第5章 对称密钥密码体制
对称密码体制
1、SP网络
由多重S变换和P变换组合成 的变换网络 基本操作： S变换(代替)--起混乱作用 P变换(换位)--起扩散作用
S盒被认为是一 个微型的代替密 码。 S盒的输入和输 出位数不一定相 同，S盒有可逆 和不可逆之分， 可逆S盒的输入 位数和输出位数 相同
P盒就是传统的 换位操作 普通型、压缩型 和扩展型
DES算法
• 分组长度为64 bits (8 bytes)
• 密文分组长度也是64 bits
• 密钥长度为64 bits，有8 bits奇偶校验，有效密 钥长度为56 bits
• DES密钥总数为：256 • 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以及子密钥产生器
(3) 由密钥确定的算法要足够复杂。充分实现明文与密钥的扩散和 混淆，没有简单关系可循，要能抵抗各种已知的攻击，如差分攻击 和线性攻击等；另外，还要求有较高的非线性阶数。
(4) 软件实现的要求。尽量使用适合编程的子块和简单的运算。密 码运算在块上进行，要求子块的长度能适应软件编程，如8、16、 32比特等。应尽量避免按比特置换 。
DES的一般设计准则 1、随机性。输出与输入间是无规律的。
2、雪崩效应。改变输入中的1位，平均要导致大约有输入位的一个复杂函数（而不只是
输入的某些位的一个函数）
4、非线性性。加密函数对任何密钥值都是非仿射的（即非线性的）
5、相关（关系）免疫性。输出是统计上独立于任何输入位的子集。 不会与输入位的任何子集相关。
每轮迭代都有相同的结构(如图 5-7) 代替作用在数据的左半部分， 它通过轮函数F作用数据的右半 部分后，与左半部分数据进行 异或来完成(F函数是一种不可逆 的基本变换)。
对称密钥密码体制
对称密钥密码体制对称密钥密码体制是指加密和解密过程中使用相同的密钥。
这种体制也叫做单密钥密码体制，因为加密和解密使用的密钥相同，能在保持安全的前提下对数据进行快速处理。
对称密钥密码体制通常分为分组密码和流密码两种。
分组密码是将明文分成固定长度的块，再和密钥一起通过一系列算法进行加密。
这种方法处理速度非常快，因为加密和解密算法是对数据块进行分组处理的，同时相同密钥的使用也降低了密钥管理的复杂性。
然而，分组密码存在的一个问题是，对数据块的分组可能会导致重复的数据，这些数据可以被攻击者用来破解密钥。
流密码是将明文和密钥通过一个伪随机数生成器计算出一个流式密钥，然后将流式密钥和明文一起进行异或运算来加密数据。
这种方法加密和解密速度也非常快，而且每个数据块都有独立的流式密钥，增强了数据的安全性。
然而，流密码也存在一些问题，例如在密钥被泄露时，加密数据就变得不安全了。
对称密钥密码体制的优点包括：1. 处理速度快：加密和解密使用的密钥相同，从而能快速处理数据。
2. 加密方式简单：对称密钥密码体制通常采用分组密码或流密码，在数据加密和解密过程中使用块或流式加密，处理速度快，同时也方便计算机的硬件或软件实现。
3. 密钥管理相对简单：使用相同的密钥进行加密和解密，可以使加密和解密的过程更加简单，从而降低了密钥管理的复杂度。
4. 对称密钥密码体制广泛应用于大多数数据通信应用中，如数据存储、数据传输等。
对称密钥密码体制的缺点包括：1. 密钥管理不安全：对称密钥密码体制存在一个主要问题，即密钥的安全性。
如果密钥被泄露或者失窃，那么加密数据就暴露了，导致数据不安全。
2. 非法用户可以访问数据：一旦非法用户获取了密钥，他们便可以访问数据而不会受到限制，这可能会导致重大的安全问题。
3. 可能存在重放攻击：由于每个数据块都使用相同的密钥进行加密，数据可能被攻击者截获并用于重放攻击，从而使数据的安全性大大降低。
4. 算法的安全性不能得到保证：对称密钥密码体制的安全性取决于加密算法本身的安全性。
pdf第5章 对称密钥密码体制
16
DES算法描述 算法描述
