密码学第四章 分组密码 4.6 分组密码的工作模式
信息安全技术 分组密码算法的工作模式
信息安全技术分组密码算法的工作模式分组密码算法是一种常用的加密技术，其工作模式是将明文数据按照一定长度进行分组，然后对每一组数据进行加密处理。
分组密码算法的工作模式主要包括电子密码本模式、密码块链模式、密码反馈模式和输出反馈模式。
电子密码本模式是最简单的分组密码算法工作模式，每个明文数据块都被独立加密，加密后的密文数据块与明文数据块一一对应。
密码块链模式是将前一块密文作为下一块明文的输入进行加密，这样每一块密文都依赖于前一块密文，从而增加了安全性。
密码反馈模式是将前一块密文作为伪随机数生成器的输入，然后将生成的伪随机数与明文数据块异或后进行加密，从而达到了与密码块链模式类似的效果。
输出反馈模式则是将前一次加密产生的输出作为伪随机数生成器的输入，然后将生成的伪随机数与明文数据块异或后进行加密，这种模式也能增加加密强度。
总之，分组密码算法的工作模式对于信息安全技术的发展和应用具有重要意义，通过选择适当的工作模式和加密参数，可以提高数据的保密性和完整性。
- 1 -。
五种分组密码工作模式介绍
五种分组密码工作模式介绍
以下是五种分组密码工作模式：
1.同步模式（Synchronous Mode）：在同步模式下，密码系统的输入和输出数据是同步的，即每个输入数据块都会产生一个输出数据块。
这种模式下的密码系统通常具有较高的吞吐量。
2.异步模式（Asynchronous Mode）：与同步模式相反，异步模式下，密码系统的输入和输出数据不是同步的。
在这种模式下，密码系统可以在一个输入数据块期间处理多个输出数据块。
这种模式下的密码系统通常具有较高的处理速度。
3.密文分组模式（Ciphertext-Based Mode）：在这种模式下，密码系统的输入是密文数据，输出是解密后的明文数据。
这种模式通常用于加密和解密通信数据。
4.原始分组模式（Plaintext-Based Mode）：与密文分组模式相反，原始分组模式的输入是原始明文数据，输出是加密后的密文数据。
这种模式通常用于对敏感数据进行加密存储或传输。
5.混合模式（Hybrid Mode）：混合模式是将上述两种或多种模式结合在一起的工作模式。
在这种模式下，密码系统可以根据不同的应用场景和需求灵活地切换工作方式。
分组密码分组密码的工作模式-PPT精品
密码反馈(CFB)模式
方法：加密时，加密算法的输入是64比 特移位寄存器，其初值为某个初始向量IV。 加密算法输出的最左(最高有效位)J比特与明 文的第一个单元P1进行异或，产生密文的第 一个单元C1,并传送该单元。然后将移位寄 存器的内容左移j位并将C1送入送入移位寄 存器最右边的j位。这一过程一直进行到明文 的所有单元都被加密为止。具体的过程如下：
64-j比特 j比特
C m 1 64-j比特 j比特
K DES 加密
K DES
加密
选j比特 丢弃64-j比特 选j比特 丢弃64-j比特
选j比特 丢弃64-j比特
c1
12
2.密码分组链接（CBC）模式
为了解决ECB的安全缺陷，可以让重复 的明文分组产生不同的密文分组，
CBC（cipher block chaining）模式就可满足 这一要求。图4.11是CBC模式示意图，它一 次对一个明文分组加密，每次加密使用同一 密钥,加密算法的输入是当前明文分组和前一 次密文分组的异或，因此加密算法的输入不 会显示出与这次的明文分组之间的固定关系， 所以重复的明文分组不会在密文中暴露出这 种重复关系。
20
2. （CBC）模式特点
消息分成模块 加密是相互联系的 密文与明文联结 利用一个初始向量开始： Ci = DESK1(Pi XOR Ci-1)
C-1 = IV
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(见报文鉴别部分)
21
Advantages and Limitations of CBC
13
2.密码分组链接(CBC)模式
x1
x2
IV=y0
K
DES 加密
密码学 分组密码模式
输出反馈OFB的特点
生成的密钥流由Key 与初始值X1决定， 与明文流独立；
初始值 X 1 Key
EK
R 56 X 1 O 1
