第四五讲 分组密码
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分组密码体制简介
分组密码体制简介分组密码体制也具有简捷、快速的特点，并且容易标准化，使其成为软硬件加密的主流算法。
目前主流的分组密码有：DES、IDEA…… .1．分组密码的特点与序列密码不同，分组密码是将明文序列划分成等长的分组（Block），对每一组用同一加密算法和同一密钥进行加密。
分组密码有其自身的优点，首先分组密码容易被标准化，因为在今天的数据网络通信中，信息通常是被成块的处理和传输的。
其次，使用分组赌东道密码容易实现同步，因为一个密码组的传输错误不会影响到其它的分组，丢失一个密文组不会对随后组的解密产生影响。
这就是说，传输错误不会扩散。
而这些方面恰恰是序列密码的最大缺点。
分组密码与序列密码相比的一个缺点就是算法庞大一些，需要更多的计算资源。
分组密码的另一大缺点是其安全性很难被证明。
尽管“可证明安全性”的研究发展很快，但目前的分组密码大多是“看来安全的”，还没有一个分组密码被证明是真正安全的，至多证明了局部安全性。
这其中的原因是：因商业化而要求分组密码算法的细节全部暴露，因此对分组密码的攻击类型很多，安全性概念也就很多，有人为了统一这些安全性概念，甚至引入了伪随机性和超伪随机性，它们是用概率图灵机来描述的，在实际设计和分析中很难应用。
2．分组密码的设计准则一、安全性准则对以下的安全性的描述总是基于以下的假设：加密体制（包括算法的细节）是公开的；安全性完全依赖于密钥；信道是不安全的，即攻击者可以任意的截取密文；攻击者有时也可以截取一些“废弃”的明文。
（1）分组长度和密钥长度：当明文分组长度为n比特时，至多需要2n个明文-密文对就可以彻底破解密钥。
同理当密钥长度为n比特时，对一个截获的密文，至多需要试验2n个密钥就可以破解了密文。
因此从安全性角度来考虑，明文分组长度的密钥长度因尽可能的大。
（2）混淆性：所设计的密码应使得明文、密文、密钥之间的依赖关系相当复杂，以至于这种依赖关系对密码分析者来说是无法利用的。
分组密码
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
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
《分组密码理论》课件
分组密码的工作模式
ECB模式
电子密码本模式，是最简单的分组密码工作模式。它将明 文分成固定长度的块，然后对每个块进行加密。
CBC模式
密码块链接模式，将前一块的密文作为下一块的加密密钥 ，使得明文中的重复内容在密文中也呈现规律性变化。
CFB模式
密码反馈模式，将前一块的密文作为下一块的加密密钥， 同时将加密后的密文反馈回来与明文进行异或操作，以实 现加密和解密过程。
介绍量子密码学的基本原理， 包括量子态的叠加性和纠缠性 ，以及量子不可克隆定理等。 这些原理为抗量子计算攻击的 分组密码提供了理论基础。
列举一些已经提出的抗量子计 算攻击的分组密码算法，如基 于多线性映射、基于哈希函数 、基于编码理论的算法等。
分析抗量子计算攻击分组密码 研究中面临的挑战，如算法效 率、实现难度和安全性证明等 ，并对未来的研究方向进行展 望。
分组密码的应用场景
通信安全
01
分组密码广泛应用于通信加密领域，如TLS/SSL协议中的AES加
密算法。
存储安全
02
在存储加密中，分组密码也扮演着重要的角色，用于保护数据
的机密性和完整性。
身份认证
03
分组密码还可以用于身份认证，通过加密和验证消息的完整性
来确保通信双方的身份安全。
2023
PART 02
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
基于云计算的分组密码
ห้องสมุดไป่ตู้云计算环境下的 安全需求
随着云计算技术的普及，数 据安全和隐私保护成为重要 需求。因此，研究基于云计 算的分组密码是必要的。
基于云计算的分 组密码算法原理
介绍基于云计算的分组密码 算法的基本原理，包括如何 利用云计算的分布式处理能 力提高加密和解密的速度， 以及如何利用云计算的存储 能力实现密钥的分布式存储 等。
分组密码原理
分组密码原理
分组密码是一种密码算法，它将明文分为固定大小的块（通常为64位或128位），然后通过一系列的加密操作将每个分组