• 算法设计中采用的基本变换和操作： 算法设计中采用的基本变换和操作： – 置换（P） 置换（ ） • 重新排列输入的比特位置。 重新排列输入的比特位置。 – 交换（SW） 交换（ ） • 将输入的左右两部分的比特进行互换。 将输入的左右两部分的比特进行互换。 – 循环移位 • 将输入中的比特进行循环移位，作为输出。 将输入中的比特进行循环移位，作为输出。 – 一个复杂变换（ fK ） 一个复杂变换（ • 通常是一个多阶段的乘积变换； 通常是一个多阶段的乘积变换； • 与密钥 Key 相关； 相关； • 必须是非线性变换； 必须是非线性变换； • 实现对密码分析的扰乱； 实现对密码分析的扰乱； • 是密码设计安全性的关键。 是密码设计安全性的关键。
2
5.1 分组密码的原理
• 密文中的每位数字不仅仅与某时刻输入的明文 数字有关， 数字有关，而是与该明文中一定组长的明文数 字有关。 字有关。
• 分组密码的基本模型 密钥 K 密钥 K
明文 x 密文 y 明文 x
加密
3解密ຫໍສະໝຸດ 分组密码的长度明文为分组长度为m的序列，密文为分组长度为 的序列 的序列： 明文为分组长度为 的序列，密文为分组长度为n的序列： 的序列 • n>m，称其为有数据扩展的分组密码； ，称其为有数据扩展的分组密码； • n<m，称其为有数据压缩的分组密码； ，称其为有数据压缩的分组密码； • n=m，称其为无数据扩展与压缩的分组密码。 ，称其为无数据扩展与压缩的分组密码。 我们一般所说的分组密码为无数据扩展与压缩的分组密码。 我们一般所说的分组密码为无数据扩展与压缩的分组密码。
s s
K32.1
s s p
. . K32.2 .
对称密钥体制算法
对称密钥体制算法一、引言对称密钥体制算法是现代密码学中最常用的一种加密算法，它采用同一把密钥用于加密和解密过程，具有加密速度快、计算复杂度低等优点。
本文将介绍对称密钥体制算法的基本原理、常见算法和应用场景。
二、基本原理对称密钥体制算法使用同一把密钥进行加密和解密，其基本原理是通过对明文进行一系列数学运算和变换，将其转化为密文，而解密过程则是对密文进行逆运算和变换，恢复为明文。
对称密钥体制算法的核心在于密钥的保密性，只有知道密钥的人才能进行有效的解密操作。
三、常见算法1. DES（Data Encryption Standard）：DES是一种对称密钥体制算法，它使用56位密钥进行加密和解密操作。
DES算法具有较高的加密强度和较快的加密速度，被广泛应用于计算机网络、电子商务等领域。
2. AES（Advanced Encryption Standard）：AES是目前最常用的对称密钥体制算法，它采用128位、192位或256位密钥进行加密和解密操作。
AES算法具有更高的安全性和更快的加密速度，被广泛应用于云计算、物联网等领域。
3. RC4（Rivest Cipher 4）：RC4是一种流密码算法，它使用变长密钥进行加密和解密操作。
RC4算法具有较高的加密速度和较简单的实现方式，被广泛应用于无线通信、嵌入式系统等领域。
四、应用场景对称密钥体制算法在信息安全领域有广泛的应用场景，以下为几个常见的应用场景：1. 数据加密传输：对称密钥体制算法可以用于对敏感数据进行加密传输，保护数据的机密性和完整性。
例如，通过对网络通信数据进行加密，可以有效防止黑客窃取数据。
2. 存储加密：对称密钥体制算法可以用于对存储在计算机硬盘、移动设备等媒体上的数据进行加密，保护数据的安全性。
例如，通过对个人电脑上的文件进行加密，可以防止他人未经授权的访问。
3. 身份认证：对称密钥体制算法可以用于身份认证过程中的数据加密。
例如，在网上银行登录过程中，采用对称密钥体制算法对用户输入的密码进行加密，保护用户密码的安全性。
两类密码体制
三重 DES
使用两个 56 位的密钥。 把一个 64 位明文用一个密钥加密，再用另一个密钥解密，然后再使用第一个
密钥加密，即
Y = DESK1(DES-1K2(DESK1(X)))
（7-3）
K1
明文 E
K2
D
加密
K1
密文 E
K1
密文 D
K2
E
解密
K1
明文 D
2 公钥密码体制
公钥密码体制（又称为公开密钥密码体制）使用不同的加密密钥与解 密密钥，是一种“由已知加密密钥推导出解密密钥在计算上是不可行 的”密码体制。
若 A 要抵赖曾发送报文给 B，B 可将明文和对应的密文出示给第三者
。第三者很容易用 A 的公钥去证实 A 确实发送 X 给 B。 反之，若 B 将 X 伪造成 X'，则 B 不能在第三者前出示对应的密文。