O2
密钥流可以事先生成； 密文中的错误不会传播。
EK
O1
O2 2
P1
C1
P2
C2
5. 计数器CTR——Counter
明文块：8位 加密：
O j L8 E K ( X j )
密文流： C 1
C2
X1
C9
O1
O2 O3 O4
P 1 P2 P 3 P4
Pj C j O j
X
j 1
R 56 X
j
C
j
R 56 X 1 C1 R 48 X 1 C1 C2 R 40 X 1 C1 C2 C3
初始值X 1
EK
R 5 6 X 1 C 1
EK
C1 C2 C8
O9
P 9
O1
O2
P1
C1
P2
C2
返回OFB
C2 C3 C9
O10
P 10
O Out 4. 输出 密文反馈CFB——Cipher Feed Back
明文块：8位 加密：
O j L8 E K ( X j )
X1
X 1 +1
EK
Key
O1
EK
C j Pj O j X
j 1
O2
X j +1
分组密码算法的工作模式
分组密码算法的工作模式分组密码算法是一种常用的加密算法，它将明文分成固定长度的数据块，并对每个数据块进行加密处理。
为了增加安全性，分组密码算法通常会采用工作模式来处理数据块之间的关系。
工作模式定义了如何对数据块进行加密、解密和处理。
常见的分组密码工作模式包括电子密码本模式（ECB）、密码分组链接模式（CBC）、计数器模式（CTR）、密码反馈模式（CFB）和输出反馈模式（OFB）等。
下面将对这些工作模式进行详细介绍。
1. 电子密码本模式（ECB）：ECB模式是最简单的分组密码工作模式，它将每个数据块独立加密，没有考虑前后数据块之间的关系。
这意味着如果明文中存在相同的数据块，它们在加密后会得到相同的密文块。
因此，ECB 模式不适用于加密需要保密性的数据，容易受到密码分析的攻击。
2. 密码分组链接模式（CBC）：CBC模式是一种常用的分组密码工作模式，它通过将前一个数据块的密文与当前数据块的明文进行异或运算，再进行加密处理。
这样可以使得每个数据块的加密都依赖于前一个数据块的密文，增加了密码的随机性和安全性。
同时，CBC模式还需要一个初始向量（IV）来作为第一个数据块的加密输入。
但是，CBC模式的缺点是加密过程是串行的，无法并行处理数据块。
3. 计数器模式（CTR）：CTR模式是一种基于计数器的分组密码工作模式，它将一个计数器与密钥进行加密，然后与明文进行异或运算得到密文。
计数器的值会逐渐增加，每次加密一个数据块。
CTR模式具有并行处理数据块的能力，因为每个数据块的加密过程是独立的。
CTR模式还可以用于生成伪随机数序列，用于其他加密算法的密钥生成等。
4. 密码反馈模式（CFB）：CFB模式是一种将分组密码算法转化为流密码算法的工作模式。
它将前一个密文块作为输入与密钥进行加密，然后与当前数据块的明文进行异或运算得到密文。
CFB模式可以实现分组密码算法的流加密功能，但是需要保证每个数据块的长度与分组密码算法的块长度相同。
第6讲—分组密码
2013-5-20
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DES的 F 函数（圈函数）
a1a2 a32
1
E
a1a2 a48
k1k2 k48
2
S1 S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
3
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P
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① E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
扩展
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① E盒扩展
扩展方式: (1) 将输入的32比特每4 比特为一组分为8块; (2)分别将第m-1块的最 右比特和第m+1块的最左比 特添到第m块的左边和右边, 形成输出的第k个6比特块. 主要原因:硬件实现简 单
个映射。如果对任意的u，v，当u≠v 时，φ (u) ≠φ (v),则称φ 是S上的一 个置换。