转换为对应的密文分组。
分组密码的核心原理是使用一个密钥来对每个分组进行加密。
加密过程包括多个轮次，每个轮次都涉及到多个步骤，如替代、置换、混淆和线性变换等。
在每个轮次中，明文分组会与密钥的某个子密钥进行混合，生成一个中间结果，然后再进行下一轮的操作。
最后一轮的结果即为该分组的密文。
在解密过程中，密文分组会经过与加密过程相反的操作，使用相同的密钥和子密钥来逐步还原为原始的明文分组。
分组密码的优势在于它可以处理大量的数据，并且能够抵抗多种密码攻击。
同时，通过不同的密钥和轮次数的组合，可以生成不同的密码变种，提供更高的安全性。
然而，分组密码也存在一些限制。
首先，由于每个分组的加密是独立进行的，所以加密过程中的错误可能会影响整个密文分组的完整性。
其次，分组密码的加密速度相对较慢，不适用于一些实时的应用场景。
总的来说，分组密码通过将明文分组成固定大小的块，并使用密钥和一系列的操作对每个分组进行加密，从而保护数据的机密性和完整性。
第四讲：分组密码4
i
4 i i ,0 i ,1 i ,2 i ,3
i, j
12
SMS4密钥编排算法
32个固定参数 CK ，其16进制表示为：
i
13
分组密码的运行模式
分组密码在加密时,明文分组的长度是固定的， 而实际应用中待加密消息的数据量是不定的， 数据格式多种多样. 1) 为了能在各种应用场合使用DES，美国 在FIPS PUS 74和81中定义了DES的4种运行 模式: ECB, CBC, CFB, OFB 2) FIPS PUB 140-2 推荐了AES的另外一种 运行模式：CTR
轮函数F 以字为单位进行运算 i 0,1,...,31 ，输
入寄存器值 ( X i3, X i2, X i1, X i ) 和轮密钥 rk i ：
X i4 F ( X i3 , X i2 , X i1, X i ; rk i) X i T ( X i1 X i2 X i3 rk i)
20
分组密码的运行模式
密钥相同时，明文中相同的64比特分组产生 不相同的64比特密文块； 存在错误传播，一块密文传输错误会导致之 后的密文解密失败
适合加密长度大于64比特的消息 还可以用来进行用户鉴别(见消息鉴别码部分)
分组密码的运行模式
3 CFB（cipher feedback）模式
CN
Counter1 加密算法
分组密码的运行模式
消息被看作bit流，无须分组填充； 只使用加密算法，且所有加密都使用同一密钥. 需要额外的初始向量，若初始向量公开，攻击者可以通过 篡改，使所有明文解密错误. 密钥相同时，明文中相同的分组产生不相同的密文块. 不存在比特错误传播. 效率，密钥流可以在已知消息之前计算，不需要按顺序解 密.
4 i i ,0 i ,1 i ,2 i ,3
i, j
12
SMS4密钥编排算法
32个固定参数 CK ，其16进制表示为：
i
13
分组密码的运行模式
分组密码在加密时,明文分组的长度是固定的， 而实际应用中待加密消息的数据量是不定的， 数据格式多种多样. 1) 为了能在各种应用场合使用DES，美国 在FIPS PUS 74和81中定义了DES的4种运行 模式: ECB, CBC, CFB, OFB 2) FIPS PUB 140-2 推荐了AES的另外一种 运行模式：CTR
轮函数F 以字为单位进行运算 i 0,1,...,31 ，输
入寄存器值 ( X i3, X i2, X i1, X i ) 和轮密钥 rk i ：
X i4 F ( X i3 , X i2 , X i1, X i ; rk i) X i T ( X i1 X i2 X i3 rk i)
20
分组密码的运行模式
密钥相同时，明文中相同的64比特分组产生 不相同的64比特密文块； 存在错误传播，一块密文传输错误会导致之 后的密文解密失败
适合加密长度大于64比特的消息 还可以用来进行用户鉴别(见消息鉴别码部分)
分组密码的运行模式
3 CFB（cipher feedback）模式
CN
Counter1 加密算法
分组密码的运行模式
消息被看作bit流，无须分组填充； 只使用加密算法，且所有加密都使用同一密钥. 需要额外的初始向量，若初始向量公开，攻击者可以通过 篡改，使所有明文解密错误. 密钥相同时，明文中相同的分组产生不相同的密文块. 不存在比特错误传播. 效率，密钥流可以在已知消息之前计算，不需要按顺序解 密.