这样就证明了 B 伪造了报文。
具有保密性的数字签名
同时实现秘密通信和数字签名
A 的私钥 SKA B 的公钥 PKB
公钥密码体制产生的主要原因： 1. 常规密钥密码体制的密钥分配问题。 2. 对数字签名的需求。
加密密钥与解密密钥
在公钥密码体制中，加密密钥 PK（public key，即公钥）是向公众 公开的，而解密密钥 SK（secret key，即私钥或秘钥）则是需要保
密的。
加密算法 E 和解密算法 D 也都是公开的。 虽然私钥 SK 是由公钥 PK 决定的，但却不能根据 PK 计算出 SK。
基于公钥的数字签名的实现
A 的私钥 SKA
A 的公钥 PKA
A
明文 X
签名
D 运算 密文 Y
加密算法
互联网
对称密钥密码体制
对称密钥密码体制
对称密钥密码体制是指加密和解密使用相同密钥的密码体制。
这种体制下，发送方和接收方都使用同一个密钥来加密和解密信息。
一些常见的对称密钥密码算法包括DES（数据加密标准）、AES（高级加密标准）等。
在对称密钥密码体制中，密钥的安全性至关重要，因为任何获取了密钥的人都可以解密被加密的信息。
因此，保护密钥的安全就成了一项重要的任务。
在实际应用中，密钥需要通过安全的方式在发送方和接收方之间传输，以防止密钥在传输过程中被窃取。
对称密钥密码体制的优点是加密和解密的速度快，效率高，尤其在需要处理大量数据时，对称加密算法通常是首选。
因为在这种密码体制中，加密和解密使用的是同一套算法，所以处理速度比较快。
然而，对称密钥密码体制也存在一些缺点。
最主要的问题就是密钥管理问题。
在大型网络环境中，每对通信双方都需要一个唯一的密钥进行通信，随着用户数量的增加，需要管理的密钥数量也会大大增加，使得密钥管理变得非常复杂。
另一个问题就是密钥传输问题，如果密钥在传输过程中被窃取，那么信息的安全性就无法得到保证。
因此，在实际应用中，对称密钥密码体制通常与公钥密码体制相结合，
形成混合密码体制。
对称密钥密码体制用于加密实际的消息内容，而公钥密码体制则用于安全地传输对称密钥。
这种混合使用的方式，既利用了对称密钥密码体制的高效性，又解决了密钥传输的问题。
总的来说，对称密钥密码体制是一种重要的密码体制，它在保障信息安全、保护用户隐私等方面发挥着重要作用。
虽然它有一些缺点，但通过合理的设计和使用，我们可以充分利用其优点，使得信息在传输过程中得到有效的保护。
密码学5.1对称密码体制
5.1.补充 S-DES教学算法 补充 教学算法
1. 加密模型 1) 输入输出
8位明文 位明文 p=(p0,p1,…,p7) 10位密钥 位密钥 k=(k0,k1,…,k9)
加密
8位密文 位密文 c=(c0,c1,…,c7)
2) 算法流程
加密 8位明文 位明文 p=(p0,p1,…,p7)
初始置换IP
第三章 对称密码体制
3) 对m2做10位转 位变换 位转8位变换 做 位转 位变换P8 P8=
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑥ ③ ⑦ ④ ⑧ ⑤ ⑩ ⑨
m2=(0 0 0 0 1 1 1 0 0 0) 得子密钥k1=P8(m2)=(1 得子密钥k1=P8(m2)=(1 0 1 0 0 1 0 0) 4) 分别对 左右两个5位码循环左移 次 分别对m2左右两个 位码循环左移 左右两个 位码循环左移2次 m2=(0 0 0 0 1 移位后m3=(0 移位后m3=(0 0 1 0 0 1 1 0 0 0) 0 0 0 1 1)
5.1 分组密码
5.1.1 分组密码概述
分组密码的 分组密码的模型
密钥k=(k0,k1,…,km-1) 密钥 明文 分组 加密E 加密 k (p) 密文 分组 如：01101011 密钥k=(k0,k1,…,km-1) 密钥 解密D 解密 k (c) 明文 分组 p=(p0,p1,…,pn-1) 如：10110101
VI. 将L1与L4进行异或 与 进行异或 L1=(1 0 0 0) L4=(0 1 0 0) L5=L1⊕ L5=L1⊕L4=(1 1 0 0) VII.将L5与R1拼接即得到 位输出 将 与 拼接即得到 拼接即得到8位输出 p3= L5 ‖ R1=(1 1 0 0 0 1 0 0) 3) 对p3进行左右交换 进行左右交换 p4=SW(p3)=(0 1 0 0 1 1 0 0)