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4
安全性设计原则
1. 混乱原则(又称混淆原则)(Confusion) 混乱原则就是将密文、明文、密钥三者之间的统计 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；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。 可进一步理解为： （1）明文不能由已知的明文，密文及少许密钥比特 代数地或统计地表示出来。 （2）密钥不能由已知的明文，密文及少许密钥比特 代数地或统计地表示出来。
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
04 15 01 12 01 13 14 08 00 07 06 10 13 08 06 15 12 11 02 08 01 15 14 03 11 00 04 11 02 15 11 01
分组密码的工作模式及其特点
分组密码的工作模式及其特点第一章分组密码1.1节分组密码的简述分组密码是将明文编码表示后的数字序列划分成长为m组，各组分别在密码的控制下加密成密文。
在相同的密钥下，通常得到的是与明文等长的密文分组，所以只需要研究任一祖的明文数字的变换规则。
这种密码实质上是字长为m的数字序列的代换密码。
1.2节分组密码简单模型1.3节分组密码的工作模型分类根据不同的应用环境，需要对分组密码的加密方式做一些修改，用来增强密码的安全性和适应性。
常见的工作模式包括：分组模式：电码本模式（EBC）密码分组连接模式（CBC）序列模式：输出反馈模式（OFB）密码反馈模式（CFB）计数器模式（CTR）1.4节分组密码的特点分组密码加解密速度较快。
明文，密文组长度为m，密文长度为t，密钥量为2 。
密文中的任意一位数字与该组明文所有数字均有关。
每组明文使用相同的密钥加密。
1.5节分组密码算法的问题和对策分组长度足够大问题：代换网络十分复杂，难以控制与实现。
对策：将分组划分为几个小段，分别设计这些小段的代换网络。
密钥量足够大问题：密码系统十分复杂，同样难以控制与实现。
对策：概率加权法：设计多个子系统，使用时随机抽取。
乘积密码法：设计多个子系统，对明文进行多次加密。
密码变换足够复杂问题：抗统计破译法的要求，难以简单实现。
对策：扩散法：将每一位明文和密钥数字的影响扩散到每一位密文数字。
混淆法：使明文与密文、密钥的统计特性复杂化。
第二章分组密码的工作模式2.1节分组密码的工作模式的简述分组模式的工作模式是指以某个分组密码算法为基础，来解决任意长度的明文的加密问题的方法。
从本质上来说，为了使算法更适应具体的应用的一种技术。
分组密码的工作模式：电码本模式（EBC）;密码分组连接模式（CBC）;输出反馈模式（OFB）;密码反馈模式（CFB）;计数器模式（CTR）这五种工作模式适用于不同的应用需求。
电码本模式（EBC）1.定义：ECB模式是将明文的各个分组独立地使用同一密钥加密，互不影响，最后统一拼接在一起，2.优点：（1）最简单，最直接的分组密码工作模式。
分组密码 46 分组密码的工作模式
2．密码分组链接(CBC)模式
（2）既需对明文认证又需加密时，此时验证者仅收 到密文 c 和认证码 cn+1，他需要：
Step1 利用共享密钥使用CBC模式对密文脱密； Step2 检验所得到的最后一个明文分组是否是其它 明文分组的模 2和：是则判定接收的明文无错；不是 则判定接收的明文出错。
2．密码分组链接(CBC)模式
（2）CFB模式实际上是将分组密码算法作为序 列密码的密钥序列发生器，因为分组密码的输出是 输入的相当复杂的函数，一般认为输出具有很好的 随机特性，可用此方法通过分组密码来构造序列密 码。
2．密码分组链接(CBC)模式
（2） 具有有限的错误传播特性。 一个密文块的错误将导致两个密文块无法脱密。
假设密文块 c在i 传输中出错，因为
ci Ek (mi ci1), i 1, 2, 3,L
则有： mi Ek1(ci ) ci1, mi1 Ek1(ci1) ci , 只有明文块 m、i m的i1还原与密文块 有c关i ，因此 一个密文块的传输错误将影响两个明文块的正确 还原。
