分组密码
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密码学分组密码
4. 加密和解密运算简单，易于软件和硬件的高速实现。
5. 数据扩展。一般无数据扩展，在采用同态置换和随机化 加密技术时可引进数据扩展。
6. 差错传播尽可能小。
设计分组密码常用的一些方法介绍 1. 代换
将n长的明文分组变换为唯一n长密文分组， 这样的变换是可逆的，称明文分组到密文 分组的可逆变换为代换。
D1（28 位）
8 2 16 1
（56 位） 置换选择 2
k1
(48 位)
循环左移
循环左移
Ci（28 位）
Di（28 位）
置换选择 2 ki
（56 位）
（48 位）
置换选择1和置换选择2
DES解密
和Feistel密码一样，DES的解密和加密使 用同一算法，只是子密钥的使用顺序相 反。
子密钥是独立产生的，可以独立存储。
DES加解密过程
令i表示迭代次数，表示逐位模2求和，f为加密函
数。DES的加密和解密过程表示如下。
加密过程：
L0R0 IP( 64bit输入码 )
பைடு நூலகம்
Li Ri1
i 1,2,,16
Ri Li1 f (Ri1, ki ) i 1,2,,16
64bit密文 IP1(R16L16 )
解密过程：
20 21 22 23 24 25
24 25 26 27 28 29
28 29 30 31 32 1
E的作用：
将32比特 的输入膨 胀为48比 特。
则输出为：B = t32 t1 t2 …… t32 t1
选择扩展运算：
12 34 56 78 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
5. 数据扩展。一般无数据扩展，在采用同态置换和随机化 加密技术时可引进数据扩展。
6. 差错传播尽可能小。
设计分组密码常用的一些方法介绍 1. 代换
将n长的明文分组变换为唯一n长密文分组， 这样的变换是可逆的，称明文分组到密文 分组的可逆变换为代换。
D1（28 位）
8 2 16 1
（56 位） 置换选择 2
k1
(48 位)
循环左移
循环左移
Ci（28 位）
Di（28 位）
置换选择 2 ki
（56 位）
（48 位）
置换选择1和置换选择2
DES解密
和Feistel密码一样，DES的解密和加密使 用同一算法，只是子密钥的使用顺序相 反。
子密钥是独立产生的，可以独立存储。
DES加解密过程
令i表示迭代次数，表示逐位模2求和，f为加密函
数。DES的加密和解密过程表示如下。
加密过程：
L0R0 IP( 64bit输入码 )
பைடு நூலகம்
Li Ri1
i 1,2,,16
Ri Li1 f (Ri1, ki ) i 1,2,,16
64bit密文 IP1(R16L16 )
解密过程：
20 21 22 23 24 25
24 25 26 27 28 29
28 29 30 31 32 1
E的作用：
将32比特 的输入膨 胀为48比 特。
则输出为：B = t32 t1 t2 …… t32 t1
选择扩展运算：
12 34 56 78 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
现代密码学_第四五讲 分组密码
循环左移
D1 (28位) (56位) 置换选择2 k1 (48位)
14 3 23 16 41 30 44 46
置换方法
17 28 19 7 52 40 49 42 11 15 12 27 31 51 39 50 24 6 4 20 37 45 56 36 1 21 26 13 47 33 34 29 5 10 8 2 55 48 53 32
20
迭代的轮数
分组密码一般采用简单的、安全性弱的密码函数进行多
轮迭代运算，使得安全性增强。一般来说，分组密码迭代轮 数越多，密码分析越困难，但也不是追求迭代轮数越多越好， 过多迭代轮数会使加解密算法的性能下降，而实际的安全性 增强不明显。 决定迭代轮数的准则：密码算法分析的难度大 于简单穷举搜索攻击的难度。分组密码迭代轮数一般采用8、 10、12、16、20的居多。
循环左移
C16 (28位)
循环左移
C16 (28位) (56位) 置换选择2 k16 (48位)
注：去掉9,18,22,25,35,38, 43,54位
注：密钥各位在子密钥出现次数基本相同(12次至15次)，平均次数为13.7
30
压缩替代S-盒(48位压缩到32位)
48比特
6比特 6比特 6比特 6比特 6比特 6比特 6比特 6比特
考虑，通常密钥长度t不能太大。当然，密钥长度t不能太小，
否则，难以抵抗对密钥的穷举搜索攻击。
7
分组密码的要求
分组长度要足够大 密钥量要足够大
当分组长度较小时，攻击者通过 穷举明文空间，得到密码变换规 律，难于抵御选择明文攻击。
密码变换足够复杂
加密和解密运算简单 无数据扩展或压缩
21
分组密码体制
5
两个基本设计方法
由于对称分组密码的缺点是不善于隐藏明文的 统计特性，因而对“统计分析”攻击方式的抵御能 力不强，故Shannon提出了两个抵抗“统计分析” 的方法：混淆和扩散。
◆混淆：目的是为了隐藏明文和密文之间的关系，增加密 钥和密文之间关系的复杂性。可以使用“代替”的方法 来实现。
◆扩散：目的是让密文没有统计特征，也就是将明文中的 统计信息散布到整个密文中，增加密文与明文之间关系 的复杂性，以挫败推测出密钥的尝试。可以使用“置换” 的方法来实现。
对于给定的64位的明文p，通过初始置换IP获得64位的 p320，位并记将为pR00分，为即左p0右=I两P(部p)=分L，0R前0。面IP32置位换记如为图L所0，示后。面
置换表中的数字1～64代表的仅仅是明文 分组中元素所处的位置，而非元素的值！
• 第四步：初始逆置换IP-1 应用初始逆置换IP-1对最后一轮迭代之后得到 的R16L16进行置换，得到密文C。
• 分组加密算法本质上体现了n位明文分组和n位密文分组的一一 映射。
• 分组大小n的选择