计算机网络安全教程第5章课后练习题及答案
课后练习一、填空1．在加密系统中，要加密的信息是（），经过变换加密后，成为（），这个变换的过程就称为（），通常由（）来实现。
2．在大多数的（）算法中，加密和解密密钥是相同的，这些算法也叫做（）。
3．与传统密码体制相对应的是（），即公开密钥密码体制。
加密密钥不同于解密密钥，加密密钥公之于众，而解密密钥只有解密人自己知道，这两个密钥分别称为（）和（）。
4．公开密钥加密系统的一个优点是不仅可以用于信息的保密通讯，而且可以用来（）和（）。
5．为了保证RSA密钥算法密码系统的安全性，最简明有效的做法就是不断增加（）的位数。
二、选择1．DES算法将输入的明文分为（）位的数据分组，使用（）位的密钥进行变换。
A. 24B. 48C. 64D. 1282．下列密码算法，属于非对称性加密算法的是（）。
A. 凯撒密码B. Vigenere密码C.Playfair密码D. RSA算法3．以下密码算法，可以用于数字签名的的是（）。
A.DES/DSAB. Vigenere密码C.Playfair密码D. RSA算法4．PGP采用了（）和传统加密的综合算法，用于数字签名的（）算法、加密前压缩等。
A. AESB. DESC. RSAD. 邮件文摘5．分组密码算法通常由（）和（）两部分组成。
A. 文件压缩算法B. 密钥扩展算法C. 加密/解密算法D. AES算法三、简答1．简要描述什么是“加密”，什么是“解密”。
2．简要描述一下什么是对称密码算法，什么是非对称密码算法。
3．相比较之下，AES算法比DES，有什么优点？4．简要描述一下RSA算法的特点，安全性及其隐患。
5．简述PGP的工作原理及优点。
课后练习答案一、填空1．明文密文加密加密算法2．对称密码算法传统密码算法3．非对称密码体制公钥私钥4．身份验证数字签名5．模n二、选择1．C C2．D3．D4．C D5．B C三、简答1. 网络安全的目的根据需要的不同，有不同的需求，主要体现在网络物理安全需要，网络系统安全需要，网络应用安全需求，网络数据安全的需求，以及网络安全管理方面的需要。
对称密钥体制名词解释
对称密钥体制名词解释
对称密钥体制是一种加密通信方式，使用相同的密钥来对信息进行加密和解密。
在对称密钥体制中，发送者和接收者共享同一个密钥，该密钥只有双方知道，其他人无法得知。
发送方将明文使用密钥加密后进行传输，接收者收到后使用同样的密钥对密文进行解密，从而得到原始的明文信息。
对称密钥体制的优点是加密和解密速度快，但是密钥的安全性有限，需要保证密钥的安全性，同时密钥的管理也是需要考虑的重要问题。
常见的对称密钥算法有DES、AES、RC4等。
对称密钥密码体制的原理和特点
对称密钥密码体制的原理和特点一、对称密钥密码体制的原理1. 对称密钥密码体制是一种加密方式，使用相同的密钥进行加密和解密。
2. 在对称密钥密码体制中，加密和解密使用相同的密钥，这个密钥必须保密，只有合法的用户才能知道。
3. 对称密钥密码体制使用单一密钥，因此在加密和解密过程中速度较快。
4. 对称密钥密码体制中，发送者和接收者必须共享同一个密钥，否则无法进行加密和解密操作。
二、对称密钥密码体制的特点1. 高效性：对称密钥密码体制使用单一密钥进行加密和解密，因此速度较快，适合于大量数据的加密和解密操作。
2. 安全性有限：尽管对称密钥密码体制的速度较快，但密钥的安全性存在一定的风险。
一旦密钥泄露，加密数据可能会遭到破解，因此密钥的安全性对于对称密钥密码体制至关重要。
3. 密钥分发困难：在对称密钥密码体制中，发送者和接收者必须共享同一个密钥，因此密钥的分发和管理可能会存在一定的困难。
4. 密钥管理困难：对称密钥密码体制密钥的管理和分发往往需要借助第三方机构或者密钥协商协议来实现，这增加了密钥管理的复杂性。
5. 广泛应用：尽管对称密钥密码体制存在一定的安全性和管理困难，但由于其高效性，仍然广泛应用于网络通信、金融交易等领域。
对称密钥密码体制是一种加密方式，使用相同的密钥进行加密和解密。
它具有高效性和广泛应用的特点，然而安全性较差并且密钥管理困难。