2．密码分组链接(CBC)模式
（3） 具有自同步功能 密文出现丢块和错块不影响后续密文块的脱密。
若从第t 块起密文块正确，则第t+1个明文块就能正 确求出。
CBC模式是自恢复的（self-recovering）。
注意：若是一个密文比特的丢失，将影响后续 密文的正确还原。
2．密码分组链接(CBC)模式
若记 IV = c-l+1…c-1 c0， |ci| = j，则加密过程可表示为
ci mi left j (Ek (cil L ci2ci1)) i 1, 2,L
IV cl1 c1 c0
L比特
第四章分组密码
2
4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0
3
15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 2 14 10 0 6 13
扩散和混淆
扩散将明文的统计特性散布到密文中。 实现的方式是使明文的每一位影响密文 中多位的值。
S盒的设计准则
迄今为止，有关方面未曾完全公开有关DES的S盒的设计准 则。Branstead等曾披露过下述准则： P1 S盒的输出都不是其输入的线性或仿射函数。 P2 改变S盒的一个输入比特，其输出至少有两比特产生变 化，即近一半产生变化。 P3 当S盒的任一输入位保持不变，其它5位输入变化时(共 有25 =32种情况)，输出数字中的0和1的总数近于相等。 这三点使DES的S盒能够实现较好的混淆。
迭代分组密码
若以一个简单函数f，进行多次迭代，就称其为迭代密码。
每次迭代称作一轮(Round)。相应函数f称作轮函数。
每一轮输出都是前一轮输出的函数，即y(i)=f[y(i-1), k(i)]，其 中k(i)是第i轮迭代用的子密钥，由秘密密钥k通过密钥生成 算法产生。
y(0) = x
y(1)
代换网络
密码设计中需要先定义代换集S，而后还需 定义解密变换集，即逆代换网络S-1，它以 密文y作为输入矢量，其输出为恢复的明文 矢量x。
要实现全代换网络并不容易。因此实用中 常常利用一些简单的基本代换，通过组合 实现较复杂的、元素个数较多的代换集。 实用密码体制的集合S中的元素个数都远小 于2n!。
代换盒(S盒)
在密码设计中，可选n=rn0，其中r和n0都为正整数， 将设计n个变量的代换网络化为设计r个较小的子代换 网络，而每个子代换网络只有n0个输入变量。称每个子 代换网络为代换盒(Substitution Box)
电子科技大学硕士研究生入学考试初试考试大纲(密码学基础与网络安全)
2.4 掌握网络设备隔离技术
2.5 掌握入侵检测技术
2.6 掌握蜜罐技术
第3章 协议安全技术及其应用
3.1 理解安全协议的基本概念
3.2 理解PGP、S/MIME及电子邮件安全
3.3 掌握SSH协议及其应用
3.4 掌握SSL协议及WEB安全
3.5 理解IPSec协议
3.6 理解和掌握Kerberos和X.509协议
6.4 线性移位寄存器序列的周期性（了解）
6.5 线性移位寄存器的序列空间（了解）
6.6 线性移位寄存器序列的极小多项式（理解）
6.7 m序列的伪随机性（了解）
6.8 B-M算法与序列的线性复杂度（了解）
6.9 线性移位寄存器的非线性组合（了解）
第七章数字签名
7.1 基于公钥密码的数字签名（掌握）
7.2 EIGamal签名方案（理解）
一、总体要求
二、内容及比例
第一部分：密码学基础
第一章引言
1.1密码学的发展概况（了解）
1.2密码学的基本概念及其分类（掌握）
第二章古典密码
2.1 古典密码中的基本加密运算（了解）
2.2 几种典型的古典密码体制（了解）
2.3 古典密码的统计分析（了解）
第三章Shannon理论
3.1 密码体制的数学模型（掌握）
电子科技大学硕士研究生入学考试初试考试大纲（密码学基础与网络安全）
考试科目
825密码学基础与网络安全
考试形式
笔试（闭卷）
考试时间
180分钟
考试总分
150分
参考书目
《密码学概论》 Wade Trappe 人民邮电出版社 2004年
《密码编码学与网络安全——原理与实践》(第四版) Stallings 电子工业出版社 2006年