1“）统如计果分n较析一码小”般，，方的不则法，同得的对变到攻于换的击的n明。位总文分数空组为间的(和2对n密)!称，文分也空组就间密是有限，容易受到 2）如果n充说分，大密，钥则的由个于数得为到(的2n明)!个文。空间和密文空间足够大， 明文的统计特征将被掩盖，可以抵抗“统计分析”方法的攻击 ；但同时也将导致密钥数目的急剧增加和密钥空间的急剧增大 ，这会给密钥的分配、管理和存储带来很大的困难。
Feistel 密码结构
DES算法的整体结构 ——Feistel密码结构
• 每一轮的迭代算法 加密：对于每一轮 i=1,2,...,n,新 的左右部分根据如下规则重新
两个基本设计方法
由于对称分组密码的缺点是不善于隐藏明文的 统计特性，因而对“统计分析”攻击方式的抵御能 力不强，故Shannon提出了两个抵抗“统计分析” 的方法：混淆和扩散。
◆混淆：目的是为了隐藏明文和密文之间的关系，增加密 钥和密文之间关系的复杂性。可以使用“代替”的方法 来实现。
◆扩散：目的是让密文没有统计特征，也就是将明文中的 统计信息散布到整个密文中，增加密文与明文之间关系 的复杂性，以挫败推测出密钥的尝试。可以使用“置换” 的方法来实现。
对于给定的64位的明文p，通过初始置换IP获得64位的 p320，位并记将为pR00分，为即左p0右=I两P(部p)=分L，0R前0。面IP32置位换记如为图L所0，示后。面
置换表中的数字1～64代表的仅仅是明文 分组中元素所处的位置，而非元素的值！
• 第四步：初始逆置换IP-1 应用初始逆置换IP-1对最后一轮迭代之后得到 的R16L16进行置换，得到密文C。
• 分组加密算法本质上体现了n位明文分组和n位密文分组的一一 映射。
• 分组大小n的选择
1“）统如计果分n较析一码小”般，，方的不则法，同得的对变到攻于换的击的n明。位总文分数空组为间的(和2对n密)!称，文分也空组就间密是有限，容易受到 2）如果n充说分，大密，钥则的由个于数得为到(的2n明)!个文。空间和密文空间足够大， 明文的统计特征将被掩盖，可以抵抗“统计分析”方法的攻击 ；但同时也将导致密钥数目的急剧增加和密钥空间的急剧增大 ，这会给密钥的分配、管理和存储带来很大的困难。
Feistel 密码结构
DES算法的整体结构 ——Feistel密码结构
• 每一轮的迭代算法 加密：对于每一轮 i=1,2,...,n,新 的左右部分根据如下规则重新
分组密码
分组密码
密码类型
01 研究历史
03 设计分析
目录
02 研究内容 04 设计原则
05 AES征集
07 技术总结
目录
06 算法要求
分组密码(block cipher)的数学模型是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为 n的组（可看成长度为n的矢量），每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。
研究历史
现代分组密码的研究始于 丰硕的研究成果。
对于分组密码，在早期的研究，基本上是围绕DES进行的，推出了一些类似的算法，例如：LOKI，FEAL， GOST等。进入20世纪90年代，人们对DES算法研究更加深入，特别是差分密码分析（differential cryptanalysis）和线性密码分析（linear cryptanalysis）的提出，迫使人们不得不研究新的密码结构。 IDEA密码打破了DES类密码的垄断局面，随后出现了SQUARE、SHARK、SAFER-64等采用了结构非常清晰的代替— 置换（SP）网络，每一轮由混淆层和扩散层组成，从理论上给出了最大差分特征概率和最佳线性逼近优势的界， 证明了密码对差分密码分析和线性密码分析的安全性。
谢谢观看
1997年-2000年，AES的征集掀起了分组密码研究的新高潮，15个AES候选算法反映了当前分组密码设计的水 平，也可以说是近几年研究成果的一个汇总。
目前分组密码所采用的整体结构可分为Feistel结构（例如CAST—256、DEAL、DFC、E2等）、SP网络（例如 Safer+、Serpent等）及其他密码结构（例如Frog和HPC）。加解密相似是Feistel型密码的一个实现优点，但它 在密码的扩散似乎有些慢，例如需要两轮才能改变输入的每一个比特。SP的网络结构非常清晰，S被称为混淆层 （非线性层），主要起混淆作用。P被称为扩散层，主要起扩散作用。
密码类型
01 研究历史
03 设计分析
目录
02 研究内容 04 设计原则
05 AES征集
07 技术总结
目录
06 算法要求
分组密码(block cipher)的数学模型是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为 n的组（可看成长度为n的矢量），每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。
研究历史
现代分组密码的研究始于 丰硕的研究成果。
对于分组密码，在早期的研究，基本上是围绕DES进行的，推出了一些类似的算法，例如：LOKI，FEAL， GOST等。进入20世纪90年代，人们对DES算法研究更加深入，特别是差分密码分析（differential cryptanalysis）和线性密码分析（linear cryptanalysis）的提出，迫使人们不得不研究新的密码结构。 IDEA密码打破了DES类密码的垄断局面，随后出现了SQUARE、SHARK、SAFER-64等采用了结构非常清晰的代替— 置换（SP）网络，每一轮由混淆层和扩散层组成，从理论上给出了最大差分特征概率和最佳线性逼近优势的界， 证明了密码对差分密码分析和线性密码分析的安全性。
谢谢观看
1997年-2000年，AES的征集掀起了分组密码研究的新高潮，15个AES候选算法反映了当前分组密码设计的水 平，也可以说是近几年研究成果的一个汇总。
目前分组密码所采用的整体结构可分为Feistel结构（例如CAST—256、DEAL、DFC、E2等）、SP网络（例如 Safer+、Serpent等）及其他密码结构（例如Frog和HPC）。加解密相似是Feistel型密码的一个实现优点，但它 在密码的扩散似乎有些慢，例如需要两轮才能改变输入的每一个比特。SP的网络结构非常清晰，S被称为混淆层 （非线性层），主要起混淆作用。P被称为扩散层，主要起扩散作用。
密码学第五章 分组密码1