在实际应用中，需要权衡其优劣势，并采取相应的安全措施来确保其安全性和有效性。
对称密钥密码体制的应用对称密钥密码体制作为一种快速高效的加密方式，在现实生活中有着广泛的应用。
主要的应用领域包括网络通信和数据传输、金融交易、安全存储、以及移动通信等。
1. 网络通信和数据传输在网络通信和数据传输中，对称密钥密码体制被广泛应用于加密数据传输过程。
在互联网传输中，大量的数据需要在用户和服务器之间进行传输，为了保护数据的安全性，对称密钥密码体制被用来加密数据，确保传输过程中数据不被窃取或篡改。
信息安全原理及应用第05章对称密钥密码体制精品PPT课件
15
DES的加密过程
第二步各轮中的加密过程
16
DES的加密过程
第三步：初始置换 IP的逆置换 。 IP1
– 应用初始置换 IP的逆置换 IP1 对 L16R16 进行置换，得 到密文 c ，即 cIP 1(L16R16)。
– 在最后一轮计算之后，将 R16 L16（而非左右部分交换 后的结果 L16R16 ）作为 IP1 的输入，以便DES能够同 时被用于加密和解密。
i
1i16）（16
轮中的计算方法相同）：Li Ri1 ，R iL i 1 f(R i 1,K i)
– 其中，K i 为第i轮使用的子密钥，各 K i 均为 K的一
个置换选择，所有 K i 构成密钥方案。函数 f(X1,X2)
中的变量 X 1 为16位字符串，X 2 为48位字符串， 函
数 f(X1,X2) 输出的结果为32位字符串。
10
DES的产生背景
美国国家标准局（NBS）1973 年公开征求计算机加密算 法标准，要求如下：
• 该算法必须提供较高的安全性； • 该算法必须完全确定并且易于理解； • 该算法的安全性不应依赖于算法本身，而是应该依赖
于密钥； • 该算法必须对所有的用户有效； • 该算法必须适用于各种应用； • 该算法必须能够通过价格合理的电子器件得以实现； • 该算法必须能够有效使用； • 该算法必须能够得以验证； • 该算法必须能够得以出口。
4
分组密码的特点
• 主要优点： – 易于标准化； – 易于实现同步。
• 主要缺点： – 不善于隐藏明文的数据模式、对于重放、插入、删 除等攻击方式的抵御能力不强。
5
分组密码的数学表示
记明文空间和密文空间为
F
信息安全原理及应用：第05章 对称密钥密码体制
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IDEA 算法
IDEA 国际数据加密算法(International Data Encryption Algorithm) – 瑞士联邦理工学院:Xuejia Lai & James Massey , 1990; – 1991 改进,加强了对差分密码分析的抗击能力; – 明文分组与密文分组的长度均为64位,密钥长度为 128位.
21
DES的安全性分析 的安全性分析
DES的安全性完全依赖于密钥,与算法本身没 有关系. 主要研究内容:
– – – – – – 密钥的互补性; 弱密钥与半弱密钥; 密文-明文相关性; 密文-密钥相关性; S-盒的设计; 密钥搜索.
22
密钥的互补性
DES算法具有互补性,即:若c = DESk (m), c 是 c 的补, m 是 m 的补,则 c = DES k (m). 使用DES算法时不要使用互补的密钥, 否则当密码攻击者选择明文攻击时,他 们仅需试验一半密钥.
34
Rijndael算法 算法
由Square算法发展演变而来. 已被美国国家标准技术研究所选定作为高级加密算法 AES. 迭代分组密码算法. 密钥128/192/256,分组128/192/256,循环次数10/12/14. 速度快,对内存要求小,操作简单. 算法的抗攻击能力强.
12
DES算法描述 算法描述
算法设计中采用的基本变换和操作: – 置换(P) 重新排列输入的比特位置. – 交换(SW) 将输入的左右两部分的比特进行互换. – 循环移位 将输入中的比特进行循环移位,作为输出. – 一个复杂变换( fK ) 通常是一个多阶段的乘积变换; 与密钥 Key 相关; 必须是非线性变换; 实现对密码分析的扰乱; 是密码设计安全性的关键.