密码学基础知识（四）分组密码
密码学基础知识（四）分组密码⾸先再说说密码体制那点事，密码体制按密钥分为两派，对称和公钥，不过也可以分为分组密码和流密码（序列密码）。
刚才看了⼀眼，发现忘把图⽚传上来了，下次有功夫的。
说句废话，分组密码主要采⽤混淆原则和扩散原则来抵抗攻击者对该密码体制的统计分析。
那分组密码是什么东西呢？通俗讲就是将明⽂分块，然后分块加密。
分组密码设计的准则：①分组长度分组长度越长意味着安全性越⾼，但是会影响加密解密的速度。
1977年之后，由于计算速度和分析技术的提⾼，建议使⽤分组长度128位。
②密钥长度密钥越长同样意味着安全性越⾼，但会影响加密和解密的速度。
现在⼀般认为64位的密钥是不安全的，通常使⽤的密钥长度为128位。
③轮函数F轮函数F通常之迭代分组密码中单轮加密解密算法的实现部分，是分组密码结构的核⼼，由其实现数据的混乱和扩散。
在设计中，轮函数要遵循雪崩效应准则和位独⽴准则。
评价轮函数实际质量的指标有安全性，速度和灵活性。
④迭代的轮数迭代分组密码的本质是单轮不能提供⾜够的安全性⽽多伦迭代增强其安全性。
⼀般⽽⾔，迭代轮数越多，密码分析越困难，但过多的迭代会使输⼊和输出的关系复杂化，影响加解密速度，⽽安全性增强不明显，⼀般⽽⾔，决定迭代轮数的准则是：是密码分析的难度⼤于简单穷举攻击的难度。
⑤⼦密钥的⽣成⽅法理论设计⽬标是⼦密钥的统计独⽴性和密钥更换的有效性。
包括：实现简单，便于硬件实现，⼦密钥的⽣成不影响迭代轮函数的执⾏；不存在简单关系；种⼦密钥的所有⽐特对每个⼦密钥⽐特影响⼤致相同；没有弱密钥或弱密钥容易避开；保证密钥和密⽂符合位独⽴准则和雪崩效应。
分组密码的设计应满⾜的要求：①分组要⾜够长。
假设n为分组长度，则要使分组代换字母表中的元素个数2n⾜够⼤，以防⽌明⽂穷举攻击。
②密钥长度要⾜够长，以防⽌密钥穷举攻击。
但密钥⼜不能过长，这不利于密钥的管理且影响加解密的速度。
③由密钥确定的置换算法要⾜够复杂，⾜以抵抗各种已知的攻击，如查分攻击和线性攻击等，使攻击者除了利⽤穷举攻击外，⽆其他更好的攻击⽅法。
分组密码的工作模式 讲义
总 评：
（1）ECB模式简单、高速，但最弱，易受重发 和替换攻击，一般不采用。
（2）CBC，CFC，OFB模式的选用取决于实际 的特殊需求。
（3）明文不易丢信号，对明文的格式没有特殊 要求的环境可选用CBC模式。需要完整性认证功能时 也可选用该模式。
（4）容易丢信号的环境，或对明文格式有特殊 要求的环境，可选用CFB模式。
(B) 添充随机数. 相对而言,方法(A)简单,易实现,但安全性没有第二 种方法好.
27
短块处理方法----密文挪用方法
在有些应用中,如数据库加密,磁盘信息加密等,不 允许密文的长度比明文的长度大,这时如何解决短块问 题?
这就用到密文挪用方法.
28
密文挪用方法
xn1 KE
N-n n y n 1
mn1
Ek (x)
c1
c2
c3
c1
c2
c4
…
cn1
c3
k E1
k E 1
k E 1
IV
m1
m2
m3
10
CBC模式的特点： 1. 明文块的统计特性得到了隐蔽。
由于在密文CBC模式中，各密文块不仅与当前明文 块有关，而且还与以前的明文块及初始化向量有关， 从而使明文的统计规律在密文中得到了较好的隐蔽。
OFB模式加密框图
IV
移位寄存器 64－j比特|j比特
64
k
DES加密算法
64
移位寄存器 64－j比特|j比特
64
k
DES加密算法
64
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
安全分组密码的工作模式
VS
叨
叨 叨 st
a
how 的确 these 在此 st on
01
02
03
!! 巫
掏`` st st above
it onthe`` that that, among this on on on on on, on the on萜!,!the
01
on on, as, among too on the for the for the on on, that on,theonthe too on the on the, that on叨`` has, for the member...
