Lecture05_对称密码体制
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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)。
对称密码体制
实例二：对压缩文档解密
• 任务描述：
李琳同学在电脑里备份了一份文档，当时 出于安全考虑，所以加了密码，时间久了，密 码不记得了。请帮李琳同学找回密码。
实例二：对压缩文档解密
• 任务分析：
WinRAR对文档的加密方式属于对称性加 密，即加密和解密的密码相同，这种文档的解 密相对来说比较简单，网上有很多专用工具， 可以实现密码的硬解。
推荐：RAR Password Unlocker
实例二：对压缩文档解密
• 操作步骤：
– （1）启动软件； – （2）打开加密的文件； – （3）单击“STRAT”按钮，开始解密； – （4）弹出结果对话框，找到密码。
实例三：Office文档加密
• 操作步骤：
– （1）启动word；
– （2）文件——另存为；
走进加密技术
对称密码体制
知识回顾
• 密码技术的发展经历了三个阶段
• 1949年之前 密码学是一门艺术 (古典密码学) • 1949～1975年 密码学成为科学 • 1976年以后 密码学的新方向
传 统 加 密 方 法
(现代密码学)
——公钥密码学
密码体制
• 密码体制也叫密码系统，是指能完整地解
决信息安全中的机密性、数据完整性、认
小结
对称密码体制 对称密码体制也称为单钥体制、私钥体制或对 称密码密钥体制、传统密码体制或常规密钥密码体 制。 主要特点是：加解密双方在加解密过程中使用 相同或可以推出本质上等同的密钥，即加密密钥与 解密密钥相同，基本原理如图所示。
– （3）文件类型为：2003-07文档； – （4）单击“工具”选择“常规选项”； – （5）设置文档打开密码，存盘。
实例四：Office文档解密
对称密码体制
32位
置换
32位
32位
Li
Ri
左32位
右32位
Ri-1
Li-1
模2加
+++++...++++++
乘积变换中旳一次迭代
A
32位
32 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9 8 9 10 11 12 1312 13 14 15 16 1716 17 18 19 20 2120 21 22 23 24 2524 25 26 27 28 2928 29 30 31 32 1
Ki(48位)
置换选择2
加密函数(A,Ki)
A(32位)
加密时A=Ri;解密时A=Li;
48位成果
Ki
+
选择函数组(S1~S8)
32位成果
(A,Ki)
置换运算P
32位
L0R0 ←IP(明文)L1←R0 R1← L0(R0,K1)L2←R1 R2← L1(R1,K2)……L16←R15 R16← L15(R15,K16)密文← IP-1(R16L16)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 71 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 82 4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 03 15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
加密函数f(A,Ki)
A(32位)
加密时A=Ri-1
48位成果
48位Ki
+
置换
32位
32位
Li
Ri
左32位
右32位
Ri-1
Li-1
模2加
+++++...++++++
乘积变换中旳一次迭代
A
32位
32 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9 8 9 10 11 12 1312 13 14 15 16 1716 17 18 19 20 2120 21 22 23 24 2524 25 26 27 28 2928 29 30 31 32 1
Ki(48位)
置换选择2
加密函数(A,Ki)
A(32位)
加密时A=Ri;解密时A=Li;
48位成果
Ki
+
选择函数组(S1~S8)
32位成果
(A,Ki)
置换运算P
32位