分组加密算法课件
密钥k=（k0，… ,kn-1） 密钥k=（k0，… ,kn-1）
明文
加密算法
（x0，… ,xn-1）
原来的明文 密文 解密算法 （x0，… ,xn-1）
（y0，… ,yn-1）
分组加密算法
分组密码的一般设计原理
设计目标
在密钥控制下，从一个足够大、足够好的置换 子集中简单迅速地选出一个置换，对当前输入 的明文数字组进行加密变换；
输入的第58位作为第1位 输入的第50位作为第1位 输入的第42位作为第1位
分组加密算法
输入的第40位作为第1位 输入的第8位作为第1位 输入的第42位作为第1位
IP与IP-1互逆
M=(m1 , m2 ,…..)
1 2 34 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
发明人：
IBM公司 W.Tuchman和C.Meyer.
基础：
1967年美国Horst Feistel提出的理论；
产生：
美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门 的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和 1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的 公告，最终选定DES。
S7盒
13 0 11 7 4 9 1 10 14 3 5 12 2 15 8 6 1 4 11 13 12 3 7 14 10 15 6 8 0 5 9 2
6 11 13 8 1 4 10 7 9 5 0 15 14 2 3 12
《分组密码》PPT课件
一、有限域GF(28) 可以把出b7b6b5b4b3b2b1b0构成的一个字节看成是系数在(0, 1) 中取值的多项式：
b7 x7 + b6 x6 + b5 x5 + b4 x4 + b3 x3 + b2 x2 + b1 x + b0 如{57}（01010111）可写成： x6 + x4 + x2 + x + 1
；计算时按降幂排
精选课件ppt
21/37
3. x乘法
考虑用 x 乘以多项式B(x): ( b7b6b5b4b3b2b1b0 ) B(x)＝b7 x7+ b6x6+ b5x5+ b4x4+ b3x3+ b2x2+ b1x + b0
x B(x)＝b7 x8+ b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x 将上面的结果模m(x)求余就得到x B(x)。
如果 b7 ＝0，则：x B(x)＝b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x
即所得结果字节为： (b6b5b4b3b2b1b00)
如果 b7 ＝1，则：
x B(x)＝ x8+ b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x mod (x8+x4+x3+x+1)
在行移位(ShiftRows)变换中，状态矩阵中的每一行将以字节为单位，循 环右移不同的位移量。
b7 x7 + b6 x6 + b5 x5 + b4 x4 + b3 x3 + b2 x2 + b1 x + b0 如{57}（01010111）可写成： x6 + x4 + x2 + x + 1
；计算时按降幂排
精选课件ppt
21/37
3. x乘法
考虑用 x 乘以多项式B(x): ( b7b6b5b4b3b2b1b0 ) B(x)＝b7 x7+ b6x6+ b5x5+ b4x4+ b3x3+ b2x2+ b1x + b0
x B(x)＝b7 x8+ b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x 将上面的结果模m(x)求余就得到x B(x)。
如果 b7 ＝0，则：x B(x)＝b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x
即所得结果字节为： (b6b5b4b3b2b1b00)
如果 b7 ＝1，则：
x B(x)＝ x8+ b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x mod (x8+x4+x3+x+1)
在行移位(ShiftRows)变换中，状态矩阵中的每一行将以字节为单位，循 环右移不同的位移量。
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