02
on`` for.,还行 全员 stith that st too: the OnWist too st too st too member being for how said too vis a- among,, like taken``!! said indeed), “
03
though the st have said sp and for too! said said has that17... real... for how shows these ... that show how... kind too, among as is...!, like these sm
通信安全
分组密码用于加密通信过程中的数据，确保信息传输的机密性和完整性。
存储安全
在数据存储场景中，分组密码用于加密敏感数据，防止未经授权的访问和数据泄露。
身份认证
分组密码也用于身份认证过程，通过加密和验证加密数据的完整性来确认用户身份。
02
分组密码的基本原理
第4讲 分组密码
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。
第4章 分组密码
分组密码的安全性
➢ 现代分组密码算法完全公开，安全性仅依赖于密钥。 成功的密码分析是指密码分析者可以恢复明文或密钥。
➢ 安全性的相关因素： ✓ （假设）攻击者可以截获在不安全信道上传输的 全部密文 ✓ 实际中往往攻击者可能还会获得一些其它信息 ✓ 安全性也与攻击者拥有的计算能力密切相关
➢ 因此，在攻击者拥有的信息越多，拥有的计算能力越强 的前提下，一个系统是安全的，则说这个系统具有较高 的安全性。
➢ 分组密码由于其固有的特点而成为标准化进程的首选体制。 DES 就是首先成为数据加密标准的分组密码的典型代表。
➢ 作为数据加密标准, DES 算法完全公开,任何个人和团体都 可以使用,其信息的安全性取决于各自密钥的安全性。这正 是现代分组密码的特征。
定义 一个(私钥)分组密码是一种映射:
F2n F2t F2m
➢ 由于假定分组密码算法是公开的，在密钥不知道的情况 下，对已知密文总可采用穷搜索进行攻击。
➢ 如果一个分组密码，它的所有攻击方法均不比穷搜索方 法更好的话，就说它是安全的。
➢ 对分组密码实施穷尽搜索的唯密文攻击，每一个可能的 密钥必须试一次，其复杂度可理解为试解密钥的次数。 若密钥空间为 F2t ，则它的试解次数平均值为 2t1 。
➢ 相关概念之一：攻击类型
相关概念之二：绝对安全性和相对安全性
➢ 一个密码系统的安全性依赖于攻击者的计算能力。
分组密码其他分组密码及工作模式
参考资料
/wiki/Advanced_Encryption_St
andard#cite_note-improved-7 Joan Daemen, Vincent Rijmen, "The Design of Rijndael: AES - The Advanced Encryption Standard." Springer, 2002. ISBN 3-540-42580-2. FIPS PUB 197: the official AES standard William Stallings, Cryptography and Network Security: Principles and Practices, (密码编码学与网 络安全：原理与实践， 孟庆树，王丽娜，傅建明 等译, 电子工业出版社)
AES算法描述
AddRoundKey
添加轮密钥
每个字节与轮密钥的对应字节进行异或运算
AES算法描述
解密过程
AES算法描述
解密过程
雪崩效应
雪崩效应
Ast known attacks were on 7 rounds for 128-bit keys, 8 rounds for 192-bit keys, and 9 rounds for 256-bit keys. On July 1, 2009, a related-key attack on the 192-bit and 256-bit versions of AES discovered by Alex Biryukov and Dmitry Khovratovich; the related key attack on the 256-bit version of AES exploits AES' somewhat simple key schedule and has a complexity of 2^{119}. This is a follow-up to an attack discovered earlier in 2009 by Alex Biryukov, Dmitry Khovratovich, and Ivica Nikolic, with a complexity of 2^{96} for one out of every 2^{35} keys.
