NIST宣布了獲勝者：比利時(shí)密碼專家宣布了獲勝者：比利時(shí)密碼專家Vincent Rijmen和和Joan Daemen設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的Rijndael算法。算法。2001年年11月出版了最終標(biāo)準(zhǔn)月出版了最終標(biāo)準(zhǔn)FIPS PUB197，該算法稱為，該算法稱為

25、AES: Advanced Encryption Standard。4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AESnRijndael算法算法q分組長(zhǎng)度為分組長(zhǎng)度為128比特，密鑰長(zhǎng)度為比特，密鑰長(zhǎng)度為128/192/256比特比特q使用替換置換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，而沒有采用使用替換置換網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，而沒有采用Feistel結(jié)構(gòu)，軟硬結(jié)構(gòu)，軟硬件實(shí)現(xiàn)都很快。件實(shí)現(xiàn)都很快。q基本特性基本特性m 能夠抵抗已知的所有攻擊能夠抵抗已知的所有攻擊m 在各種平臺(tái)上執(zhí)行速度快，代碼緊湊在各種平臺(tái)上執(zhí)行速度快，代碼緊湊m 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單2022-6-22544.2.1 AES基本操作流程基本操

26、作流程nAES由多輪操作組成，輪數(shù)由分組和密鑰長(zhǎng)度決定由多輪操作組成，輪數(shù)由分組和密鑰長(zhǎng)度決定。nAES在在4n字節(jié)數(shù)組字節(jié)數(shù)組/矩陣上操作，稱為狀態(tài)矩陣上操作，稱為狀態(tài)(State)，其中，其中n是密鑰字節(jié)數(shù)除是密鑰字節(jié)數(shù)除4。n數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)q 以字節(jié)為單位的方陣描述：輸入分組以字節(jié)為單位的方陣描述：輸入分組in、中間數(shù)組、中間數(shù)組State、輸出、密鑰、輸出、密鑰q 排列順序：方陣中從上到下，從左到右排列順序：方陣中從上到下，從左到右2022-6-22554.2.1 AES基本操作流程基本操作流程n AES狀態(tài)矩陣的構(gòu)造與變化狀態(tài)矩陣的構(gòu)造與變化2022-6-22564.2.1 AES

27、基本操作流程基本操作流程n AES允許分組和密鑰以允許分組和密鑰以128比特為基礎(chǔ)，以比特為基礎(chǔ)，以8字節(jié)倍數(shù)擴(kuò)展長(zhǎng)度字節(jié)倍數(shù)擴(kuò)展長(zhǎng)度，因此，因此192、256比特分組或密鑰被組織成比特分組或密鑰被組織成46、48矩陣。矩陣。n AES標(biāo)準(zhǔn)中使用標(biāo)準(zhǔn)中使用Nb、Nk分別表示分組矩陣、密鑰矩陣列數(shù)，如分別表示分組矩陣、密鑰矩陣列數(shù)，如當(dāng)分組為當(dāng)分組為46矩陣，即矩陣，即Nb=6，密鑰為，密鑰為48矩陣，則矩陣，則Nk=8。n AES算法流程中輪數(shù)依賴于密鑰長(zhǎng)度，標(biāo)準(zhǔn)中使用算法流程中輪數(shù)依賴于密鑰長(zhǎng)度，標(biāo)準(zhǔn)中使用Nr表示輪數(shù)。表示輪數(shù)。AES包括包括3個(gè)分組密碼套件：個(gè)分組密碼套件： AES-12