➢ 如在对密钥的穷搜索攻击中，所需数据量(即截获的密 文组或明密对)与实施该攻击所需的运算次数相比是很 小的。因此,这种穷搜索攻击所需的复杂度实际是处理 复杂度。又如 Biham 和 shamir 的差分密码分析是一种 选择明文攻击，其复杂度主要由进行该攻击所需的明密 对来决定。因此，差分密码分析的复杂度实际上是数据 复杂度。
➢ 事实上，并没有一个真正实用的密码被证明是计算上安 全的。一般地人们只能证明某个密码是不安全的，因为 这只要找到一种方法，其复杂度远小于 2n 和 2t 。
3. 分组密码的设计原则
➢ 一个好的分组密码应是既难破译又易于实现的。 ➢ 安全性原则
密码学
第5章 分组密码（1）
1. 概述
分组密码就是将明文消息序列
m1, m2 ,, mk ,
分成等长的消息组
(m1, m2 , , mn )(mn1, mn2 , , m2n )
在密钥控制下，按固定的算法 Ek 一组一组进行加密。 加密后输出等长密文组
( y1, y2 , , ym )( ym1, ym2 , , y2m )
➢ 计算安全性只是一个相对概念，它依赖于攻击者的计算 能力和所采用的攻击方式。一般地,计算上安全是指对该 密码的最佳攻击方法的困难性超过了攻击者的计算能 力。
➢ 人们为了定量描述这种“困难性”，通常使用“复杂度” 的概念：一种攻击的复杂度是指为了实施该攻击所需的 平均运算次数。一个密码的安全性的评估，依据已知的 关于该密码的最佳攻击方法的复杂度。
➢ 70 年代,美国数据加密标准 DES 的出台,标志着现代分组密 码学的开始。从此揭开了商用民用密码研究的序幕。
➢ 这是信息化社会发展的产物。
越来越多的敏感信息通过网络传输和存贮，迫切需要具有高强 度、高速率、便于软硬实现、易于标准化的加密体制。
➢ 事实上，并没有一个真正实用的密码被证明是计算上安 全的。一般地人们只能证明某个密码是不安全的，因为 这只要找到一种方法，其复杂度远小于 2n 和 2t 。
3. 分组密码的设计原则
➢ 一个好的分组密码应是既难破译又易于实现的。 ➢ 安全性原则
密码学
第5章 分组密码（1）
1. 概述
分组密码就是将明文消息序列
m1, m2 ,, mk ,
分成等长的消息组
(m1, m2 , , mn )(mn1, mn2 , , m2n )
在密钥控制下，按固定的算法 Ek 一组一组进行加密。 加密后输出等长密文组
( y1, y2 , , ym )( ym1, ym2 , , y2m )
➢ 计算安全性只是一个相对概念，它依赖于攻击者的计算 能力和所采用的攻击方式。一般地,计算上安全是指对该 密码的最佳攻击方法的困难性超过了攻击者的计算能 力。
➢ 人们为了定量描述这种“困难性”，通常使用“复杂度” 的概念：一种攻击的复杂度是指为了实施该攻击所需的 平均运算次数。一个密码的安全性的评估，依据已知的 关于该密码的最佳攻击方法的复杂度。
➢ 70 年代,美国数据加密标准 DES 的出台,标志着现代分组密 码学的开始。从此揭开了商用民用密码研究的序幕。
➢ 这是信息化社会发展的产物。
越来越多的敏感信息通过网络传输和存贮，迫切需要具有高强 度、高速率、便于软硬实现、易于标准化的加密体制。
分组密码算法
分组密码算法
分组密码是一种重要的密码技术，它可以将一段乱序数据进行安全加密，使其变得无
法解读和破解。
它一般用于对网络数据进行安全传输和存储，以保护用户和组织信息安全，使数据不会被恶意加密，偷窃或者泄露。
分组密码实质是将明文拆分成小块，在小块的基础上进行数据的加解密，使攻击者解
密时无法拼凑原文，从而达到安全传输的目的。
它基本上可以分为密码分组移位算法、分
组密码替换算法和分组密码衍射算法三种，分组密码替换算法是目前应用最广泛的分组密
码算法。
分组密码替换算法是按照一定的规则将明文数据转换成密文数据，加密过程中利用一
系列替换表（称之为字符映射表），对一组明文字符（一般为8个字节）进行映射，字符
的比特位的增加、减小，两个不同的比特位的交换，以增加密文的复杂性，达到保护信息
安全的目的。
此外，分组密码还需要有一个加盐算法，通过加入一些单独的随机值，而不是使用一
个定值作为秘密密钥，对密文进行加密，使得攻击者更难以破解数据。
当然，这也要求使
用者有一定的数学基础，以及一定的计算机能力，才能正确实现加解密算法。
因此，分组密码是一种安全可靠的信息加解密算法，可以有效保护用户和组织的数据
安全，但可能要求使用者有比较强的数学基础和计算机能力，才能正确使用这一算法。
分组密码的设计准则
完全性、非线性性、相关（关系）免疫性。
• DES加密原理
➢初始置换
➢每个循环的详细过程
➢密钥的产生
➢DES算法的安全强度
➢3DES
应用密ห้องสมุดไป่ตู้技术
3.3 高级加密标准
• Rijndael算法：本质上是一种对称分组密码
体制，采用替代/置换网络，每轮由三层组 成。它是一个迭代分组密码，分组长度和 密钥长度都是可变的。
应用密码技术
3.1.3 分组密码的设计准则
• S盒的设计准则 • P盒的设计准则 • 轮函数F的设计准则 • 迭代的轮数 • 子密钥的生成方法
应用密码技术
3.2 数据加密标准
• DES处理的明文长度是64位，密文分组长度
也是64位，密钥长度位56位(要求输入64位)
• DES的一般设计原则：随机性、雪崩效应、
➢扩散：每一位明文的影响尽可能迅速地作用到 较多的输出密文位中去。主要使用换位算法。
➢混乱：密文和明文之间的统计特性关系尽可能 地复杂化。主要使用替代算法。
➢乘积密码：是指依次使用两个或两个以上的基 本密码，所得结果的密码强度将强于所有单个 密码的强度，即是扩散和混乱两种基本密码操 作的组合变换。
应用密码技术
• AES：处理的分组大小为128位，密钥长度
为128位、192位或256位，相应的迭代轮数 为10、12、和14轮。
应用密码技术
3.4 其他分组密码
• DES变形、RC系列分组密码、IDEA密码等。 • KASUMI密码。
应用密码技术
分组密码的操作模式（补充）
• 电子密码本模式（ECB） • 密码分组链接模式（CBC） • 计数器模式（CTR模式） • 输出反馈模式（OFB） • 密码反馈模式（CFB）
• DES加密原理
➢初始置换
➢每个循环的详细过程