现代密码学第4章 分组密码
混淆就是将密文与密钥之间的统计关 系变得尽可能复杂，使得对手即使获 取了关于密文的一些统计特性， 也无 法推测密钥。
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加密操作
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解密操作
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我们用 表示当密钥为k 时利用DES 对明文x 进行加 密得到的密文, 用 表示当密钥为k 时利用DES 对密 文y 进行解密得到的明文. 不难验证, 对任意明文x,
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4. 3. 3 DES的安全性
密钥较短是DES 的一个主要缺陷。DES 的实际密钥长度 为56 比特, 密钥量仅为 。就目前的计算设备的计算 能力而言, DES 不能抵抗对密钥的穷举搜索攻击。
非 平 衡 网 络
点击查看圈变换图示
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4. 2. 2 SP 网络
SP 型分组密码的加密思想如下： 1) 设x 是待加密的明文， 长度为n 比特。n 是分组的长度。 令
2) 对于 在子密钥 的控制下, 对 然后再做置换或可逆的线性变换P。 3) 密文为 做替换S，
。
SP 型分组密码的圈变换如图 5/30
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4. 5. 1 AES的数学基础
系数在 中的多项式
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4. 5. 2 AES的输入输出和中间状态
设加密或解密时的输入为
加密和解密过程中的中间各 步的结果称为一个状态, 每 个状态也是128比特. 设
分组密码的基本的工作模式
分组密码的基本的工作模式
分组密码是一种将明文数据按照固定大小的分组进行加密的密码算法。
其基本的工作模式包括以下几种：
1. 电子密码本模式（Electronic Codebook, ECB）：将每个明文分组独立地加密成密文分组。
这种模式简单直接，但如果相同的明文分组使用相同的密钥进行加密，将得到相同的密文分组，存在安全性问题。
2. 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining, CBC）：在加密之前，将前一个密文分组与当前明文分组进行异或运算，然后再进行加密。
这种模式避免了ECB模式下相同明文分组产生相同密文分组的问题，并增加了一定的安全性。
3. 输出反馈模式（Output Feedback, OFB）：将前一个密文分组作为输入，经过加密算法生成伪随机数流，然后再与当前明文分组进行异或运算得到密文分组。
这种模式具有自同步的特性，但可能受到伪随机数流的影响。
4. 密码反馈模式（Cipher Feedback, CFB）：将前一个密文分组作为输入，经过加密算法生成伪随机数流，再与当前明文分组进行异或运算得到密文分组。
与OFB模式类似，但伪随机数流的生成方式不同。
5. 计数器模式（Counter, CTR）：使用一个计数器作为输入，经过加密算法生成伪随机数流，再与当前明文分组进行异或运算得到密文分组。
这种模式可以并行地加密多个
分组，具有高效性和安全性。
以上是常见的分组密码的基本工作模式，每种模式都有其特点和适用场景。
在实际使用时，需要根据具体的需求和安全要求选择合适的工作模式。
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4.6 分组密码的工作模式
2000年3月NIST为AES公开征集保密工作模式：
15个候选工作模式 ：2DEM、ABC、CTR、IACBC 、IAPM、IGE、KFB、OCB、PCFB、PMAC、R MAC、XCBC（MAC）、XCBC 、XEBC（MAC ）和AES-Hash
2001年12月在文件800-38A中公布了AES用于保密性 的5种工作模式： ECB、CBC、CFB、OFB、CTR（计数模式，Count er Mode）。
1．电码本(ECB)模式
ECB 模式是直接使用分组密码的工作模式， 明文的各个分组独立地使用同一密钥 k 加密。
m1 m2
m3 m4 … C1 C2
C3 C4
Ek (x) Ek (x) Ek (x) Ek (x) … Dk (x) Dk (x) Dk (x) Dk (x)
c1
c2
c3
c4 … m1
4.6 分组密码的工作模式
1980年NIST公布了4种DES的工作模式： 电码本（ECB-Electronic Code Book）模式 密码分组链接（CBC-Ciper Block Chaining）模式 密码反馈（CFB-Ciper Feedback）模式 输出反馈（OFB-Output FeedBack）模式
ci Ek (mi ci1), i 1, 2,3,
m1
m2
m3
m4
…
mn1
IV
Ek (x) Ek (x) Ek (x) Ek (x) …
Ek (x)
c1
c2
c3
c4
…
c n 1
CBC模式加密框图
2．密码分组链接(CBC)模式
• 使用IV 的原因： 如果第一个分组不采用初始向量，那么，两
个相同的消息仍然被加密成相同的密文，并且， 两个消息在第一个不同分组之前的所有分组都将 被加密成相同的消息。
m2
m3
m4
ECB模式的加、脱密框图
1．电码本(ECB)模式
短块处理方法
要求明文长度是明文分组规模的整数倍。 否则就会出现最后一个明文分组是短块的情形 。这时分组短块应如何处理，才能满足要求呢?