28、8、AES-192、AES-256對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)Nk分別為分別為4、6、8，即密鑰長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)，即密鑰長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)128、192和和256比特，對(duì)應(yīng)輪數(shù)比特，對(duì)應(yīng)輪數(shù)Nr等于等于10、12、14，分組長(zhǎng)度都為，分組長(zhǎng)度都為128比特。比特。2022-6-22574.2.1 AES基本操作流程基本操作流程 n AES的參數(shù)的參數(shù)AES-128AES-192AES-256密鑰長(zhǎng)度密鑰長(zhǎng)度（字（字/字節(jié)字節(jié)/位）位）4/16/1286/24/1928/32/256明文分組長(zhǎng)度明文分組長(zhǎng)度（字（字/字節(jié)字節(jié)/位）位）4/16/1284/16/1284/16/128輪數(shù)輪數(shù)101214輪密鑰長(zhǎng)度輪密鑰長(zhǎng)度（字（字/字

29、節(jié)字節(jié)/位）位）4/16/1284/16/1284/16/128擴(kuò)展密鑰長(zhǎng)度擴(kuò)展密鑰長(zhǎng)度（字（字/字節(jié)）字節(jié)）44/17652/20860/2404.2.1 AES基本操作流程基本操作流程nAES加解密基本流程加解密基本流程q首選執(zhí)行一次初始密鑰混合：明文字節(jié)矩陣與初始主密首選執(zhí)行一次初始密鑰混合：明文字節(jié)矩陣與初始主密鑰矩陣直接相加。鑰矩陣直接相加。q然后按規(guī)定次數(shù)執(zhí)行輪變換。然后按規(guī)定次數(shù)執(zhí)行輪變換。2022-6-22592022-6-22604.2.1 AES基本操作流程基本操作流程nAES的輪變換：每一輪包含的輪變換：每一輪包含4個(gè)步驟個(gè)步驟(最后一輪稍有不最后一輪稍有不同同)q字節(jié)替

30、換字節(jié)替換（Byte）：執(zhí)行一個(gè)非線性替換操作，通過）：執(zhí)行一個(gè)非線性替換操作，通過查表替換每個(gè)字節(jié)。查表替換每個(gè)字節(jié)。q行移位行移位：狀態(tài)（矩陣）的每一行按字節(jié)為單位循環(huán)移：狀態(tài)（矩陣）的每一行按字節(jié)為單位循環(huán)移動(dòng)若干字節(jié)。動(dòng)若干字節(jié)。q列混合列混合：基于狀態(tài)列的混合操作。：基于狀態(tài)列的混合操作。q輪密鑰疊加輪密鑰疊加：狀態(tài)的每一個(gè)字節(jié)混合輪密鑰：狀態(tài)的每一個(gè)字節(jié)混合輪密鑰，輪密鑰輪密鑰由密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生。由密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生。4.2.1 AES基本操作流程基本操作流程 n AES算法結(jié)構(gòu)算法結(jié)構(gòu)4.2.1 AES基本操作流程基本操作流程nAES算法結(jié)構(gòu)算法結(jié)構(gòu)qAES算法的輪變換中沒有算法的

31、輪變換中沒有Feistel結(jié)構(gòu)，輪變換是由三結(jié)構(gòu)，輪變換是由三個(gè)不同的可逆一致變換組成，稱之為層。個(gè)不同的可逆一致變換組成，稱之為層。m線性混合層：確保多輪之上的高度擴(kuò)散。線性混合層：確保多輪之上的高度擴(kuò)散。m非線性層：具有最優(yōu)最差情形非線性性的非線性層：具有最優(yōu)最差情形非線性性的S-盒的并盒的并行應(yīng)用。行應(yīng)用。m密鑰加層：輪密鑰簡(jiǎn)單地異或到中間狀態(tài)上密鑰加層：輪密鑰簡(jiǎn)單地異或到中間狀態(tài)上。2022-6-22644.2.1 AES基本操作流程基本操作流程nSP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)q在這種密碼的每一輪中，輪輸在這種密碼的每一輪中，輪輸入首先被一個(gè)由子密鑰控制的入首先被一個(gè)由子密鑰控制的可逆函數(shù)可逆函

