现代密码学 第3讲DES
现代密码学-第3章分组密码习题与解答-20091206
第3章 分组密码习题及参考答案1. 设DES 算法中，明文M 和密钥K 分别为：M =0011 1000 1100 0100 1011 1000 0100 0011 1101 0101 0010 0011 1001 1110 0101 1110K =1010 1001 0011 0101 1010 1100 1001 1011 1001 1101 0011 1110 1101 0101 1100 0011求L 1和R 2。
解：初始变换IP ：1001 1010 1101 0101 1101 0010 0011 1000 0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 1000则，0L =1001 1010 1101 0101 1101 0010 0011 10000R =0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 1000K 去校验位得：0C =1101 0111 1100 0000 0010 0111 01110D =1010 1000 0111 0110 0011 0101 0010循环左移一位：1C =1010 1111 1000 0000 0100 1110 11111D =0101 0000 1110 1100 0110 1010 0101经过置换选择得到：1K =0000 1111 0110 1000 1101 1000 1001 1010 1000 0111 0011 0001同样可以得到：2K =0101 0101 0110 0001 1101 1101 1011 0101 0101 0000 0110 11101L =0R =0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 1000经过轮函数F 后，0R 经过扩展置换E 后为：0010 1111 1100 0001 0000 1011 1110 0000 1011 1111 0000 0000和1K 异或后经S 盒替换：0100 1100 0011 1000 0100 1100 0000 1010经过P 盒置换后输出：0001 1100 0000 1110 1000 0000 0101 1100和0L 异或得1R ：1000 0110 1101 1011 0101 0010 0110 01001R 经过扩展置换E 得48位输出：1000 1010 0100 0010 0000 1000 0010 0101 1101 0100 10101010同上过程可得2R ：1101 0100 1100 0111 0000 1101 0001 0110即：1L =0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 10002R =1101 0100 1100 0111 0000 1101 0001 01102. 设DES 算法中S 4盒的输入为010101，求其输出。
DES加密算法原理
DES加密算法原理DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，它使用相同的密钥进行加密和解密。
DES算法的原理可以分为以下几个方面。
1.初始置换（IP）：DES加密过程的第一步是对明文进行初始置换，通过将明文中的每个位按照事先规定的顺序重新排列，得到一个初始排列的明文块。
2. 轮函数（Feistel function）：DES算法采用了Feistel网络结构。
在每一轮中，明文块被分成左右两部分，右半部分经过扩展运算（Expansion），将其扩展为一个48位的数据块。
然后将扩展后的数据块与轮密钥进行异或运算，得到一个48位的结果。
3. S-盒变换（S-Box substitution）：接下来，经过48位结果的S-盒变换。
S-盒是DES算法的核心部分，它将6位输入映射为4位输出。
DES算法使用了8个不同的S-盒，每个S-盒都有一个4x16表格，用于将输入映射为输出。
4. P-盒置换（P-Box permutation）：经过S-盒变换后，输出结果通过一个固定的P-盒进行置换运算。
P-盒操作将32位输出重新排列，得到一个新的32位结果。
5. 轮密钥生成（Key schedule）：DES算法使用了16轮的加密迭代过程。
每一轮使用一个不同的48位轮密钥。
轮密钥生成过程根据初始密钥生成所有的轮密钥。
轮密钥生成包括密钥置换选择1、密钥循环移位、密钥置换选择2等步骤。
6. 最后交换（Inverse Initial Permutation）：经过16轮迭代后，得到最终的加密结果。
在最后交换步骤中，将加密结果的左右两部分进行互换，得到最终的加密结果。
DES算法依靠这些步骤进行加密和解密过程。