➢密钥的产生
➢DES算法的安全强度
➢3DES
应用密ห้องสมุดไป่ตู้技术
3.3 高级加密标准
• Rijndael算法：本质上是一种对称分组密码
体制，采用替代/置换网络，每轮由三层组 成。它是一个迭代分组密码，分组长度和 密钥长度都是可变的。
应用密码技术
3.1.3 分组密码的设计准则
• S盒的设计准则 • P盒的设计准则 • 轮函数F的设计准则 • 迭代的轮数 • 子密钥的生成方法
应用密码技术
3.2 数据加密标准
• DES处理的明文长度是64位，密文分组长度
也是64位，密钥长度位56位(要求输入64位)
• DES的一般设计原则：随机性、雪崩效应、
➢扩散：每一位明文的影响尽可能迅速地作用到 较多的输出密文位中去。主要使用换位算法。
➢混乱：密文和明文之间的统计特性关系尽可能 地复杂化。主要使用替代算法。
➢乘积密码：是指依次使用两个或两个以上的基 本密码，所得结果的密码强度将强于所有单个 密码的强度，即是扩散和混乱两种基本密码操 作的组合变换。
应用密码技术
• AES：处理的分组大小为128位，密钥长度
为128位、192位或256位，相应的迭代轮数 为10、12、和14轮。
应用密码技术
3.4 其他分组密码
• DES变形、RC系列分组密码、IDEA密码等。 • KASUMI密码。
应用密码技术
分组密码的操作模式（补充）
• 电子密码本模式（ECB） • 密码分组链接模式（CBC） • 计数器模式（CTR模式） • 输出反馈模式（OFB） • 密码反馈模式（CFB）
第9次课-分组密码-运行模式
DES加密算法
64
选择丢弃 j比特|64-j比特
j
cn
m1
30
j-比特密码反馈CFB模式
CFB旳优点
它尤其适于顾客数据格式旳需要，不用填充。
能隐蔽明文数据图样，也能检测出对手对于密 文旳篡改。
CFB旳缺陷
对信道错误较敏感，且会造成错误传播。
CFB也需要一种初始矢量，并要和密钥同步进 行更换。
储户帐号 2
存款 金额
敌手C经过截收从A到B旳加密消息，只要将第5至第12 分组替代为自己旳姓名和帐号相相应旳密文，即可将别人 旳存款存入自己旳帐号。
2024/9/22
9
• 为了克服ECB旳安全性缺陷，我们希望 设计一种工作模式,能够使得当同一种明 文分组反复出现时产生不同旳密文分组。 一种简朴旳措施是密码分组链接，从而 使输出不但与目前输入有关，而且与此 前输入和输出有关。
2024/9/22
29
密文反馈模式旳解密
IV
移位寄存器 64－j比特j比特
64
k
DES加密算法
64
选择丢弃 j比特|64-j比特
j
c1 j
m1
Байду номын сангаас
2024/9/22
移位寄存器 64－j比特|j比特
64
k
DES加密算法
64
选择丢弃 j比特|64-j比特
j
c2 j
m2
移位寄存器 64－j比特|j比特
64
k
明文错1组，则后来密文都受影响，但不影响 解密正确性，除目前错旳1组。
密文错1组， 则只影响目前 和下1组旳解 密正确性。
2024/9/22
19
经典应用: (1) 数据加密; (2) 完整性认证和身份认证;
分组密码模式
分组密码模式分组密码模式分组密码与流密码分组密码：每次只能处理特定长度的⼀块数据的⼀类算法，“⼀块”就称为分组(block )。
⼀个分组的⽐特数就称为分组长度(block length)。
流密码: 对数据流进⾏连续的处理的⼀类密码。
只有⼀次性密码本属于流密码，⽽DES 、三重DES 、AES 等⼤多数对称密码算法都属千分组密码。
模式分组密码算法只能加密固定产固定的分组，若加密的铭⽂的长度超过分组密码的长度，需要对分组密码算法进⾏迭代，以便将所有的密码全部加密。
明⽂分组和密⽂分组主动攻击者Mallory窃听者Eve 只能被动地进⾏窃听，⽽主动攻击者则可以主动介⼊发送者和接收者之间的通信过程，进⾏阻碍通信或者是篡改密⽂等活动。
这样的攻击者⼀般称为Mallory 。
ECB模式使⽤ECB 模式加密时，相同的明⽂分组会被转换为相同的密⽂分组，也就是说，我们可以将其理解为是⼀个巨⼤的“明⽂分组⼀密⽂分组”的对应表，因此ECB 模式也称为电⼦密码本模式。
当最后⼀个明⽂分组的内容⼩于分组长度时，需要⽤⼀些特定的数据进⾏填充( padding )。
CBC 模式在CBC 模式中，⾸先将明⽂分组与前⼀个密⽂分组进⾏XOR 运算，然后再进⾏加密。
ECB 和 CBC 的区别初始化向量当加密第⼀个明⽂分组时，由于不存在“前⼀个密⽂分组”，因此需要事先准备⼀个长度为⼀个分组的⽐特序列来代替“前⼀个密⽂分组”，这个⽐特序列称为初始化向量(Initialization Vector) ，通常缩写为IV 。
⼀般来说，每次加密时都会随机产⽣⼀个不同的⽐特序列来作为初始化向量。
CBC模式的特点明⽂分组在加密之前⼀定会与“前⼀个密⽂分组”进⾏XOR 运算，因此即便明⽂分组 1和 2 的值是相等的，密⽂分组1 和 2 的值也不⼀定是相等的。
这样⼀来，ECB 模式的缺陷在CBC模式中就不存在了。
在CBC 模式中，我们⽆法单独对⼀个中间的明⽂分组进⾏加密。
分组密码——精选推荐
分组密码分组密码概述所谓分组密码，简单地说就是对明⽂进⾏分组，每组的长度都相同，然后对每组明⽂使⽤密钥进⾏加密得密⽂，解密即对每组明⽂使⽤密钥进⾏解密得到明⽂。
通常情况是明⽂、密⽂等长。
(好处是处理速度快，节约了存储，避免了浪费带宽.)1. 定义分组密码包含5个部分{M,C,K,E,D},M=F(2,n)明⽂空间K=F(2,k)密钥空间C=F(2,n)密⽂空间E加密变换；D解密变换明⽂m1m2……mn通过密钥k加密算法得到密⽂c1c2……cn分组密码是⼀种映射：E：M*K->CD：C*K->M注：分组密码实际上是{0,1,2,……,2^n-1}到其⾃⾝的⼀⼀映射，密钥k不同映射不同。
2. 基本要求分组长度⾜够长(防⽌明⽂穷举攻击)密钥长度⾜够长(防⽌密钥穷举攻击)加解密算法要⾜够复杂(能抗击各种已知攻击)3. 分组密码的原则为有效抵抗对密码体质的通知分析，⾹农提出了两个原则：扩展原则和混乱原则。
扩散：指每1bit明⽂的变化尽可能多地影响密⽂序列的bit，以隐蔽明⽂的统计特性，防⽌对密钥进⾏逐段攻击破译；混乱：指加密变换过程中明⽂、密钥以及密⽂之间的关系尽可能的复杂，以防⽌破译者采⽤统计分析⽅法进⾏攻击。