32、數(shù)S作用，然后再對(duì)所作用，然后再對(duì)所得結(jié)果用置換（或可逆線性變得結(jié)果用置換（或可逆線性變換）換）P作用。作用。S和和P分別被稱為分別被稱為混亂層和擴(kuò)散層，主要起混亂混亂層和擴(kuò)散層，主要起混亂和擴(kuò)散作用。和擴(kuò)散作用。4.2.2 輪操作輪操作1.字節(jié)替換字節(jié)替換q狀態(tài)矩陣中每個(gè)字節(jié)通過查狀態(tài)矩陣中每個(gè)字節(jié)通過查S盒進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)密碼算盒進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)密碼算法的非線性運(yùn)算。法的非線性運(yùn)算。qS盒是一個(gè)盒是一個(gè)1616可逆矩陣，用作替換表?？赡婢仃?，用作替換表。q查查S盒方法：以一個(gè)狀態(tài)字節(jié)的高盒方法：以一個(gè)狀態(tài)字節(jié)的高4位作為行號(hào)，低位作為行號(hào)，低4位位作為列號(hào)，確定作為列號(hào)，確定S盒中的一個(gè)字節(jié)位

33、置，以該字節(jié)替換盒中的一個(gè)字節(jié)位置，以該字節(jié)替換原狀態(tài)字節(jié)。原狀態(tài)字節(jié)。2022-6-22664.2.2 輪操作輪操作1. 字節(jié)替換字節(jié)替換4.2.2 輪操作輪操作1.字節(jié)替換字節(jié)替換nS盒盒n逆逆S盒盒4.2.2 輪操作輪操作1.字節(jié)替換字節(jié)替換n 字節(jié)替換的例子字節(jié)替換的例子1.字節(jié)替換：字節(jié)替換：S盒的構(gòu)造盒的構(gòu)造q 初始化：逐行按上升排列的字節(jié)值初始化初始化：逐行按上升排列的字節(jié)值初始化S盒。盒。q 元素求逆：在元素求逆：在GF(28)中求逆中求逆q 元素置換元素置換：(b7,b6.b0)-(b7,b6.b0)。其中。其中iiiiiiicbbbbbb8mod78mod68mod58mo

34、d4 0110001111111000111100017070bbbb ,067ccc=（01100011）2 4.2.2 輪操作輪操作4.2.2 輪操作輪操作2. 行移位行移位n1、2、3行以字節(jié)為單位分別按行以字節(jié)為單位分別按1、2、3字節(jié)的偏移量做字節(jié)的偏移量做循環(huán)左移位。循環(huán)左移位。q狀態(tài)矩陣為狀態(tài)矩陣為4 46 6和和4 48 8時(shí)移位偏移量分別為時(shí)移位偏移量分別為(1(1、2 2、3)3)和和(1(1、3 3、4)4)4.2.2 輪操作輪操作2. 行移位行移位n 例子例子4.2.2 輪操作輪操作3. 列混合列混合n將狀態(tài)矩陣每一列看作將狀態(tài)矩陣每一列看作GF(28)上的多項(xiàng)式與一個(gè)

35、固定上的多項(xiàng)式與一個(gè)固定多項(xiàng)式多項(xiàng)式a(x)模模x4+1相乘。相乘。a(x)(03)x3+(01)x2+(01)x+(02)n上述多項(xiàng)式乘法可表示成如下矩陣形式上述多項(xiàng)式乘法可表示成如下矩陣形式2022-6-22734.2.2 輪操作輪操作3. 列混合列混合n 例子例子4.2.2 輪操作輪操作4.輪密鑰加輪密鑰加n一個(gè)簡(jiǎn)單地按位異或操作一個(gè)簡(jiǎn)單地按位異或操作 4.2.2 輪操作輪操作n輪操作小結(jié)輪操作小結(jié)qSubBytes的目的是為了得到一個(gè)非線性的代換密碼。對(duì)的目的是為了得到一個(gè)非線性的代換密碼。對(duì)于密碼抗差分分析來說，非線性是一個(gè)重要的性質(zhì)。于密碼抗差分分析來說，非線性是一個(gè)重要的性質(zhì)。q