加密过程中，明文块经过初始置换后，进入16轮的迭代过程，每一轮中使用不同的轮密钥对明文进行加密。
最后得到加密结果。
解密过程与加密过程相反，使用相同的轮密钥对密文进行解密，最终得到明文。
DES算法的安全性主要依赖于密钥的长度和轮数。
现代密码学(第三章)讲述
一、分组密码的基本概念
分组密码的优缺点
分组密码的加解密算法（E，D）简洁快速，所占用的 计算资源小，易于软件和硬件实现。一般来说，用 硬件实现时，流密码比分组密码更简单快速；用软 件实现时，分组密码比流密码更简单快速。 加解密算法（E，D）参数固定，比流密码更容易实现 标准化。 由于明文流被分段加密，因此容易实现同步，而且传 输错误不会向后扩散。 分组密码的安全性很难被证明，至多证明局部安全性。
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一、分组密码的基本概念
透明性和灵活性
透明性即要求算法是可证明安全的（虽然 这是很困难的）。这就要求算法尽可能 使用通用部件，避免黑盒。 灵活性即要求算法的实现可以适应多种计 算环境；明文分组长度可以伸缩；算法 可以移植和变形。
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一、分组密码的基本概念
要求：加解密算法（E，D）不存在弱明文和弱密钥。
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一、分组密码的基本概念
为了抵抗已知明文攻击（甚至选择明文攻 击），分组密码应该满足的性质
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。密码分析者利用 这种依赖关系的方法非常多，因此混淆性也是一 个极为繁杂的概念。
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一、分组密码的基本概念
分组密码所面对的主要威胁： 已知明文攻击
分组密码的密钥z被重复使用，即多次一密。 因此最主要的威胁就是已知明文攻击。 设攻击者Eve获得了一组明文/密文对（m，c）。 他试图在加密方程c=E(m, z) 或解密方程 m=D(c, z)中求出密钥z 。
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DES加密算法详解
DES加密算法详解DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，是最早被广泛使用的加密算法之一、它于1977年被美国国家标准局（NIST）作为联邦信息处理标准（FIPS）发布，并在接下来的几十年内被广泛应用于数据加密领域。
下面将对DES加密算法进行详细解释。
DES算法使用一个56位的密钥来加密64位的数据块。
密钥经过一系列的处理后生成16个48位的子密钥，然后对数据块进行16轮的加密处理。
每轮加密又包括初始置换、扩展置换、与子密钥异或、S盒置换、P置换等步骤。
初始置换（IP）是DES算法的第一步，通过将输入的64位数据块按照特定的规则重新排列来改变其位的位置。
这样可以提高后续处理的随机性和复杂性。
扩展置换（E）是DES算法的第二步，将32位的数据块扩展成48位，并重新排列其位的位置。
这样可以增加密钥和数据的混淆度。
与子密钥异或（XOR）是DES算法的第三步，将扩展后的数据块与生成的子密钥进行异或操作。
这样可以将密钥的信息混合到数据中。
S盒置换是DES算法的核心部分，利用8个不同的4x16位置换表（S 盒）进行16次S盒置换。
S盒将6位输入映射为4位输出，通过混淆和代替的方式增加了加密的随机性。
P置换是DES算法的最后一步，在经过S盒置换后，对输出的32位数据块进行一次最终的置换。
这样可以使得密文在传输过程中更难以破解。
DES算法的解密过程与加密过程相似，只是在16轮中使用的子密钥的顺序是相反的。
解密过程中同样包括初始置换、扩展置换、与子密钥异或、S盒置换、P置换等步骤，最后经过逆初始置换得到明文。
虽然DES算法曾经是数据安全领域的标准算法，但是随着计算机计算能力的提高，DES算法的密钥长度过短（56位）容易被暴力破解，安全性逐渐变弱。
因此，在2001年，DES被高级加密标准（AES）取代，并成为新的数据加密标准。
总结来说，DES加密算法采用对称密钥体制，使用相同的密钥进行加密和解密。
现代密码学知识点整理：