• …（省略）... 00401AB0 |MOV DL,BYTE PTR DS:[ECX+417D9F] 00401AB6 |MOV BYTE PTR DS:[EAX+417BA3],DL 00401ABC |ADD EAX,4 00401ABF |CMP EAX,38这里进行密钥变换 …（省略）... 00401BFF ||MOVSX ECX,BYTE PTR DS:[EAX+412215] 00401C06 ||MOV CL,BYTE PTR DS:[ECX+417D9F] 00401C0C ||MOV BYTE PTR DS:[EAX+417BA5],CL 00401C12 ||ADD EAX,6 00401C15 ||CMP EAX,30这里产生48位的子密钥 00401C18 |\JL SHORT Crackme1.00401BA0 00401C1A |MOV EAX,DWORD PTR SS:[ESP+14] 00401C1E |MOV EDI,EAX 00401C20 |MOV ECX,0C 00401C25 |MOV ESI,Crackme1.00417BA0 00401C2A |REP MOVS DWORD PTR ES:[EDI],DWORD PTR D> 00401C2C |MOV EDI,DWORD PTR SS:[ESP+10] 00401C30 |ADD EAX,30下一组子密钥 00401C33 |INC EDI 00401C34 |CMP EAX,Crackme1.00417B90这里进行16次的生成子密钥过程 00401C39 |MOV DWORD PTR SS:[ESP+10],EDI …（省略）... 可以看到8位密钥为：1,9,8,0,9,1,7,0
分 组 密 码
AES 的加 密过程
主要内容
AES 的 解密过程
密钥 扩展
1.5. 1 AES的数学基础
有系限数域在
中的多项式
中的所有元素为所有系数在GF(2) 中并且 次数小于8 的多项式。
两个元素的加法与两个字节的按位模2 加是一 致的。两个字节的按位模2 加用 表示。
两个元素的乘法为模二元域GF(2) 上的一个8 次不可约多项式的多项式乘法, 乘法用 表示。
置换
扩展和混淆
点击各项查看详细说明
1.2 分组密码的结构
Feistel 网络
SP 网络
1.2. 1 Feistel 网络
平 衡
1) 将明文一分为二，设 是右边的m比特。
网 2) 对于
, 计算
络
3) 密文为
是左边的m 比特,
点击查看圈变换图示
1) 将明文一分为二，设
是右边的 比特，
非 平
2) 对于
钥有关的圈变换进行16 次迭代; 最后, 经过逆初
始置换 的处理得到密文
其
中
其中 和 的长度都是32 比特, f 是一个加密函数,
钥k 产生的一个48 比特的子密钥。
是由密
1.3. 2 DES的解密算法
DES 的解密过程和加密过程使用同一算法, 只不过在16 次迭 代中使用子密钥的次序正好相反. 解密时, 第1 次迭代使用子 密钥 第2 次迭代使用子密钥 依次类推, 第16 次迭代 使用子密钥 解密时的16 次迭代可以形式化地表示为
实ES 加密
双重
DES 解密
1.4.2 三重DES
三重DES 可以抵抗中途相遇攻击，被广泛采用的三重DES 如 下图所示。
设 文为
是三个长度为56 比特的密钥. 给定明文x, 则密
主要内容
AES 的 解密过程
密钥 扩展
1.5. 1 AES的数学基础
有系限数域在
中的多项式
中的所有元素为所有系数在GF(2) 中并且 次数小于8 的多项式。
两个元素的加法与两个字节的按位模2 加是一 致的。两个字节的按位模2 加用 表示。
两个元素的乘法为模二元域GF(2) 上的一个8 次不可约多项式的多项式乘法, 乘法用 表示。
置换
扩展和混淆
点击各项查看详细说明
1.2 分组密码的结构
Feistel 网络
SP 网络
1.2. 1 Feistel 网络
平 衡
1) 将明文一分为二，设 是右边的m比特。
网 2) 对于
, 计算
络
3) 密文为
是左边的m 比特,
点击查看圈变换图示
1) 将明文一分为二，设
是右边的 比特，
非 平
2) 对于
钥有关的圈变换进行16 次迭代; 最后, 经过逆初
始置换 的处理得到密文
其
中
其中 和 的长度都是32 比特, f 是一个加密函数,
钥k 产生的一个48 比特的子密钥。
是由密
1.3. 2 DES的解密算法
DES 的解密过程和加密过程使用同一算法, 只不过在16 次迭 代中使用子密钥的次序正好相反. 解密时, 第1 次迭代使用子 密钥 第2 次迭代使用子密钥 依次类推, 第16 次迭代 使用子密钥 解密时的16 次迭代可以形式化地表示为
实ES 加密
双重
DES 解密
1.4.2 三重DES
三重DES 可以抵抗中途相遇攻击，被广泛采用的三重DES 如 下图所示。
设 文为
是三个长度为56 比特的密钥. 给定明文x, 则密
第4讲 分组密码
1 2 Nr
1 替代 置换网格 (SPN) 替代-置换网格
整个加密函数如下： 整个加密函数如下：
w
0
← x
w1 ← g ( w 0 , k 1 )