L0R0 ←IP(明文)L1←R0 R1← L0(R0,K1)L2←R1 R2← L1(R1,K2)……L16←R15 R16← L15(R15,K16)密文← IP-1(R16L16)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 71 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 82 4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 03 15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
加密函数f(A,Ki)
A(32位)
加密时A=Ri-1
48位成果
48位Ki
+
Lecture05_对称密码体制
使用与明文分组规模相同的计数器长度 处理效率高（并行处理） 预处理可以极大地提高吞吐量 可以随机地对任意一个密文分组进行解密处理， 对该密文分组的处理与其它密文无关 实现的简单性 适于对实时性和速度要求较高的场合
20
输出反馈（OFB）模式
加密 IV 移位寄存器 64-j 密钥 j 移位寄存器 64-j j 移位寄存器 64-j j
m (m0, m , m2, mL1) , 1
明文分组
k (k0 , k1, k2 ,, kt 1)
k (k0 , k1, k2 ,, kt 1)
图5-1 分组密码原理框图
2
对分组密码算法的要求
分组长度足够大
密钥量足够大 密码变换足够复杂
3
分组密码原理
扩散
就是将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，以便隐藏明文的统计特性。
加密 选择丢弃处理 j P1 64-j P2
加密 选择丢弃处理 j 64-j PN
加密 选择丢弃处理 j 64-j
⊕
⊕
⊕
密文分组C1
密文分组C2
密文分组CN
密文分组C1 P1
密文分组C2 P2 64-j
密文分组CN PN 64-j
⊕
j 选择丢弃处理 加密
⊕
j 选择丢弃处理 加密
⊕
j 64-j 选择丢弃处理 加密
A
解密D
B
加密E
C
（2）DES－EDE3模式 K1 K2 K1
P
加密E
A
加密E
B
加密E
C
（3）DES－EEE2模式 K1 K2 K1
P
加密E
A
20
输出反馈（OFB）模式
加密 IV 移位寄存器 64-j 密钥 j 移位寄存器 64-j j 移位寄存器 64-j j
m (m0, m , m2, mL1) , 1
明文分组
k (k0 , k1, k2 ,, kt 1)
k (k0 , k1, k2 ,, kt 1)
图5-1 分组密码原理框图
2
对分组密码算法的要求
分组长度足够大
密钥量足够大 密码变换足够复杂
3
分组密码原理
扩散
就是将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，以便隐藏明文的统计特性。
加密 选择丢弃处理 j P1 64-j P2
加密 选择丢弃处理 j 64-j PN
加密 选择丢弃处理 j 64-j
⊕
⊕
⊕
密文分组C1
密文分组C2
密文分组CN
密文分组C1 P1
密文分组C2 P2 64-j
密文分组CN PN 64-j
⊕
j 选择丢弃处理 加密
⊕
j 选择丢弃处理 加密
⊕
j 64-j 选择丢弃处理 加密
A
解密D
B
加密E
C
（2）DES－EDE3模式 K1 K2 K1
P
加密E
A
加密E
B
加密E
C
（3）DES－EEE2模式 K1 K2 K1
P
加密E
A
对称密码体制PPT课件
64比特
左移j比特
….
明文：0000000000000001 密钥： 22234512987ABB23 密文：0A4ED5C15A63FEA3
2）完全效应 指密文中的每个比特都由明文的许多比特决定。由
DES中的扩展和S盒产生的扩散和混淆作用表明了强烈的 完全效应。
2、设计标准 （1）S盒的设计
• 每一行的元素都是从0-15的置换。 • S盒是非线性的。 • 如果改变输入的一个比特，输出中的两个或更多比特会改变。 • 如果一个S盒的两个输入只有中间两个比特不同（第3和第4个比特），输出中至少有两个比特
P=DK1(DK2(C))
2.三重DES（以被广泛采用）
优点：能对付中途攻击。密钥长度为168bit
即用两个56位的 密钥K1、K2，发 送方用K1加密， K2解密，再使用 K1加密。接收方 则使用K1解密， K2加密，再使用 K1解密，其效果 相当于将密钥长 度加倍。
5 应用模式
电子密码本 ECB (electronic codebook
由于DES算法完全公开，其安全性完全依赖于对密钥的保护，必须有可 靠的信道来分发密钥。如采用信使递送密钥等。因此，它不适合在网络 环境下单独使用。
4 DES的变形
1.两重DES
双重DES密钥长度 为112bit,密码强 度似乎增强了一 倍，但问题并非 如此。