对称及公钥密码体制概述
公钥密码体制
B 的公钥 PKB
不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ密钥
B 的私钥 SKB
A
加密
明文 X
E 运算 密文 Y 加密算法
互联网
解密
B
密文 Y D 运算 解密算法 明文 X
公开密钥与对称密钥的区别
• 在使用对称密钥时，由于双方使用同样的 密钥，因此在通信信道上可以进行一对一 的双向保密通信，每一方既可用此密钥加 密明文，并发送给对方，也可接收密文， 用同一密钥对密文解密。这种保密通信仅 限于持有此密钥的双方（如再有第三方就 不保密了）。
56位 DES 已不再认为是安全的了。
三重 DES
• 使用两个 56 位的密钥。
• 把一个 64 位明文用一个密钥加密，再用另 一个密钥解密，然后再使用第一个密钥加 密，即Y = DESK1(DES-1K2(DESK1(X)))
K1
明文 E
K2 D
加密
K1
密文 E
K1
密文 D
K2 E
解密
K1
明文 D
L0(32位)
R0(32位)
第1轮计算
… …
L15(32位)
R15(32位)
第 16 轮计算
32 位变换
末置换 IP-1 输出 64 位密文
K1(48位) 56 位 密
K16(48位) 钥
DES 的保密性
• DES 的保密性仅取决于对密钥的保密，其 算法是公开的。
• 目前较为严重的问题是 DES 的密钥的长度。 • 现在已经设计出搜索 DES 密钥的专用芯片。
• 在加密前，先对整个明文进行分组。每一个组长为 64 位。
• 然后对每一个 64 位 二进制数据进行加密处理，产生 一组 64 位密文数据。
对称密钥密码体制的主要特点
对称密钥密码体制的主要特点
对称密钥密码体制⼜称单密钥密码体制，是指加密密钥和解密密钥相同的密码体制。
这种
密码体制的保密性主要取决于对密钥的保密，其加密和解密算法是公开的。
要保证对称密钥密码
体制的安全性，其加密算法必须⾜够复杂，同时其密钥必须保密并且有⾜够⼤的密钥空间，从⽽使得攻击者在截取密⽂和知道加密算法的情况下，仍然⽆法还原出明⽂。
最有影响的对称密钥密码体制是
1977年美国国家标准局颁布的数据加密标准DES。
第5章 对称密钥密码体制
其中：K1=P8(移位(P10(密钥))) K2=P8(移位(移位(P10(密钥)))）
16
•
加密
10bit密钥 P10 移位 P8
解密 8bit明文 IP-1 fk
8bit明文 IP fk
K1
S-DES 方 案 示 意 图
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DES算法算法设计中采用的基本变换和操作
1、置换（P） 重新排列输入的比特位置。 2、交换（SW） 将输入的左右两部分的比特进行互换。 3、循环移位 将输入中的比特进行循环移位，作为输出。 4、一个复杂变换（ fK ） 通常是一个多阶段的乘积变换； 与密钥 Key 相关； 必须是非线性变换； 实现对密码分析的扰乱； 是密码设计安全性的关键。
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映射F(2)
前面4位(矩阵的第一行)输入到S盒S0中得到一个2位的输出，其余4 位(第2行)输入到S1中产生另一个2位输出。两个S盒子定义为：
S0
0 1 2 3
0 1 3 0 3
1 0 2 2 1
2 3 3 2 1 0 1 3 3 2
S1
0 0 0 1 2 2 3 3 2
1 1 0 0 1
2 2 1 1 0
28
DES加密原理示意图
29
DES加密算法的一般描述
30
DES的加密过程（1）
第一步：初始置换IP。 –对于给定的明文m，通过初始置换IP获得 m0 ， 并将 m0 分为两部分，前面32位记为 L0 ， 后面32位记为 R0 ， 0 IP(m) L0 R0 。 m
9
Feistel密码结构基本原理图
10
数据加密标准 DES （ Data Encryption Standard ）
第五章现代对称密钥密码
5、无密钥代换密码： 换字盒 —— S-box 3x2 换字盒 —— S-box
00 01 10 11 S-box
0
1
00
10
10
01
01
11
11
01
输入3位，输出2位： 输入100，输出 10； 输入110，输出 11； 输入010，输出 01 相当于：
输入 输出 0 0 1 2 2 1 3 3 4 2 5 1 6 3 7 1
第五章 现代对称密钥密码
5.1 现代对称密钥密码简介
现代对称密钥密码是针对 “n位二进制数据”的分组对称加密方法。
1972年NBS (National Bureau of Standards) 开 始旨在保护计算机和通信数据的研究项目. 1973年5月，NBS公开征集标准加密算法，要求： 1. 高度安全； 3. 易于理解； 2. 安全性取决于密钥； 4. 适用于所有用户和各种应用 6. 能用电子设备经济地实现； 8. 算法能被证明有效；
R2
L3
R3
L2=R1 R2=L1+f (R1,K)
L4=R3+f (L3,K) =R2+f(R1,K) =L1+f(R1,K)+f(R1,K)=L1 R4= L3=L2= R1