w 2 ← g ( w1 , k 2 )
………
w ← g(wNr−2 , k Nr )
Nr
y ←w
Nr
1 替代 置换网格 (SPN) 替代-置换网格
解密函数如下： 解密函数如下：
与
πp：{1，2，…,lm}l→{1， ， ， ， 2，…, lm} ，
都是置换。 都是置换。
1 替代 置换网格 (SPN) 替代-置换网格
替代-置换网络（ 替代 置换网络（SPN）： 置换网络 ） 置换π 叫做 叫做S盒 字母 字母“ 置换πS叫做 盒(字母“S” 表示“ 表示“Substitution”（替代） （替代） 的第一个字母)它用一个 它用一个l比特 的第一个字母 它用一个 比特 的字符序列替代另一个l比特的 的字符序列替代另一个 比特的 字符序列；置换π 用来置换lm 字符序列；置换πP用来置换 个比特，称为P-置换 置换。 个比特，称为 置换。
3 数据加密标准 数据加密标准DES
4.3.1 DES算法描述 算法描述 4.3.2 DES安全分析 安全分析
3 数据加密标准 数据加密标准DES
DES 是 一 个 16 轮 的 Feistel 型结构密码。其中包括： 型结构密码。其中包括： 分组长度为64比特 分组长度为 比特 密钥长度为64比特 其中， 比特， 密钥长度为 比特，其中，使 用密钥为64比特 实用56比特 比特， 比特， 用密钥为 比特，实用 比特， 另8位用作奇偶校验 位用作奇偶校验 密文分组长度也为64比特 比特。 密文分组长度也为 比特。
1 替代 置换网格 (SPN) 替代-置换网格
整个加密函数如下： 整个加密函数如下：
w
0
← x
w1 ← g ( w 0 , k 1 )
w 2 ← g ( w1 , k 2 )
………
w ← g(wNr−2 , k Nr )
Nr
y ←w
Nr
1 替代 置换网格 (SPN) 替代-置换网格
解密函数如下： 解密函数如下：
与
πp：{1，2，…,lm}l→{1， ， ， ， 2，…, lm} ，
都是置换。 都是置换。
1 替代 置换网格 (SPN) 替代-置换网格
替代-置换网络（ 替代 置换网络（SPN）： 置换网络 ） 置换π 叫做 叫做S盒 字母 字母“ 置换πS叫做 盒(字母“S” 表示“ 表示“Substitution”（替代） （替代） 的第一个字母)它用一个 它用一个l比特 的第一个字母 它用一个 比特 的字符序列替代另一个l比特的 的字符序列替代另一个 比特的 字符序列；置换π 用来置换lm 字符序列；置换πP用来置换 个比特，称为P-置换 置换。 个比特，称为 置换。
3 数据加密标准 数据加密标准DES
4.3.1 DES算法描述 算法描述 4.3.2 DES安全分析 安全分析
3 数据加密标准 数据加密标准DES
DES 是 一 个 16 轮 的 Feistel 型结构密码。其中包括： 型结构密码。其中包括： 分组长度为64比特 分组长度为 比特 密钥长度为64比特 其中， 比特， 密钥长度为 比特，其中，使 用密钥为64比特 实用56比特 比特， 比特， 用密钥为 比特，实用 比特， 另8位用作奇偶校验 位用作奇偶校验 密文分组长度也为64比特 比特。 密文分组长度也为 比特。
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(全)
12
分组密码的发展历史
1999年，NIST从提交的15个候选草案中 选取了5个优良的算法作为AES的候选算法： MARS、RC6、Rijndael、Serpent和 Twofish， 综合评价最终确定Rijndael算法为新的数据 加密标准，2001年12月正式公布FIPS197标准。 /aes
IP 58 60 50 52 42 44 34 36 26 28 18 20 10 12 2 4
62
54
56 49 51
46
48 41 43
38
40 33 35
30
32 25 27
22
24 17 19
14
16 9 11
6
8 1 3
初始置换IP
64 57 59
61
63
53
55
45
47
37
39
29
31
21
(m1 , m2 ,, mn ), (mn1 , mn2 ,, m2 n ),
K k1 , k 2 ,, k n 在密钥 的控制下按固定的加密算法一组一 组进行加密，输出一组一组密文 (c1 , c2 ,, cl ), (cl 1 , cl 2 ,, c2l ),
3
分组密码加密解密框图
32
DES算法的整体结构——Feistel结构
DES是从1975年被美国联邦政府确定为非敏 感信息的加密标准，它利用56比特长度的 密钥K来加密长度为64比特的明文，得到 64比特长的密文. 1997年，由于计算机技术迅速发展，DES的 密钥长度已经太短，NIST建议停止使用 DES算法作为标准. 目前，二重DES和三 重DES仍然广泛使用.