4. 分组密码的结构（SP⽹络）需求分析：⼀个分组密码既要难于分析(复杂)，⼜要易于实现(简单),迭代密码可克服这⼀对⽭盾。
其加密变换⼀般采取如下结构：由⼀个简单的函数F（易于实现）迭代若⼲次⽽形成。
其中Yi-1是第i轮迭代的输⼊，Yi是第i轮的输出，Zi由密钥k导出，这类密码即迭代密码。
如DES是16轮迭代密码，多次迭代可实现必要的混乱与扩散。
F函数采⽤代换置换结构，置换由P盒实现，起扩散作⽤，代换可提供混淆作⽤，其中代换被精⼼设计且起关键作⽤，⼈们常称其为“⿊盒⼦”。
SP结构具有雪崩效应，雪崩效应指输⼊（明⽂或密钥）即使只有很⼩的变化，也会导致输出（密⽂）产⽣巨⼤的变化。
分组密码体制分组密码概述
64bits
4
注意事项
从这章开始，假定加密和认证的文本、图像、音频 等任何格式的原声信息，都存在相应的编码方式， 转话为二进制的数据流。在具体算法中，表示为 messag={0,1}*
1M的大小文件多少bit？若分组密码每组分块长度 为64bits，则1M大小文件需要分成多少块？
1M= 1024*1024*8 bits = 2 23 bits
7
分组密码的发展历史
民用 不存在陷门 足够的安全强度 标准化通信需求
8
分组密码的发展历史
1973年5月美国联邦政府提出征求在传输和存储数据 中保护计算机数据的密码算法的建议；
1975年3月，美国国家标准局(NBS) 首次公布IBM公 司提出的算法Lucifer中选；
1977年1月NBS正式向社会公布，采纳IBM公司设计 的方案作为非机密数据的数据加密标准 (Data Encryption Standard). DES正式成为美国联邦政府 信息处理标准，即FIPS-46标准，同年7月开始生 效。
5
分组密码的定义
定义 一个分组密码体制(P, K, C, E, D)，其中 P=C={0,1}l ；K={0,1}t.
加密变换： E：P×K→C, 当k ∈K确定时，Ek 为P →C的一一映射.
解密变换： D: C×K →P, 当k ∈K确定时，Dk 为C →P的一一映射.
D ·E =I k=(k0,k1,…,kt-1)
3
分组密码定义
若分组密码明文块长度为64bits
64bits 明文 students
64bits computer
64bits learning
64bits are this
加密
第五章 分组密码(5.1-5.3)
5.1分组密码基本概念
对于分组密码两个设计原则是扩散和混淆。 扩散原则： 1)明文中的每一位影响密文中的许多位，这样可 以隐蔽明文的统计特性；
2)使得密钥的每一位影响密文的许多位
扩散例子
分组密码的基本要求
混淆原则：设计的密码算法应使得密钥和明文 以及密文之间的依赖关系变得尽可能复杂。 可以使用复杂的非线性代替变换来达到较好的 混淆效果。
差分密码分析(Differential cryptanalysis)
差分密码分析是一种 攻击迭代分组密码 的 选 择明文统计分析破译法。 它不是直接分析密文或密钥的统计相关性，而 是分析明文差分和密文差分之间的统计相关 性。
差分密码分析(Differential cryptanalysis)
线性攻击
S盒的非线性特点是DES安全性的主要源泉
Rueppel[1986]的流密码专著中曾提出以最接近 的线性函数逼近非线性布尔函数的概念， Matsui推广了这一思想以 最隹线性函数逼近S 盒输出的非零线性组合[1993]，即所谓线性攻 击，这是一种已知明文攻击法。
线性攻击
为此对每一S盒的输入和输出之间构造统计线性路径， 并最终扩展到整个算法。
48 bit寄存器
密 钥 产 生 器
选择压缩运算 S
32 bit寄存器
置换运算 P
按bit模2和 Li (32bit) Ri (32bit)
乘积变换框图
给定明文差分为1的明文对，其对应的密文差分可计算 得到（不唯一）。（选择明文攻击，此时敌手有DES 加密器，但不知道密钥）
挑选出概率最大的密文差分，作为正确的密文差分，对应的 明文对为正确对。 对于最后一轮(i=16)的乘积变换中的8个S盒，输出差分是唯一 的(可由正确的密文差分经逆置换IP-1推出)，输入差分可能有 多种情况。 对于正确对，尝试所有可能的第16轮的子密钥K16（48bits) 输出正确差分的次数最大的子密钥很可能就是真正的子密钥
密码学-DES密码(二)
第二章 分 组 密 码
2) DES加密过程
DES算法加密的过程大致可以分为三部 分：初始置换、16次迭代过程和逆置换， 其中在16次迭代过程中还必须从密钥中提 取子密钥，将32位的右半部分扩展为48位。 具体算法过程如下所示。
第二章 分 组 密 码
64位明文 初始置换
DES加密过程
密钥（1） 密钥（2） 密钥（3）
第二章 分 组 密 码
密钥k
加
明文(x1， x2，…， xn) 密 算 法
密文(y1， y2，…， yn)
加密一组明文的过程
第二章 分 组 密 码
• 分组密码设计原则 • 一般设计原则 • 混乱 • 扩散 • 实现的设计原则 • 软件 • 硬件
第二章 分 组 密 码
• 分组密码的结构; • 分组密码原则
15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
第三章 分 组 密 码
• S盒的工作原理是这样的：若输入为101101 ，
其中首尾(11)两位二进制数转换为十进制数(3)作 为行，中间四位(0110)二进制数转换为十进制数 (6) 作 为 列 。 假 设 从 表 2-6 中 查 得 的 数 为 m ， 0≤m≤15，m换为四位二进制数，则就是输入的四 位输出。
DES是一个对称算法：加密和解密用的是同一算法。 目前DES已被视为不安全，普遍使用的是变种triple DES， 即对64比特分组加密三次，每次用不同的密钥， 密钥长度总共168比特。
第二章 分 组 密 码
• 比较著名的对称加密算法
算法
注释
Blowfish
DES IDEA RC2
块加密；布鲁斯·施奈尔（Bruce Schneier）提出 块加密； 7 0年代提出 块加密（被认为是现有最好的算法）
第3章02--分组密码体制(DES)