C=EK2(EK1(P))
双重DES易 受中途攻击
在每轮开始将输入的64比特数据分 成左、右长度相等的两半，将右半 部分原封不动地作为本轮输出的64 比特数据的左半部分，同时对右半 部分进行一系列的变换，即用轮函 数作用右半部分，然后将所得结果 （32比特数据）与输入数据的左半 部分进行逐位异或，将所得数据作 为本轮输出的64比特数据的右半部 分。
对称密码体制
对称密码体制对称密码体制是一种有效的信息加密算法，它尝试在满足基本安全约束的同时提供最大的加密强度和性能。
它是最常用的信息加密类型之一，甚至在金融机构、政府机构、企业以及个人之间都被广泛使用。
对称密码体制通过使用单个密钥（称为“秘密密钥”）来确保信息的安全传输和接收，而无需在发送方和接收方之间共享保密信息。
这一密钥的特点在于，既可以用来加密信息，也可以用于解密信息。
由于秘密密钥是由发送方和接收方共同拥有，因此不需要额外的通信，也无需额外的身份验证。
在使用对称密码体制时，发送方必须在发送数据之前将其加密，而接收方则必须使用相同的密钥对数据进行解密，以此来识别发送方。
然而，有一种特殊情况除外，即发送方可以使用密钥来加密消息，而接收方可以使用相同的密钥来解密消息，而无需在发送方和接收方之间共享信息。
在实际使用中，对称密码体制有三种形式：数据加密标准（DES）、高级加密标准（AES）和哈希密码（HMAC）。
其中，DES是一种最常用的对称密码体制，它采用了比较古老的56位密钥来加密数据，并且它的加密强度受到比较严格的限制。
而AES是一种更新的，比DES更安全的对称加密算法，它使用128位或256位密钥，并且可以提供更强的安全性和性能。
最后，HMAC是一种哈希加密算法，它使用128位或256位密钥来确保信息的完整性和真实性，同时也可以使用相同的密钥来加密和解密数据。
对称密码体制是一种有效的信息加密算法，它在满足基本安全约束的同时还能提供最大的加密强度和最高的性能。
它是最常用的信息加密类型之一，甚至在金融机构、政府机构、企业以及个人之间都被广泛使用，并且有三种形式：数据加密标准（DES）、高级加密标准（AES）和哈希密码（HMAC），可以满足各种要求。
其中，AES可以提供更高的安全性和性能，而HMAC可以确保信息的完整性和真实性，因此在实际应用中，对称密码体制也被广泛应用。
对称密码体制在许多领域都有着广泛的应用，尤其是在安全传输方面。
《对称加密体制》PPT课件_OK
• 64位明文首先经过初始置换IP(Initial Permutation),将数据打 乱重新排列并分成左右两半。左边32位构成L0，右边32位构 成R0
• 由加密函数f实现子密钥K1对R0的加密，结果得32位的数据 组f(R0, K1)。 f(R0, K1)再与L0模2相加，又得到一个32位的数 据组作为第二次加密迭代的R1，以R0作为第二次加密迭代的 L1。至此，第一次加密迭代结束。
胜为此而在全球范围内角逐了数年的激烈竞争宣告结束这一新加
密标准的问世将取代DES数据加密标准成为21世纪保护国家敏感
信息的高级算法.
26
思考题
27
一个通信游戏
• 两个朋友Alice和Bob想在晚上一起外出，但是他们定不下是去电影院还是歌剧院。于是， 他们达成了一个通过掷硬币来决定的协议。
• Alice拿着硬币对Bob说：“你选择一面，我来抛”Bob选择后，Alice把硬币抛向空中。 然后他们都注视硬币，如果Bob选择的那一面朝上，则他可以决定要去的地方，否则由 Alice决定。
• 1997年1月28日，美国的RSA数据安全公司在RS A安全年会上公布了一项“秘密密钥挑战”竞 赛，其中包括悬赏1万美元破译密钥长度为56 比特的DES。美国克罗拉多洲的程序员Verser 从1997年2月18日起，用了96天时间，在Internet 上数万名志愿者的协同工作下，成功地找到了 DES的密钥，赢得了悬赏的1万美元。
• 1999年3月22日举行了第二次AES候选会议从中选出5个AES将成为 新的公开的联邦信息处理标准
• 入选AES的五种算法是MARS RC6 Serpent Twofish Rijndael
• 2000年10月2日美国商务部部长Norman Y. Mineta宣布经过三年来
• 由加密函数f实现子密钥K1对R0的加密，结果得32位的数据 组f(R0, K1)。 f(R0, K1)再与L0模2相加，又得到一个32位的数 据组作为第二次加密迭代的R1，以R0作为第二次加密迭代的 L1。至此，第一次加密迭代结束。
胜为此而在全球范围内角逐了数年的激烈竞争宣告结束这一新加
密标准的问世将取代DES数据加密标准成为21世纪保护国家敏感
信息的高级算法.