第四讲：分组密码
分组密码的发展历史
1999年，NIST从提交的15个候选草案中 选取了5个优良的算法作为AES的候选算法： MARS、RC6、Rijndael、Serpent和 Twofish， 综合评价最终确定Rijndael算法为新的数据 加密标准，2001年12月正式公布FIPS197标准。 /aes
IP 58 60 50 52 42 44 34 36 26 28 18 20 10 12 2 4
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56 49 51
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48 41 43
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40 33 35
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32 25 27
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24 17 19
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16 9 11
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初始置换IP
64 57 59
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(m1 , m2 ,, mn ), (mn1 , mn2 ,, m2 n ),
K k1 , k 2 ,, k n 在密钥 的控制下按固定的加密算法一组一 组进行加密，输出一组一组密文 (c1 , c2 ,, cl ), (cl 1 , cl 2 ,, c2l ),
3
分组密码加密解密框图
32
DES算法的整体结构——Feistel结构
DES是从1975年被美国联邦政府确定为非敏 感信息的加密标准，它利用56比特长度的 密钥K来加密长度为64比特的明文，得到 64比特长的密文. 1997年，由于计算机技术迅速发展，DES的 密钥长度已经太短，NIST建议停止使用 DES算法作为标准. 目前，二重DES和三 重DES仍然广泛使用.
第四讲：分组密码
分组密码原则
} }
一般公式：
RDi=LDi-1 LDi=RDi-1 XOR F(LDi-1 ,kn-i+1 )
(i=1~n)
分组密码设计原则
基本的原则还是和Feistel在20世纪7 0年代提出的一样
分组大小 密钥长度 加密轮数
函数F
能够混淆 非线性的 雪崩效应
如何选择有问题的S-盒
密钥 使产生子密钥算法复杂 密钥雪崩
void Feistel_Decode(long long &left, long long &right, const long long k[], int n) {
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) { ^Feistel_F(left, k[i]); right = newRight;
加密算法的输入是长为2w位的明文组和密钥K。明文分组被分为等长的两部分：L0和R0。这 两部分数据经过n轮迭代后组合成密文组。第i轮迭代的输入Li-1 和Ri-1 来自于上轮迭代的输出； 而输入的子密钥Ki是由整个密钥K推导出的。一般地，Ki不同于K，也互不相同。 每轮迭代都有相同的结构。代换作用在数据的左半部分。它通过用轮函数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。每轮迭代的轮函数是相同的，但是输入的密钥Ki不同。
} }
一般公式：
LEi=REi-1 REi=LEi-1 XOR F(REi-1 ,ki)
(i=1~n)
Feistel密码解密过程
假设迭代为n轮
输入密文分为等长的两部分 每一轮的迭代过程如下
左边部分作为下一轮的右边
将左边部分和子密钥代入轮函数F
右边部分与轮函数的结果求异或得到下一轮的左边 如下图
一般公式：
RDi=LDi-1 LDi=RDi-1 XOR F(LDi-1 ,kn-i+1 )
(i=1~n)
分组密码设计原则
基本的原则还是和Feistel在20世纪7 0年代提出的一样
分组大小 密钥长度 加密轮数
函数F
能够混淆 非线性的 雪崩效应
如何选择有问题的S-盒
密钥 使产生子密钥算法复杂 密钥雪崩
void Feistel_Decode(long long &left, long long &right, const long long k[], int n) {
for (int i = n - 1; i >= 0; i--) { ^Feistel_F(left, k[i]); right = newRight;