Fistel 结构特点： • 输入分左右（位数相等） • 混合器本身可逆 • 混合函数 f 不可逆 • 加密解密算法相同 fistel函数 f 中含不可逆操作 比如： 压缩置换 —— 压缩Pbox 扩展置换 —— 扩展Pbox 不可逆映射—— 不可逆Sbox 交换器的作用： 若没有交换器，明文的右半部份 将始终不变，解密者可直接得到 右半边的明文。
直接 换位盒
1 2 3 4 5
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LS-1为对左右5位分别循环左移1位
0 1 0 0 1 0 0),K2=(0 1 0 0 0 0 1 1)(LS-1循环左移2位)
Char 7 pp.27
S-DES的加密运算
初始置换用IP函数: 1 2 3 4 5 6 7 8 2 6 3 1 4 8 5 7
(1)初始置换IP(initial permutation) (2)复合函数fk1，它是由密钥K确定的，具有置换和 替换的运算。 (3)交换函数SW (4)复合函数fk2 (5)初始置换IP的逆置换IP-1
DES加密过程：IP-1(f (SW(f k1(IP(明文)))))
k2
其中：K1=P8(移位(P10(密钥))) K2=P8(移位(移位(P10(密钥)))）
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Feistel密码结构基本原理图
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Feistel密码结构参数讨论
脆弱性也就容易一些，因而可以开发出更强的算法。但是DES 并没有容易的分析方法。 Char 7 pp.14
Feistel密码的解密
Feistel密码解密过程本质上与加密过程一致。其规则如下： 将密文作为算法输入，但是逆序使用子密钥Ki。第一轮使用 Kn，第二轮使用Kn-1，直道最后一轮使用K1。
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数据加密标准 DES（Data Encryption Standard ）
发明人：美国IBM公司W. Tuchman 和 C. Meyer 1971-1972年研制成功。
基础：1967年美国Horst Feistel提出的理论
产生：美国国家标准局（NBS)1973年5月到1974 年8月两次发布通告，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。
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S-DES的密钥生成
设10bit的密钥为（k1,k2,k3,k4,k5,k6,k7, k8,k9,k10) 置换P10是这样定义的 P10(k1,k2,…,k10)=(k3,k5,k2,k7,k4,k10,k1,k9,k8,k6) 相当于 P10= P8=
1 2 3 4 P85 6 7 8 按照上述条件,若K选为(1010000010), 产生的两个子密钥分别为K1=(1 6 3 7 4 8 5 10 9
SK是子密钥，⊕按位异或函数。
设IP置换的输出为(10111101),F(1101,SK)=(1110),因(1011) ⊕(1110)=(0101), 所以fk (11101)=(01011101)。
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映射F(1)
映射F的输入是4位二进制数(n1,n2,n3,n4)。第一个操作是扩展和置换操 作：4 ，1，2，3，2，3，4，1
S-DES方案示意图
IP: 预定义的初始置换;fk包含置换)替代操作且依赖于密钥的变 换；SW:将输入的数据进行高四位和低四位交换;IP-1:IP的 逆置换。
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S—DES是子秘钥生成
S—DES是子秘钥生成：对10bit密钥先经过一个置 换(P10)，然后进行一次移位操作。移位操作的输 出通过一个置换函数(P8)后就产生了用作第一个子 密钥(K1)的8bit输出。上面移位操作的输出再经过 一次置换产生第二个子密钥(K2)。
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第5章称密钥密码体制—分组密码
本章大纲
5.1 原理及设计原则
5.2 Feistel密码结构
5.3数据加密
5.4其他分组密码
5.5分组密码的工作模式
5.6攻击分组密码的典型方法
5.7本章小结
一般所说的分组密码为无数据扩展与压缩的分组密 码。
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分组密码的数学表示
一个分组密码实质上是一种映射。记明文空间和密文 空间为 F (明文与密文分组的长度均为m），密钥 空间为 S ( S 是的 F 子集，r为密钥长度）：
m 2
k
k
r 2
密钥k下的加密函数为 E(, k ) ，m表示待加密的信息， k为密钥，则可将该映射记为 E : F S F ，这个映射 应满足： k S E(, k)，是 F 到F 的一个置换；