26
思考题
27
一个通信游戏
• 两个朋友Alice和Bob想在晚上一起外出，但是他们定不下是去电影院还是歌剧院。于是， 他们达成了一个通过掷硬币来决定的协议。
• Alice拿着硬币对Bob说：“你选择一面，我来抛”Bob选择后，Alice把硬币抛向空中。 然后他们都注视硬币，如果Bob选择的那一面朝上，则他可以决定要去的地方，否则由 Alice决定。
• 1997年1月28日，美国的RSA数据安全公司在RS A安全年会上公布了一项“秘密密钥挑战”竞 赛，其中包括悬赏1万美元破译密钥长度为56 比特的DES。美国克罗拉多洲的程序员Verser 从1997年2月18日起，用了96天时间，在Internet 上数万名志愿者的协同工作下，成功地找到了 DES的密钥，赢得了悬赏的1万美元。
• 1999年3月22日举行了第二次AES候选会议从中选出5个AES将成为 新的公开的联邦信息处理标准
• 入选AES的五种算法是MARS RC6 Serpent Twofish Rijndael
• 2000年10月2日美国商务部部长Norman Y. Mineta宣布经过三年来
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。
《对称密钥密码体系》课件
《对称密钥密码体 系》PPT课件
目 录
• 对称密钥密码体系概述 • 对称密钥密码体系的基本原理 • 对称密钥密码体系的分类 • 对称密钥密码体系的应用 • 对称密钥密码体系的挑战与解决方案 • 对称密钥密码体系的未来展望
01
对称密钥密码体系概述
定义与特点
定义
对称密钥密码体系是一种加密方式，使用相同的密钥进行加 密和解密。
分组密码
01
分组密码是一种对称密钥密码体系，它将明文分成 固定长度的块，然后对每个块进行加密。
02
分组密码的优点在于其安全性较高，能够抵御各种 攻击。
03
常见的分组密码算法包括DES、AES和IDEA。
块密码
01
块密码是一种对称密钥密码体系，它将明文分成固定
长度的块，然后对每个块进行独立的加密。
对称密钥密码体系的优点
对称密钥密码体系可以提供较高的身份认证安全性，因为 只有知道秘密密钥的用户才能通过认证。由于不需要在网 络中传输用户的敏感信息，对称密钥密码体系可以保护用 户的隐私。
对称密钥密码体系的局限性
对称密钥密码体系需要用户和服务器之间共享秘密密钥， 因此需要在安全的环境中传输和存储秘密信息。如果秘密 信息泄露或被篡改，身份认证的安全性将受到威胁。此外 ，对于大型网络环境，管理大量的共享秘密密钥是一项挑 战。
密体系。
02
对称密钥密码体系的基本 原理
加密算法
对称加密算法
加密和解密使用相同密钥的算 法。常见的对称加密算法有AES
、DES等。
加密过程
明文通过加密算法和密钥转换 成密文，这一过程由发送方执 行。
解密过程
密文通过解密算法和相同的密 钥还原成明文，这一过程由接 收方执行。
目 录
• 对称密钥密码体系概述 • 对称密钥密码体系的基本原理 • 对称密钥密码体系的分类 • 对称密钥密码体系的应用 • 对称密钥密码体系的挑战与解决方案 • 对称密钥密码体系的未来展望
01
对称密钥密码体系概述
定义与特点
定义
对称密钥密码体系是一种加密方式，使用相同的密钥进行加 密和解密。
分组密码
01
分组密码是一种对称密钥密码体系，它将明文分成 固定长度的块，然后对每个块进行加密。
02
分组密码的优点在于其安全性较高，能够抵御各种 攻击。
03
常见的分组密码算法包括DES、AES和IDEA。
块密码
01
块密码是一种对称密钥密码体系，它将明文分成固定
长度的块，然后对每个块进行独立的加密。
对称密钥密码体系的优点
对称密钥密码体系可以提供较高的身份认证安全性，因为 只有知道秘密密钥的用户才能通过认证。由于不需要在网 络中传输用户的敏感信息，对称密钥密码体系可以保护用 户的隐私。
对称密钥密码体系的局限性
对称密钥密码体系需要用户和服务器之间共享秘密密钥， 因此需要在安全的环境中传输和存储秘密信息。如果秘密 信息泄露或被篡改，身份认证的安全性将受到威胁。此外 ，对于大型网络环境，管理大量的共享秘密密钥是一项挑 战。
密体系。
02
对称密钥密码体系的基本 原理
加密算法
对称加密算法
加密和解密使用相同密钥的算 法。常见的对称加密算法有AES
、DES等。
加密过程
明文通过加密算法和密钥转换 成密文，这一过程由发送方执 行。
解密过程
密文通过解密算法和相同的密 钥还原成明文，这一过程由接 收方执行。
对称密码体制的原理
对称密码体制的原理
对称密码体制是指使用相同的密钥进行加密和解密的密码算法。
其原理基于异或运算和分组加密算法。
在对称密码体制中，发送方和接收方之间共享一个密钥，该密钥被用来对数据进行加密和解密。
加密使用密钥对数据进行加密，解密则使用相同的密钥对数据进行解密。
密钥的加密和解密使用异或运算，即将要加密或解密的数据与密钥进行异或运算，得到一个新的比特序列，该比特序列作为新的密钥，再次用于加密或解密。