36、 ShiftRows 和和MixColumns 的目的是獲得明文消息分的目的是獲得明文消息分組在不同位置上的字節(jié)混合。組在不同位置上的字節(jié)混合。q AddRoundKey 給出了消息分布所需的秘密隨機(jī)性。給出了消息分布所需的秘密隨機(jī)性。4.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展n輪密鑰是通過密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生，包括兩個(gè)組成部分：密輪密鑰是通過密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生，包括兩個(gè)組成部分：密鑰擴(kuò)展和輪密鑰選取?；驹砣缦拢鸿€擴(kuò)展和輪密鑰選取?；驹砣缦拢簈所有輪密鑰比特的總數(shù)等于分組長(zhǎng)度乘輪數(shù)加所有輪密鑰比特的總數(shù)等于分組長(zhǎng)度乘輪數(shù)加1。例如。例如128比特分組長(zhǎng)度和比特分組長(zhǎng)度和10輪迭代，共需輪迭代，共需1408

37、比特的密鑰。比特的密鑰。q將密鑰擴(kuò)展成一個(gè)擴(kuò)展密鑰。將密鑰擴(kuò)展成一個(gè)擴(kuò)展密鑰。q輪密鑰按下述方式從擴(kuò)展密鑰中選取：第一個(gè)輪密鑰由輪密鑰按下述方式從擴(kuò)展密鑰中選?。旱谝粋€(gè)輪密鑰由開始開始Nb個(gè)字組成，第二個(gè)輪密鑰由接下來的個(gè)字組成，第二個(gè)輪密鑰由接下來的Nb個(gè)字組個(gè)字組成，如此繼續(xù)下去。成，如此繼續(xù)下去。4.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展n 擴(kuò)展過程擴(kuò)展過程2022-6-22794.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展12022-6-22804.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展 n函數(shù)函數(shù)gqRotWord執(zhí)行一字節(jié)循環(huán)左移執(zhí)行一字節(jié)循環(huán)左移b0,b1,b2,b3 b1,b2,b3,b0qSubWord使用使用S-盒實(shí)行

38、字節(jié)替換盒實(shí)行字節(jié)替換q前兩步的結(jié)果與輪常數(shù)前兩步的結(jié)果與輪常數(shù)Rcon j 異或異或n輪常數(shù)輪常數(shù)Rcon j j12345678910RCj01020408102040801B364.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展n偽代碼偽代碼4.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展n密鑰擴(kuò)展偽代碼密鑰擴(kuò)展偽代碼4.2.3 密鑰擴(kuò)展密鑰擴(kuò)展n 例子例子4.2.4 AES解密操作解密操作nAES解密是加密的逆過程解密是加密的逆過程q逆字節(jié)替換：翻轉(zhuǎn)逆字節(jié)替換：翻轉(zhuǎn)S盒盒q逆行移位：右循環(huán)字節(jié)行移位逆行移位：右循環(huán)字節(jié)行移位q逆列混合：逆列混合：a-1(x)(0b)x3+(0d)x2+(09)x+(0e)q輪密鑰加：異或運(yùn)算輪

39、密鑰加：異或運(yùn)算2022-6-2286目目 錄錄4.0 古典密碼古典密碼4.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.3 其他分組密碼算法介紹其他分組密碼算法介紹4.4 流密碼算法流密碼算法RC44.5 分組密碼工作模式分組密碼工作模式2022-6-2287對(duì)稱密碼中混亂與替換的不同實(shí)現(xiàn)方法對(duì)稱密碼中混亂與替換的不同實(shí)現(xiàn)方法？4.3 其它分組密碼算法介紹其它分組密碼算法介紹2022-6-22884.3.1 IDEA算法算法n國際數(shù)據(jù)加密算法國際數(shù)據(jù)加密算法IDEA由由James Massey和我國學(xué)者來和我國學(xué)者來學(xué)嘉學(xué)嘉1991年共同設(shè)計(jì)年共同設(shè)計(jì)，在協(xié)在協(xié)