加密算法的输入是长为2w位的明文组和密钥K。明文分组被分为等长的两部分：L0和R0。这 两部分数据经过n轮迭代后组合成密文组。第i轮迭代的输入Li-1 和Ri-1 来自于上轮迭代的输出； 而输入的子密钥Ki是由整个密钥K推导出的。一般地，Ki不同于K，也互不相同。 每轮迭代都有相同的结构。代换作用在数据的左半部分。它通过用轮函数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。每轮迭代的轮函数是相同的，但是输入的密钥Ki不同。
} }
一般公式：
LEi=REi-1 REi=LEi-1 XOR F(REi-1 ,ki)
(i=1~n)
Feistel密码解密过程
假设迭代为n轮
输入密文分为等长的两部分 每一轮的迭代过程如下
左边部分作为下一轮的右边
将左边部分和子密钥代入轮函数F
右边部分与轮函数的结果求异或得到下一轮的左边 如下图
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(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缩替代S-盒(48位压缩到32位)
48比特寄存器
6比特 6比特 6比特 6比特 6比特 6比特 6比特 6比特
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
4比特 4比特 4比特 4比特 4比特 4比特 4比特 4比特
轮函数F是分组密码的核心，是分组密码中单轮加解密 函数，其基本准则：
非线性；
主要依赖S盒 能够实现解密
可逆性;
雪崩效应;
其主要性能指标是安全性、速度、灵活性。
18
子密钥的生成方法
子密钥的生成也是迭代分组算法的一个重要组成部分， 是从初始(种子)密钥产生迭代的各轮要使用的子密钥的算法。
也就是说，轮函数F的功能是在子密钥的参与和控制下实现的，
明文混乱以后能得到密文，反之，密文经过逆向的混乱操作
后能恢复出明文。（按照混乱原则，分组密码算法应有复杂 的非线性因素）
12
分组密码原理---乘积密码
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，即乘积密码是扩散
和混乱两种基本密码操作的组合变换，这样能够产生比 各自单独使用时更强大的密码系统。选择某个较为简单 的密码变换(包含多个基本密码)，在密钥控制下以迭代方 式多次利用它进行加密变换，就可以实现预期的扩散和 混乱效果。
组密码一词在很多场合指的是对称分组密码，简称分组密码。
由于分组密码加解密速度较快，安全性好，以及得到许多密码 芯片的支持，现代分组密码发展非常快，在许多研究和应用领 域得到了广泛的应用。
5
分组密码的含义
也称块密码，它是将明文消息经编码表示后的二进制序
列p0,p1,…,pi, …划分成若干固定长度(譬如m)的组(或块)
上讲主要内容
密码学的基本知识
香农理论 密码分析学的基本知识
密码系统的安全性
1
第四讲 分组密码
主讲人：谷利泽
Email：glzisc@
Tel: 010-62284009
本讲主要内容
分组密码的简介 DES密码算法 AES密码算法
分组密码的操作方式
3
分组密码的简介
分组密码的含义
15
分组密码简图
密钥长度 密钥K
分组长度
子密钥生成算法
子密钥 K1
子密钥 K2
…
子密钥 Kn
明 文 分 组
轮函数 F
轮函数 F
轮函数 F
迭代次数
密 文
16
分组密码的设计准则
分组长度 密钥长度
能够抵御选 择明文攻击
能够抵御唯 密文攻击
轮函数F的设计准则
子密钥的生成方法 迭代的轮数
17
轮函数F的设计准则
32比特寄存器
30
S盒的规则
S-盒1 S-盒5
S-盒2 S-盒3 S-盒4
S-盒6 S-盒7 S-盒8
31
S-盒的构造方法(举例)
b1 b2 b3 b4 b5 b6 行 b1b6
行 \列 0 1 2 3 0 1 12 10 9 4 2 3 4 9 7 2 9 5 2 12 8 5
S6-盒
6 6 9 12 15 7 8 7 5 3 10 9 10 11 12 13 14 15 1 10 15 15 4 2 14 15 5 3 2 12 0 13 3 4 14 7 5 11 6 1 13 14 0 11 3 8 7 0 4 10 1 13 11 6 11 14 1 7 6 0 8 13
20
DES算法
DES算法的简介
DES算法的实现 DES算法的安全性
多重DES算法
21
DES简介
1973年，美国的国家标准局(National Bureau of Stand -ards,NBS)认识到建立数据加密标准的迫切性，开始 征集联邦数据加密标准。有很多公司着手这项工作并提交了 一些建议，最后IBM公司的Lucifer加密系统获得了胜利。经 过两年多的公开讨论之后，1977年1月15日NBS决定利用这个 算法，并将其更名为数据加密标准(Data Encryption Standards, DES)。不久，其他组织也认可和采用DES作为加密算法， 供商业和非国防性政府部分使用。当时，确定有效期为5年， 随后在1983年、1988年、1993年三次再度授权该算法续用五 年，1997年开始征集AES(高级加密标准)，2000年选定比利时 人设计的Rijndael算法作为新标准。