32 4 8 1 5 9 2 6 3 7 4 8 5 9
10 11 12 13
12 13 14 15 16 17 16 17 18 19 20 21
20 21 22 23 24 25
24 25 26 27 28 29 28 29 30 31 32 1
16
密钥加密运算
将子密钥产生器输出的48 bit子密 钥ki 与选择扩展运算E输出的48 bits 数据按位模2相加。
26
穷举攻击算法的计算复杂性
定理 设密钥在密钥空间K中服从均匀分布， 且没有等效密钥,则穷举攻击平均需要检 K 个密钥后才找到正确密钥。 1 验完
2 2
结论: 对DES算法的穷举攻击平均计算复杂 性为255.
27
讨论：使用二重DES产生的映射是否等价于单 重DES加密?
二重DES
k2 yi yi D
31
30 29 28 27 26 25
38 37 36 35 34 33
初始置换IP
将64 bit明文的位置进行置换，得到一个乱序 的64 bit明文组，而后分成左右两段，每段为 32 bit，以L0和R0表示，IP中各列元素位置号 数相差为8。
逆初始置换IP-1。将16轮迭代后给出的64 bit组 进行置换，得到输出的密文组。输出为阵中元 素按行读得的结果。 IP和 IP-1 在密码意义上作用不大，它们的作用 在于打乱原来输入x的ASCII码字划分的关系。
算法主要包括：初始置换IP、16轮迭代的乘积变换、 逆初始置换IP-1以及16个子密钥产生器。
8
DES加密算法框图
16轮迭代 的乘积变换
子密钥产生器
9
DES算法框图
输入 64 bit明文数据
10 11 12 13
12 13 14 15 16 17 16 17 18 19 20 21
20 21 22 23 24 25
24 25 26 27 28 29 28 29 30 31 32 1
16
密钥加密运算
将子密钥产生器输出的48 bit子密 钥ki 与选择扩展运算E输出的48 bits 数据按位模2相加。
26
穷举攻击算法的计算复杂性
定理 设密钥在密钥空间K中服从均匀分布， 且没有等效密钥,则穷举攻击平均需要检 K 个密钥后才找到正确密钥。 1 验完
2 2
结论: 对DES算法的穷举攻击平均计算复杂 性为255.
27
讨论：使用二重DES产生的映射是否等价于单 重DES加密?
二重DES
k2 yi yi D
31
30 29 28 27 26 25
38 37 36 35 34 33
初始置换IP
将64 bit明文的位置进行置换，得到一个乱序 的64 bit明文组，而后分成左右两段，每段为 32 bit，以L0和R0表示，IP中各列元素位置号 数相差为8。
逆初始置换IP-1。将16轮迭代后给出的64 bit组 进行置换，得到输出的密文组。输出为阵中元 素按行读得的结果。 IP和 IP-1 在密码意义上作用不大，它们的作用 在于打乱原来输入x的ASCII码字划分的关系。
算法主要包括：初始置换IP、16轮迭代的乘积变换、 逆初始置换IP-1以及16个子密钥产生器。
8
DES加密算法框图
16轮迭代 的乘积变换
子密钥产生器
9
DES算法框图
输入 64 bit明文数据
第4章 分组密码
20
举例
k=01110000 01110011 01101110 01100111 01110011 01100001 01101101 00110100
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 0 0 1 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
6
Feistel单轮的加解密
Li-1
Ri-1
Li-1
Ki
Ri-1
F +
Li 加密 Ri
F +
Li 解密 Ri
Ki
Feistel结构中间的轮运算和最后一轮的有区别，最后一轮运 算不需要置换。目的使得加密和解密的编程完全一致。
7
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。 1994年，美国决定98年12月以后不再使用DES算 法 • DES是一种明文分组为64比特，有效密钥56比特， 输出密文64比特的，具有16轮迭代的分组对称密码 算法，DES由初始置换，16轮迭代，初始逆置换组 成。 • DES的解密算法与加密算法相同，只是解密子密钥 与加密子密钥的使用顺序刚好相反。
2
分组密码的设计原则
针对安全性的一般设计原则 – 明文分组长度和密钥长度望尽可能大 – 扩散和混淆是由Shannon提出的设计密码系统的 两个基本方法，目的是抗击敌手对密码系统的统计 分析。 – 混乱原则(confusion)：又称混淆原则，是指密钥 和明文以及密文之间的依赖关系尽可能的复杂 算法设计时，采用复杂的代数运算 – 扩散原则(diffusion)：密钥或明文的每一位影响 密文的许多位以便隐蔽明文的统计特性 比如古典密码中的hill密码的设计思想
举例
k=01110000 01110011 01101110 01100111 01110011 01100001 01101101 00110100
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 0 0 1 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
6
Feistel单轮的加解密
Li-1
Ri-1
Li-1
Ki
Ri-1
F +
Li 加密 Ri
F +
Li 解密 Ri
Ki
Feistel结构中间的轮运算和最后一轮的有区别，最后一轮运 算不需要置换。目的使得加密和解密的编程完全一致。
7
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。 1994年，美国决定98年12月以后不再使用DES算 法 • DES是一种明文分组为64比特，有效密钥56比特， 输出密文64比特的，具有16轮迭代的分组对称密码 算法，DES由初始置换，16轮迭代，初始逆置换组 成。 • DES的解密算法与加密算法相同，只是解密子密钥 与加密子密钥的使用顺序刚好相反。
2