40、議議PGP中廣泛應(yīng)用。中廣泛應(yīng)用。n來學(xué)嘉來學(xué)嘉2022-6-22894.3.1 IDEA算法算法nIDEA算法采用算法采用64比特分組和比特分組和128比特密鑰，包括相同的比特密鑰，包括相同的8輪轉(zhuǎn)換和輪轉(zhuǎn)換和1個(gè)輸出轉(zhuǎn)換（半輪）。個(gè)輸出轉(zhuǎn)換（半輪）。nIDEA通過交叉使用不同群通過交叉使用不同群-模加和乘運(yùn)算，以及比特位異模加和乘運(yùn)算，以及比特位異或，或，實(shí)現(xiàn)其安全性（實(shí)現(xiàn)其安全性（“不協(xié)調(diào)不協(xié)調(diào)”運(yùn)算）運(yùn)算）。n輪變換輸入將輪變換輸入將64比特分為比特分為4個(gè)個(gè)16比特子分組，經(jīng)過變換輸比特子分組，經(jīng)過變換輸出出4個(gè)個(gè)16比特子分組，作為下一輪輸入。比特子分組，作為下一輪輸入。n每輪變換

41、，在模乘或模加運(yùn)算中混合每輪變換，在模乘或模加運(yùn)算中混合6個(gè)個(gè)16比特密鑰，最比特密鑰，最后一輪后一輪4個(gè)運(yùn)算，混合個(gè)運(yùn)算，混合K1到到K4密鑰，密鑰，4個(gè)個(gè)16比特輸出合并比特輸出合并后作為后作為IDEA產(chǎn)生的產(chǎn)生的64比特密文。比特密文。2022-6-22902022-6-22914.3.2 Blowfish算法算法nBruce Schneier在在1993設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的分組加密算法，速度的分組加密算法，速度快?？臁依賴密鑰的依賴密鑰的S盒和復(fù)雜盒和復(fù)雜的的密鑰密鑰調(diào)度。調(diào)度。n使用使用64比特分組，從比特分組，從32比特比特到到448比特可變長(zhǎng)度密鑰，比特可變長(zhǎng)度密鑰，采用采用16輪輪Fe

42、istel結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。P P1818P P17172022-6-22924.3.2 Blowfish算法算法nBlowfish的的輪函數(shù)輪函數(shù)2022-6-22934.3.2 Blowfish算法算法nBlowfish算法算法包括包括2個(gè)子密鑰陣列個(gè)子密鑰陣列q18行的行的P陣列：每輪使用陣列：每輪使用1行（行（32比特），最后比特），最后2行在行在16輪輸出的左右分別異或。輪輸出的左右分別異或。q4個(gè)個(gè)256元素的元素的S盒：輸入盒：輸入8比特，輸出比特，輸出32比特。比特。m4個(gè)個(gè)S盒的輸出再經(jīng)過模盒的輸出再經(jīng)過模232加運(yùn)算和異或運(yùn)算后產(chǎn)生加運(yùn)算和異或運(yùn)算后產(chǎn)生32比特輸出。比特輸出。n解

43、密與加密過程完全一樣，但解密與加密過程完全一樣，但P1,.,P18按逆序使用。按逆序使用。nP陣列和陣列和S陣列均由密鑰調(diào)試算法生成陣列均由密鑰調(diào)試算法生成2022-6-22944.3.2 Blowfish算法算法nBlowfish的密鑰調(diào)度算法復(fù)雜的密鑰調(diào)度算法復(fù)雜q使用從使用從的確的確16進(jìn)制導(dǎo)出值初始化進(jìn)制導(dǎo)出值初始化P陣列和陣列和S盒；盒；q密鑰與密鑰與P陣列逐行異或；陣列逐行異或；q加密全加密全0分組，用密文替換分組，用密文替換P1和和P2；q再加密上一輪密文，用輸出替換再加密上一輪密文，用輸出替換P3和和P4；依此類推，替；依此類推，替換整個(gè)換整個(gè)P陣列和陣列和S盒；盒；q加密算法