分组加密算法是将数据分成若干组，每组数据使用密钥进行加密，从而实现数据的安全性。
常用的分组加密算法有 DES、3DES、AES 等。
对称密码体制具有高效、安全、易于实现等优点，被广泛运用于网络通信、电子邮件等领域。
对称加密体制的名词解释
对称加密体制的名词解释
对称加密体制，也称为对称密码，是指在加密和解密时使用同一密钥的加密方式。
其本质是设计一种算法，能在秘钥的控制下，把n位明文简单而又迅速地置换成唯一的n位密文，并且这种变换是可逆的。
现代的密码都是建立在计算机的基础之上的，这是因为现代的密码所处理的数据量非常大，而且密码算法也非常复杂，不借助计算机的力量就无法完成加密和解密的操作。
此外，对称加密体制可以分为两种类型：分组密码和序列密码（或称流密码）。
分组密码是将明文分为许多分组，每个分组被当成一个整体来产生一个等长的密文分组，通常使用的是64/128位分组大小。
而序列密码则是每次加密数据流中的一位或一字节。
以上内容仅供参考，如需更专业全面的信息，建议咨询密码学专家或查阅相关文献资料。
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
对称加密体制
place”。
DES算法具有比较高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对 DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。如果一台计算 机的速度是每一秒种检测一百个密钥，则它搜索完全部密钥就需 要将近2285年的时间，可见，一般情况下，这是难以实现的，当 然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑 把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。
志愿者加入到计划中，在计划实施的第96天，即挑战赛计划公布的第
140天，1997年6月17日晚上10点39分，美国盐湖城Inetz公司的职员 Michael Sanders成功地找到了密钥，在计算机上显示了明文：“The
unknown message is: Strong cryptography makes the world a safer
IDEA算法的密钥长度为128位。设计者尽最大努力使该算法不受差 分密码分析的影响，数学家已证明IDEA算法在其8圈迭代的第4圈 之后便不受差分密码分析的影响了。假定穷举法攻击有效的话， 那么即使设计一种每秒种可以试验10亿个密钥的专用芯片，并将 10亿片这样的芯片用于此项工作，仍需1013年才能解决问题；另 一方面，若用1024片这样的芯片，有可能在一天内找到密钥，不 过人们还无法找到足够的硅原子来制造这样一台机器。目前，尚 无一片公开发表的试图对IDEA进行密码分析的文章。因此，就现 在来看应当说IDEA是非常安全的。
44 12 52 20 60 28 35 3 42 10 50 18 58 26 33 1
45 13 53 21 61 29
43 11 51 19 59 27 41 9 49 17 57 25
逆置换表IP-1
4) 子密钥Ki的计算
DES算法具有比较高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对 DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。如果一台计算 机的速度是每一秒种检测一百个密钥，则它搜索完全部密钥就需 要将近2285年的时间，可见，一般情况下，这是难以实现的，当 然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑 把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。
志愿者加入到计划中，在计划实施的第96天，即挑战赛计划公布的第
140天，1997年6月17日晚上10点39分，美国盐湖城Inetz公司的职员 Michael Sanders成功地找到了密钥，在计算机上显示了明文：“The
unknown message is: Strong cryptography makes the world a safer
IDEA算法的密钥长度为128位。设计者尽最大努力使该算法不受差 分密码分析的影响，数学家已证明IDEA算法在其8圈迭代的第4圈 之后便不受差分密码分析的影响了。假定穷举法攻击有效的话， 那么即使设计一种每秒种可以试验10亿个密钥的专用芯片，并将 10亿片这样的芯片用于此项工作，仍需1013年才能解决问题；另 一方面，若用1024片这样的芯片，有可能在一天内找到密钥，不 过人们还无法找到足够的硅原子来制造这样一台机器。目前，尚 无一片公开发表的试图对IDEA进行密码分析的文章。因此，就现 在来看应当说IDEA是非常安全的。