分组密码的设计原则
针对安全性的一般设计原则 – 明文分组长度和密钥长度望尽可能大 – 扩散和混淆是由Shannon提出的设计密码系统的 两个基本方法，目的是抗击敌手对密码系统的统计 分析。 – 混乱原则(confusion)：又称混淆原则，是指密钥 和明文以及密文之间的依赖关系尽可能的复杂 算法设计时，采用复杂的代数运算 – 扩散原则(diffusion)：密钥或明文的每一位影响 密文的许多位以便隐蔽明文的统计特性 比如古典密码中的hill密码的设计思想
2.分组密码(6) (2)
密码学基础
• 尽管DES密钥的长度有64位，但用户只提供56位 （通常是以转换成ASCII位的7个字母的单词作为 密钥），其余的8位由算法提供，分别放在8、16、 24、32、40、48、56、64位上，结果是每8位的 密钥包含了用户提供的7位和DES算法确定的1位。 添加的位是有选择的，使得每个8位的块都含有奇 数个奇偶校验位（即1的个数为奇数）。
第8次该单词通过E－盒后， E－盒对每个位都有影响。
密码学基础
• S－盒替换（S－boxes Substitution）
48比特输入
S－盒1
S－盒2
S－盒3
S－盒4
S－盒5
S－盒6
S－盒7
S－盒8
32比特输出
密码学基础
S－盒1 14 0 4 4 15 1 13 7 14 1 4 8 2 14 13 15 2 6 11 13 2 8 1 11 3 10 15 10 6 12 6 12 9 12 11 7 5 9 3 9 5 10 0 3 5 7 8 0
初 始 第1阶段 第2阶段 第3阶段 第4阶段 第5阶段 第6阶段 第7阶段 第8阶段
10000000000000000000000000000000 01000000000000000000000000000001 10100000000000000000000000000010 第二次E－盒作用于该单词，初始的 01010000000000000000000000000101 影响延伸到了位置1、3和31。 10101000000000000000000000000101 01010100000000000000000000010101 10101111010000000000000010101010 01010101111000100101010101010101 10101010101111111010111010101010
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7
DES分组密码算法 DES分组密码算法
一、背景简介
该算法是在美国NSA（国家安全局）资助下由IBM公 （国家安全局）资助下由 该算法是在美国 公 司开发的密码算法， 司开发的密码算法，其初衷是为政府非机密的敏感信息提 供较强的加密保护。它是美国政府担保的第一种加密算法， 供较强的加密保护。它是美国政府担保的第一种加密算法， 并在1977年被正式作为美国联邦信息处理标准。DES主要 年被正式作为美国联邦信息处理标准。 并在 年被正式作为美国联邦信息处理标准 主要 提供非军事性质的联邦政府机构和私营部门使用，并迅速 提供非军事性质的联邦政府机构和私营部门使用， 成为名声最大，使用最广的商用密码算法。 成为名声最大，使用最广的商用密码算法。
21
③ P盒置换 将S-盒变换后的32比特数据再进行P盒置换，置 换后得到的32比特即为 f 函数的输出。
P
16 29 1 5 2 32 19 22 7 12 15 18 8 27 13 11 20 28 23 31 24 3 30 4 21 17 26 10 14 9 6 25
含义:P盒输出的第 个元是输入的第 个元。 含义 盒输出的第1个元是输入的第 个元。 盒输出的第 个元是输入的第16个元
DES的第 DES的第 i 圈加密结构图 Li-1（32位） f Ri-1（32位）
Ki
Li（32位）
Ri（32位）
16
DES的 变形函数 的 变形函数F
32位
E
48位
48位子密钥
⊕
S1 S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
P
17
① E盒扩展 盒扩展 扩展变换的作用是将输入的32比特数据扩展为48比特 数据
8
发明人：美国 发明人：美国IBM公司 W. Tuchman 和 C. Meyer 公司 1971-1972年研制成功 年研制成功 基础： 年美国Horst Feistel提出的理论 基础：1967年美国 年美国 提出的理论 产生：美国国家标准局（ 月到1974年8月两次发布通告， 月两次发布通告， 产生：美国国家标准局（NBS)1973年5月到 年 月到 年 月两次发布通告 公开征求用于电子计算机的加密算法。 公开征求用于电子计算机的加密算法。经评选从一大批算法中采纳 了IBM的LUCIFER方案 的 方案 标准化： 算法1975年3月公开发表，1977年1月15日由美国国家标 月公开发表， 标准化：DES算法 算法 年 月公开发表 年 月 日由美国国家标 准局颁布为数据加密标准（ ），于 准局颁布为数据加密标准（Data Encryption Standard），于 ）， 1977年7月15日生效 年 月 日生效
1 2 3 4 5 6……………………………………………………43 44 45 46 47 48
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
1 2 3 4 ……………………………………………………29 30 31 32
19
输 列 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 出 行
10 06 12 11 07 00 08 06 13 08 01 15 02 07 01 04 05 00 09 15 13 01 00 14 12 03 15 05 09 05 06 12
06 12 09 03 02 01 12 07 12 05 02 14 08 02 03 05 03 15 12 00 03 13 04 01 09 05 06 00 03 06 10 09
第
L 15 = R 14