44、運(yùn)行加密算法運(yùn)行521次產(chǎn)生所有子密鑰，大約次產(chǎn)生所有子密鑰，大約4KB數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。nRC5算法算法q可變分組長(zhǎng)度（可變分組長(zhǎng)度（32、64或或128比特）、密鑰長(zhǎng)度（比特）、密鑰長(zhǎng)度（0到到2040比特）以及輪數(shù)（比特）以及輪數(shù)（0到到255），原始），原始參數(shù)參數(shù)和和q用于研究和評(píng)估作為密碼原語相關(guān)操作。用于研究和評(píng)估作為密碼原語相關(guān)操作。qRC5包括一系列模加和異或，采用類包括一系列模加和異或，采用類Feistel網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。q密鑰調(diào)度密鑰調(diào)度復(fù)雜，復(fù)雜，本質(zhì)上本質(zhì)上使用使用單向函數(shù)擴(kuò)展密鑰。單向函數(shù)擴(kuò)展密鑰。q每一輪變換有相同的每一輪變換有相同的2個(gè)半輪構(gòu)成。個(gè)半輪構(gòu)成。nRC

45、5算法的輪結(jié)構(gòu)算法的輪結(jié)構(gòu)2022-6-2297目目 錄錄4.0 古典密碼古典密碼4.1 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES4.2 高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES4.3 其他分組密碼算法介紹其他分組密碼算法介紹4.4 流密碼算法流密碼算法RC44.5 分組密碼工作模式分組密碼工作模式2022-6-2298如何實(shí)現(xiàn)如何實(shí)現(xiàn)“無限無限”長(zhǎng)度密鑰的對(duì)稱密碼算法長(zhǎng)度密鑰的對(duì)稱密碼算法？4.4 流密碼算法流密碼算法RC42022-6-22994.4 流密碼算法流密碼算法RC4nRC4算法由主密鑰（通信雙方共享的一定長(zhǎng)度密鑰）算法由主密鑰（通信雙方共享的一定長(zhǎng)度密鑰）按一定密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生任意長(zhǎng)度偽隨機(jī)密鑰字

46、節(jié)流按一定密鑰調(diào)度算法產(chǎn)生任意長(zhǎng)度偽隨機(jī)密鑰字節(jié)流（以字節(jié)為單位），與明文流按字節(jié)異或生成密文流（以字節(jié)為單位），與明文流按字節(jié)異或生成密文流，解密時(shí)密文流與相同的密鑰流按字節(jié)異或恢復(fù)出明，解密時(shí)密文流與相同的密鑰流按字節(jié)異或恢復(fù)出明文字節(jié)流。文字節(jié)流。2022-6-221004.4 流密碼算法流密碼算法RC4nRC4算法先使用算法先使用1到到256字節(jié)（字節(jié)（8到到2048比特）的可變長(zhǎng)度比特）的可變長(zhǎng)度密鑰初始化一個(gè)密鑰初始化一個(gè)256個(gè)字節(jié)狀態(tài)矢量，記為個(gè)字節(jié)狀態(tài)矢量，記為S。S的元素記的元素記為為S0、S1、S2 S255，類似于數(shù)組表示。，類似于數(shù)組表示。自自始至終始至終S向量始終包含向量始終包含0255（十進(jìn)制）所有的（十進(jìn)制）所有的8比特?cái)?shù)。比特?cái)?shù)。n加密和解密過程中，密鑰流每個(gè)字節(jié)由加密和解密過程中，密鑰流每個(gè)字節(jié)由S中的中的256個(gè)元素個(gè)元素按一定方式依次選出一個(gè)元素生成按一定方式依次選出一個(gè)元素生成；每生成一個(gè)密鑰字節(jié)每生成一個(gè)密鑰字節(jié)，S中的元素就被重新置換一次。中的元素就被重新置換一次。2022-6-221014.4 流密碼算法流密碼