44 12 52 20 60 28 35 3 42 10 50 18 58 26 33 1
45 13 53 21 61 29
43 11 51 19 59 27 41 9 49 17 57 25
逆置换表IP-1
4) 子密钥Ki的计算
5、第五讲 对称分组密码(下-工作模式)
最简单,最常用
X = 45086273 (X×7654321 + 1) mod 108 = 345104806235634 mod 108 new X = 06235634 Simple, fastest For 32-bit words, the period can reach 232 Insecure, the formula can be worked out from output Fails in many tests Sufficiently random for many applications
安全信道
密钥 K＝<Ke , Kd>
一、密钥管理的概念
• 密码体制的安全应当只取决于密钥的安全， 密码体制的安全应当只取决于密钥的安全， 而不取决与对密码算法的保密。 而不取决与对密码算法的保密。 • 密钥管理包括密钥的产生、存储、分配、组 密钥管理包括密钥的产生、存储、分配、 使用、停用、更换、 织、使用、停用、更换、销毁等一系列技术 问题。 问题。 • 每个密钥都有其生命周期，要对密钥的整个 每个密钥都有其生命周期， 生命周期的各个阶段进行全面管理。 生命周期的各个阶段进行全面管理。 • 密码体制不同，密钥的管理方法也不同。 密码体制不同，密钥的管理方法也不同。
Computer simulation 模拟 Software testing 软件测试
Generating testing data
Randomized algorithms 随机化算法
Avoiding worst cases
伪随机数和序列
在许多密码机制中，随机数生成都是一个重 要的要素。例如，加密变换的密钥必须以一 种不可被敌手预测的方式产生。而生成一个 随机密钥通常涉及随机数或随机比特序列的 选择。 绝大多数真随机序列源都来自物理方法，产 生它们的代价大，速度慢。为此使用伪随机 序列：按一种确定的方式从一个称为种子的 较短序列来构造的序列。通常生成算法是公 开的，但种子除了生成序列的实体外不被人 所知。
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33 15 30 22 37 29 12 4
CO（28位）
DO（28位）
14 3 23 16 41 30 44 46
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
分组长度 密钥长度 迭代轮数 子密钥生成算法 轮函数
分组密码的操作模式
电子密码本（ECB）模式 密码分组链接（CBC）模式 计数器（CRT）模式 输出反馈（OFB）模式 密码反馈（CFB）模式
ECB模式
加密 明文分组P1 明文分组P2 明文分组PN
密钥
加密
加密
加密
5
3
8
4
1
14
8
13
6
2
11 15 12
9
7
3
10
5
0
15 12
8
2
4
9
1
7
5
11
3
14 10
0
6
13
10 （2）
首尾两位
101100
中间四位
S1
0 1 2 3
0 1 2 14 4 13 0 15 7 4 1 14 15 12 8
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8 2 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
第1轮
R1
Ki XOR F
Li
第i轮
Ri
Kn XOR F
Li Ri 1 (i 1, 2,, n)
Ri Li 1 F ( Ri 1 , Ki )(i 1, 2,, n)
Ln
第n轮
Rn
Ln+1
Rn+1
w位 密文
w位
图5－6 Feistel密码结构
Li
Ri
Li
Ri
F
Ki+1
加密 明文分组P1 IV 密钥 明文分组P2 明文分组PN
⊕
加密
⊕
加密
⊕
加密
密文分组C1
密文分组C2
密文分组CN
密文分组C1 密钥 IV
密文分组C2
密文分组CN
解密
解密
解密
⊕
明文分组P1
⊕
明文分组P2 解密 图？ 电码本模式 图5-10 密码分组链接模式
⊕
明文分组PN
CBC模式的特点
同一个明文分组重复出现时产生不同的密文分 组 加密函数的输入是当前的明文分组和前一个密 文分组的异或；对每个分组使用相同的密钥。 将明文分组序列的处理连接起来了。每个明文 分组的加密函数的输入与明文分组之间不再有 固定的关系 有助于将CBC模式用于加密长消息
解密算法
m (m0, m , m2, mL1) , 1
明文分组
k (k0 , k1, k2 ,, kt 1)
k (k0 , k1, k2 ,, kt 1)
图5-1 分组密码原理框图
对分组密码算法的要求