R 15 = L 14 ⊕ f ( R 14 , k 15 )
轮
⊕
R 16 = L 15 ⊕ f ( R 15 , k 16 )
f
L 16 = R 15
k 16
第
轮
IP − 1
文
13
初始置换与逆初始置换
输入和输出比特的序号从左向右编排为1, 输入和输出比特的序号从左向右编排为 2, 3, … ,64
12 11 07 14 13 10 06 12 07 14 12 03 05 12 14 11 15 10 05 09 04 14 10 07 07 12 08 15 14 11 13 00
05 09 03 10 12 06 09 00 11 12 05 11 11 01 05 12 13 03 06 10 14 00 01 06 05 02 00 14 05 00 15 03
07 08 00 13 10 05 15 09 08 01 07 12 15 09 04 14 09 06 14 03 11 08 06 13 01 06 02 12 07 02 08 11
20
bbbbbb6 行 bb6 =112 =3 ：1 S6-盒 3行列 子 9 1 2 3 4 5 ⇒ ⇒ 110011 列 bbbb5 =10012 =9 值 14=1100 ：2 3 4 ：
分组密码
-DES加密标准
2
分组密码
将明文分成固定长度的组， 将明文分成固定长度的组，用同一密钥和算法 对每一块加密，输出也是固定长度的密文。 对每一块加密，输出也是固定长度的密文。
3
分组密码的基本原理
分组密码就是将明文数据按固定长度进行分组，然 后在同一密钥控制下逐组进行加密，从而将各个明文分 组变换成一个等长的密文分组的密码。
22
DES中的子密钥的生成 中的子密ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的生成
64 位 密 钥 密钥表的计算逻辑 循环左移： 1 1 9 2 1 10 3 2 11 4 2 12 5 2 13 6 2 14 7 2 15 8 2 16
置换选择 1
C 0（ 2 8 位 ）
循环左移
D 0（ 2 8 位 ）
循环左移
1 2 2 2 2 2 2 1
11
DES加密过程 加密过程
输入64比特明文数据 输入 比特明文数据
初始置换
在密钥控制下 16轮迭代 轮迭代 初始逆置换
输出64比特密文数据 输出 比特密文数据
明 文
IP
12
L0
R0
加 密 框 图
⊕
f
k1
第 一 轮
L1 = R 0
R1 = L 0 ⊕ f ( R 0 , k 1 )
M
M
⊕
f
k15
5
2. 扩散原则 扩散原则就是应将明文的统计规律和结构规律散 射到相当长的一段统计中去。 射到相当长的一段统计中去。 也就是说让明文中的每一位影响密文中的尽可能 多的位， 多的位，或者说让密文中的每一位都受到明文中的尽 可能多位的影响。 可能多位的影响。
6
分组密码的设计方法
采用乘积密码： 采用乘积密码： 即通过将一个弱的密码函数迭代若干次， 即通过将一个弱的密码函数迭代若干次，产生 一个强的密码函数， 一个强的密码函数，使明文和密钥得到必要的混乱 和扩散。 和扩散。
S1
S2
S3 S4 S5
S6
S7
S8
0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3 0 1 2 3
14 00 04 15 15 03 00 13 10 13 13 01 07 13 10 03 02 14 04 11 12 10 09 04 04 13 01 06 13 01 07 02
10
DES分组密码算法 DES分组密码算法
算法概述 （一）基本特点 ①分组密码:明文、密文和密钥的分组长度 都是64位。 ②面向二进制的密码算法:因而能够加解密 任何形式的计算机数据。 ③对合运算:因而加密和解密共用同一算法， 使工程实现的工作量减半。 ④综合运用了置换、代替、代数等多种密码 技术。
01 04 08 02 14 07 11 01 14 09 09 00 03 05 00 06 01 12 11 07 15 02 05 12 14 07 13 08 04 08 01 07
02 14 13 04 06 15 10 03 06 03 08 06 00 06 12 10 07 04 10 01 09 07 02 09 15 04 12 01 06 10 09 04
09 05 10 00 00 09 03 05 04 11 10 05 12 10 02 07 00 09 03 04 07 11 13 00 10 15 05 02 00 14 03 05
00 03 05 06 05 11 02 14 02 15 14 02 04 14 08 02 14 08 00 05 05 03 11 08 06 08 09 03 12 09 05 06
m1
m2
m3
mn
k
c1
k
c2
k
c3
k
cn
4
安全性设计原则
1. 混乱原则 混乱原则就是将密文、明文、 混乱原则就是将密文 明文、密钥三者之间的统计 明文 关系和代数关系变得尽可能复杂， 关系和代数关系变得尽可能复杂，使得敌手即使获得了 密文和明文，也无法求出密钥的任何信息； 密文和明文，也无法求出密钥的任何信息；即使获得了 密文和明文的统计规律，也无法求出明文的新的信息。 密文和明文的统计规律，也无法求出明文的新的信息。
9
背景
美国国家安全局（ 美国国家安全局（NSA, National Security Agency)参与了美 参与了美 国国家标准局制定数据加密标准的过程。 接受了NSA的某 国国家标准局制定数据加密标准的过程。NBS接受了 接受了 的某 些建议，对算法做了修改，并将密钥长度从 些建议，对算法做了修改，并将密钥长度从LUCIFER方案中的 方案中的 128位压缩到 位 位压缩到56位 位压缩到 1979年，美国银行协会批准使用DES 年 美国银行协会批准使用 1980年，DES成为美国标准化协会 年 成为美国标准化协会(ANSI)标准 成为美国标准化协会 标准 1984年2月，ISO成立的数据加密技术委员会 年 月 成立的数据加密技术委员会(SC20)在DES基 成立的数据加密技术委员会 在 基 础上制定数据加密的国际标准工作