标准化：DES算法1975年3月公开发表，1977年1 月15日由美国国家标准局颁布为数据加密标准 （Data Encryption Standard），于1977年7月15 日生效。 Char 7 pp.19
DES
DES加密算法的背景（2）
美国国家安全局（NSA, National Security Agency)参 与了美国国家标准局制定数据加密标准的过程。NBS接受 了NSA的某些建议，对算法做了修改，并将密钥长度从 LUCIFER方案中的128位压缩到56位。
即n4 n1
n2 n3
n2
n4
n3
n1
8位子密钥K1=(k11,k12,k13,k14,k15,k16,k17,k18)与之异或运算后得到 n4+k11 n1+k12 n2+k13 n3+k14 n2+k15 将其记为： p0,0 p1,0 n3+k16 p0,1 p1,1 n4+k17 p0,2 p1,2 n1+k18 p0,3 p1,3
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Fesi密码加解密相等证明
加密最后一轮输出是RE16||LE16，作为解密第一轮输入，证明解密过程 第一轮的输入等于加密过程第十六轮输出左右部分32比特互换。
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分组密码的特点
主要优点：
易于标准化； 易于实现同步。
主要缺点：
不善于隐藏明文的数据模式、对于重放、插入、删 除等攻击方式的抵御能力不强。 可以用流密码的设计思想，在加密过程中采用合理的记 忆组件，来消除这些局限性。
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分组密码的基本模型
m 2 k m 2
k
m 2
m 2
密钥k下的解密函数记为
D(, k )
，它是
E (, k )
的逆。
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分组密码的设计原则 （1）
1、安全性角度： (1)“混乱原则” (扰乱):避免密码分析者利用明文与密文之间的依赖 关系进行破译，密码的设计应该保证这种依赖关系（密文的统计 特性与加密密钥的取值间）足够复杂。(通过复杂的替代算法实 现) 混乱：尽可能使密文和加密密钥间的统计关系更加复杂，以阻止 攻击者发现密钥。 (2)“扩散原则” :避免密码分析者对密钥逐段破译,应保证密钥的每位 数字能够影响密文中的多位数字;为了避免密码分析者利用明文 的统计特性,密码的设计应该保证明文的每位数字能够影响密文 中的多位数字,从而隐藏明文的统计特性。 扩散：使明文的统计特性消失在密文中，可以让每个明文数字尽 可能地影响多个密文数字的获得，即每个密文数字被多个多个明 文数字影响。 (3)乘积密码是比较有效的方法。乘积密码是指使用两个或两个以上 Char 7 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。 pp.9
分组密码的设计原则 （2）
2、可实现性角度：
应该具有标准的组件结构(子模块），以适应超大 规模集成电路的实现。
分组密码的运算能在子模块上通过简单的运算进行。
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5.2 Feistel密码结构
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5.1 原理及设计原则
分组密码
流（序列）密码：对数字数据流一次加密一位或一 字节的密码。 分组密码： 一个明文分组被当作一个整体来产生一 个等长的密文分组的密码（DES）。
密文中的每位数字不仅仅与某时刻输入的明文数字 有关，而是与该明文中一定组长的明文数字有关。
密钥 K
明文 x 密文 y
密钥 K
明文 x
加密
解密
分组密码基本模型中，明文x=(x1,x2,„,xm)为分组 长度为m的序列，密文y=(y1,y2,„,yn)为分组长度 为n的序列加解密过程由密钥k=(k1,k2,„,kr)控制。
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分组密码的分类
明文为分组长度为m的序列，密文为分组长度为n的 序列： n>m，称其为有数据扩展的分组密码； n<m，称其为有数据压缩的分组密码； n=m，称其为无数据扩展与压缩的分组密码。
5.3 数据加密标准(DES)
数据加密标准 DES（Data
Encryption Standard ）
目前使用最广泛的加密方法都是基于1977年被美国标 准局作为第46号联邦信息处理标准而采用的数据加密 标准DES。DES中数据以64bit分组进行加密，密钥长度 作为56bit。加密算法经过一系列的步棸把64位的输入 变换为64bit的输出，解密过程中使用同样的步棸和同 样的密钥。 明文和密文的长度均为64位，有效密钥长度为56位 （实际采用64位密钥，其中8位作为奇偶校验位）。
IP=
末端算法的置换为IP的逆置换: 1 2 3 4 5 6 7 8
-1= 4 1 3 5 7 IP 易见IP-1(IP(X))=X
2 8 6
明文11110011,IP(11110011)=10111101