1．电码本(ECB)模式
注1：短块处理方法----直接扩充法
方法: 对明文扩充，使最后一个分组不是短块，但 需在文件头或最后一个明文分组中指明文件所含的 字节数。
4.6 分组密码的工作模式
分组密码的工作模式是指以这个分组密码为基 础构造一个分组密码系统的方法。
安全性依赖于算法，不依赖模式，密码模式 不会损害算法的安全性。
4.6 分组密码的工作模式
1 电码本(ECB)模式 2 密码分组链接(CBC)模式 3 密码反馈(CFB)模式 4 输出反馈(OFB) 模式
mN 1 CN 2
DES
mN
DES
CN 1
CN
DES-1
CN
C
长度为24比特
CN 1
mN
C
CBC中的密文挪用
CN
C
DES-1 CN 2
mN 1
2．密码分组链接(CBC)模式
例: 假设银行A和银行B之间的资金转帐系统所使用报 文模式如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时间 发送 标记 银行
密码学
第四章 分组密码
4.6 分组密码的工作模式
4.6 分组密码的工作模式
为什么研究分组密码的工作模式?
一是分组密码不能隐蔽数据模式即相同的 明文组对应着相同的密文组；
二是分组加密不能抵抗组的重放、嵌入和删 除等攻击。
把分组密码算法用到不同的环境中去，环境 不同，要求也不同。为了满足不同的要求，通过 改变分组密码输入与输出的形式，研究出不同的 分组密码工作模式。
倒数第二 最后一个明文
块密文
短块
1．电码本(ECB)模式
设明文的最后一个分组 mN 的长度不足一个完 整的分组，长度是24比特
mN 1
mN
C
CN 1
CN
C
DES
DES
DES-1
DES-1
CN
C
CN 1
mN
C
mN 1
长度为24比特 ECB中的密文挪用
1．电码本(ECB)模式
相同的明文分组永远被加密成相同的密文分 组，所以理论上制作一个包含明文和其相应的 密文的密码本是可能的。 优点： (1) 实现简单； (2) 不同明文分组的加密可并行实施，尤其是 硬件实现时速度很快。
接收 银行
储户姓名
储户帐号
存款 金额
已知条件：攻击者C知道自己的姓名和帐号相对应的密文。
例：假设银行 A和银行B 之间的资金转帐系统所使 用报文模式如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
时间 发送 接收 标记 银行 银行
储户姓名
储户帐号
存款 金额
1．电码本(ECB)模式
敌手C通过截收从A到B的加密消息，只要将 第5至第12分组替换为自己的姓名和帐号相对应的 密文，即可将别人的存款存入自己的帐号。
(A) 添充全0比特或其它固定比特； (B) 添充随机数。 相对而言，方法(A)简单，易实现，但安全性没 有第二种方法好。
1．电码本(ECB)模式
注2：短块处理方法----密文挪用方法
在有些应用中,如数据库加密,磁盘信息加密等，不 允许密文的长度比明文的长度大，这时如何解决短块 问题？
添
加
的
明
文
块
1．电码本(ECB)模式
缺点： 本质上是单表代替密码。 不能隐蔽明文分组的统计规律和结构规律，很容
易受到替换攻击，并且也不能实现完整性认证。
典型应用: （1）用于随机数的加密保护； （2）用于单分组明文的加密。
1．电码本(ECB)模式
ECB 模式最严重的问题是敌手可以在不知道密 钥的情况下，修改密文，欺骗指定的接收者。
IV 无须保密，可以以明文形式在报文中进行 传输，但要随消息更换。
2．密码分组链接(CBC)模式
CBC 模式的脱密过程为
mi Ek1(ci ) ci1, i 1, 2, 3,
c1
c2
c3
k E 1
k E 1
k E 1
IV
m1
m2
m3
CBC模式脱密框图
2．密码分组链接(CBC)模式
设明文的最后一个分组 mN 的长度不足一个完 整的分组，长度是24比特
为了克服ECB的安全性缺陷，我们希望设计 一个技术可以使得当同一个明文分组重复出现时 产生不同的密文分组。一个简单的方法是密码分 组链接，从而使输出不仅与当前输入有关，而且 与以前输入和输出有关。
2．密码分组链接(CBC)模式
在CBC模式下，加密算法的输入是当前明文组与 前一密文组的异或。
为了方便，不妨记 IV为c0，则加密过程可表示为