13
乘积密码的实现---SP网络
SP网络是由多重S变换和P变换组合成的变换网络，它
是乘积密码的一种。其基本操作是S变换(代替)和P变换(换
位)，前者称为S盒，后者称为P盒。S盒起到混乱作用，P 盒起到扩散的作用。SP网络的构造及S盒、P盒的构造如
下图所示：
代替 0 0 0 1 1 1 1 0 S盒 1 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 P盒
钥中任何一比特值发生改变，都会在某种程度上影响到密文
值的变化，以防止将密钥分解成若干个孤立的小部分，然后 各个击破。
10
扩散的举例说明
明文
00000000 00000001
密文
xxxxxx01 xxxxxx11
无扩散技术 的加密
00000000
00000001
01011010 11101011
有扩散技术 的加密
分组密码的设计思想 分组密码的设计准则
4
分组密码的概述
分组密码(block cipher)是现代密码学中的重要体制之一，也 是应用最为广泛、影响最大的一种密码体制，其主要任务是提 供数据保密性，也可以用到在许多方面，如构造伪随机数生成
器、序列密码、认证码和哈希函数等。
分组密码又分为对称分组密码和非对称分组密码，习惯上，分
...
L16=R15
...
F
Ki
Ri R =L ⊕F(R ,K ) i i-1 i-1 i
...
...
F
置换IP-1
K16
R16
R16=L15⊕F(R15,K16)
25
64位密文C
DES加密过程的公式化描述
初始置换
迭代次数
L0 R0 IP( 64bit明文 ) Li Ri 1 Ri Li 1 F ( Ri 1 , ki )
只使用了标准的算术和逻辑运算，易于实现。
现代密码学诞生的标志之一，揭开了商用密码研究的序幕。
24
DES加密流程图
64位明文m L0 (32位)
置换IP
R0(32位)
K1
第1轮 L1 L1=R0 第 i轮 Li=Ri-1 第16轮 L16 Li F R1 R =L ⊕F(R ,K ) 1 0 0 1
14
换位 0 1 1 1 0 0 1 0
SP网络的性质
SP网络具有雪崩效应。所谓雪崩效应是指，输入(明文或 密钥)即使只有很小的变化，也会导致输出产生巨大的变化 现象。
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
S
S
S
S
S
S
S
S
P
S
P
S
P
S
P
S
S
S
S
S
1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0
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
如果密钥量小，攻击者可以有效地通过 穷举密钥，对密文进行解密，以得到有 意义的明文，难于抵御唯密文攻击。
使攻击者除了穷举法攻击以外， 找不到其它有效的数学破译方法。
子密钥的生成很重要，其评价指标：
实现简单、速度满足要求； 种子密钥的所有比特对每个子密钥比特的影响应大致相同; 没有弱密钥或弱密钥容易确定；
19
迭代的轮数
分组密码一般采用简单的、安全性弱的加密函数进行多 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，而安全性增强不 明显。 决定迭代轮数的准则：使密码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。
11
混乱
所谓混乱，指在加解密变换过程中明文、密钥以及密文 之间的关系尽可能地复杂化，以防密码破译者采用解析法 (即通过建立并求解一些方程)进行破译攻击。
混乱可以用“搅拌机”来形象地解释，将一组明文和一
组密钥输入到算法中，经过充分混合，最后变成密文。同时 要求，执行这种“混乱”作业的每一步都必须是可逆的，即
便于软件和硬件实现，性能好。
8
分组密码的设计思想
扩散
混乱
9
扩散
所谓扩散，是指要将算法设计成明文每一比特的变化尽
可能多地影响到输出密文序列的变化，以便隐蔽明文的统计
特性。形象地称为雪崩效应。 扩散的另一层意思是密钥每一位的影响尽可能迅速地扩 展到较多的密文比特中去。即扩散的目的是希望密文中的任 一比特都要尽可能与明文、密钥相关联，或者说，明文和密
41 50 59 3 47 54 61 5
33 42 51 60 39 46 53 28
25 34 43 52 31 38 45 20
17 26 35 44 23 30 37 12
9 18 27 36 15 22 29 4