分组长度足够大 密钥量足够大 密码变换足够复杂
分组密码原理
扩散
24 23 22 21 20 19 18 17
64 63 62 61 60 59 58 57
32 31 30 29 28 27 26 25
输出（64位）
图5-17 逆初始置换（IP－1）
Li-1(32位）
Ri-1(32位）
F 变 换
扩展变换E
48位
＋
48位
48位 Ki
密 钥 产 生 器
选择压缩变换 S盒代替
CTR模式
加密 计数器CTR＋1 密钥 P1 计数器CTR＋2 计数器CTR＋N 加密 加密 P2 加密 PN
⊕
⊕
⊕
密文分组C1
密文分组C2
密文分组CN
密文分组C1 P1 密钥
密文分组C2 P2
密文分组CN PN
⊕
加密
⊕
加密
⊕
加密
计数器CTR＋1
计数器CTR＋2 解密
计数器CTR＋N
图5-11 计数器模式
3 7 11 15 19 23 27 31
4 8 12 16 20 24 28 32
5 9 13 17 21 25 29 1
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
输出（48位）
逆初始置换IP－1 输出
图5-15 DES的加密计算
输入（64位）
58 60 62 64 57 59 61 63
50 52 54 56 49 51 53 55
42 44 46 48 41 43 45 47
34 36 38 40 33 35 37 39
26 28 30 32 25 27 29 31
18 20 22 24 17 19 21 23
缺点：
– 处理速度相对较慢，特别是对于软件实现。 – 明文分组的长度仍为64位，就效率和安全性而言，
与密钥的增长不相匹配。
§5－3
高级加密标准（AES）
1997年9 月12日：美国NIST提出征集该算法的 公告 1998 年8 月20 日：NIST 召开了第一次候选大 会，并公布了15 个候选算法 1999年3月22日：NIST从15个候选算法中公布 了5个进入第二轮选择：MARS，RC6， Rijindael，SERPENT和Twofish 2000年10月2日：以安全性、性能、大小、实 现特性为标准而最终选定了Rijndael算法 2001年：正式发布AES标准
输出（32位）
图5-19 扩展变换E
图5-20 P变换
Ri－1（32位） E
48位
+
S1 S2 S3 S4 S5
密钥Ki（48位）
S6
S7
S8
P
32位 图5-21 F(Ri-1,Ki)函数的计算
S1盒的定义
S1
14
4
13
1
2
15 11
8
3
10
6
12
5
9
0
7
0
15
7
4
14
2
13
1
10
6
12 11
9
加密E
C
（2）DES－EDE3模式 K1 K2 K1
P
加密E
A
加密E
B
加密E
C
（3）DES－EEE2模式 K1 K2 K1
P
加密E
A
解密D
B
加密E
C
（4）DES－EDE2模式
图5-26 3DES的使用模式
3DES的优、缺点
优点：
– 密钥长度增加到112位或168位，可以有效克服穷举
搜索攻击； – 相对于DES，增强了抗差分分析和线性分析的能力； – 具备继续使用现有的DES实现的可能。
图5-24 置换选择1
密钥（48位）
图5-25 置换选择2
循环左移位
轮 1 序 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
移 位 数
1
1
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
1
K1
K2
K3
P
加密E
A
加密E
B
加密E
C
（1）DES－EEE3模式 K1 K2 K3
P
加密E
A
解密D
B
输出（4位）：0010
图5-22 使用S盒的一个例子
64位密钥
置换选择1
C0（28位） 循环左移
D0（28位） 循环左移
C1（28位）
D1（28位） （56位） 置换选择2 k1 （48位）
循环左移
循环左移
Ci（28位）
Di（28位） （56位） 置换选择2
ki （48位）
图5－23 DES的轮密钥生成
Rijndael 算法是由两位比利时的密码专家发明 的，它很快而且所需的内存不多，这个算法非 常可靠
Rijndael 算法的设计策略是宽轨迹策略, 是针对 差分分析和线性分析提出来的，是一个分组迭 代密码，具有可变的分组长度和密钥长度
10 12 14 16 9 11 13 15
2 4 6 8 1 3 5 7
输出（64位）
图5-16 初始置换（IP）
输入（64位）
40 39 38 37 36 35 34 33
8 7 6 5 4 3 2 1
48 47 46 45 44 43 42 41
16 15 14 13 12 11 10 9
56 55 54 53 52 51 50 49
§5－2
数据加密标准（DES）
DES的加密处理略图
输入 初始置换
L0
R0
+
L1=R0
F
K1
R1=L0+F(R0,K1)
+