第一章 基本概念1. 密钥体制组成部分：明文空间，密文空间，密钥空间，加密算法，解密算法 2、一个好密钥体制至少应满足的两个条件：（1）已知明文和加密密钥计算密文容易；在已知密文和解密密钥计算明文容易； （2）在不知解密密钥的情况下，不可能由密文c 推知明文 3、密码分析者攻击密码体制的主要方法： （1）穷举攻击 （解决方法:增大密钥量）（2）统计分析攻击（解决方法：使明文的统计特性与密文的统计特性不一样） （3）解密变换攻击（解决方法：选用足够复杂的加密算法） 4、四种常见攻击（1）唯密文攻击：仅知道一些密文（2）已知明文攻击：知道一些密文和相应的明文（3）选择明文攻击：密码分析者可以选择一些明文并得到相应的密文 （4）选择密文攻击：密码分析者可以选择一些密文，并得到相应的明文【注：①以上攻击都建立在已知算法的基础之上；②以上攻击器攻击强度依次增加；③密码体制的安全性取决于选用的密钥的安全性】第二章 古典密码（一）单表古典密码1、定义：明文字母对应的密文字母在密文中保持不变2、基本加密运算设q 是一个正整数，}1),gcd(|{};1,...,2,1,0{*=∈=-=q k Z k Z q Z q q q（1）加法密码 ①加密算法：κκ∈∈===k X m Z Z Y X q q ;,;对任意，密文为：q k m m E c k m od )()(+== ②密钥量：q （2）乘法密码 ①加密算法：κκ∈∈===k X m Z Z Y X q q ;,;*对任意，密文为：q km m E c k m od )(== ②解密算法：q c k c D m k mod )(1-==③密钥量：)(q ϕ （3）仿射密码 ①加密算法：κκ∈=∈∈∈===),(;},,|),{(;21*2121k k k X m Z k Z k k k Z Y X q q q 对任意；密文q m k k m E c k m od )()(21+==②解密算法：q k c k c D m k mod )()(112-==-③密钥量：)(q q ϕ （4）置换密码 ①加密算法：κσκ∈=∈==k X m Z Z Y X q q ;,;对任意上的全体置换的集合为，密文)()(m m E c k σ==②密钥量：!q③仿射密码是置换密码的特例 3.几种典型的单表古典密码体制 （1）Caeser 体制：密钥k=3 （2）标准字头密码体制： 4.单表古典密码的统计分析（二）多表古典密码1.定义：明文中不同位置的同一明文字母在密文中对应的密文字母不同2.基本加密运算 （1）简单加法密码 ①加密算法:κκ∈=∈====),...,(,),...,(,,11n n n nq n q n n k k k X m m m Z Z Y X 对任意设,密文：),...,()(11n n k k m k m m E c ++==②密钥量：nq （2）简单乘法密码 ①密钥量：n q )(ϕ 1.简单仿射密码①密钥量：n n q q )(ϕ2.简单置换密码 ①密钥量：nq )!( （3）换位密码 ①密钥量：!n（4）广义置换密码①密钥量：)!(nq（5）广义仿射密码 ①密钥量：n n r q3.几种典型的多表古典密码体制 （1）Playfair 体制： ①密钥为一个5X5的矩阵②加密步骤：a.在适当位置闯入一些特定字母，譬如q,使得明文字母串的长度为偶数，并且将明文字母串按两个字母一组进行分组，每组中的两个字母不同。
DES
3 DES算法安全性问题
3．1 DES算法密钥的长度 最初的罗斯福密码中密钥长度为128位，DES的加密单位仅有64位二进制，而且其中某些位还要用于奇偶校验或其他通讯开销，有效密钥只有56位，这对于数据传输来说太小，各次迭代中使用的密钥 K i 是递推产生的，这种相关性必然降低了密码体制的安全性。因此，人们会对56位密钥的安全性产生质疑，那么56位密钥是否足够， 已成为人们争论的焦点之一。 至今，最有效的破解DES算法的方法是穷举搜索法，那么56位长的密钥总共要测试 256 次，如果每lOOms可以测试1次，那么需要7．2× 1015 s，人约是228，493，000年。但是，仍有学者认为在可预见的将米川穷举法寻找正确密钥已趋于可行，所以若要安全保护10年以上的数据最好不用DES算法。 近年来有人提出用差分和线性攻击方案来破解DES算法，虽然，从理论上来说破译的性能高于穷举搜索法，但要有超高速计算机提供支持，以至于美国国家保密局和计算机科学技术学会组织各界专家研究DES密码体制的安全性问题后，得出乐观的结论：没有任何可以破译DES密码体制的系统分析法。若使用穷举法，则在1990年以前基本上不可能产生处每天能破译一个DES密钥的专用计算机。即使届时能制造出这样的专用机，它的破译成功率也只会在0．1到0．2之间，而且造价可能高达几千万美元。根据目前的计算技术和DES的分析情况，16一圈DES采刚16轮迭代仍然是安全的，但提醒使用者不要使用低于16一圈的DES，特别是10-圈以下的DES。尽管如此，我们仍然需要考虑对DES算法进行改进，使密钥长度增加些，以实现更好的保密功能。
DES的名词解释
DES的名词解释DES（Data Encryption Standard），即数据加密标准，是一种加密算法，用于保护敏感数据的安全性。
它是美国国家标准局（NBS）于1977年发布的，曾经是全球最广泛使用的对称密钥加密算法之一。
DES的诞生标志着密码学领域的一个重要里程碑，为数据保护提供了一个基准。
1. DES的历史和背景DES的产生与上世纪70年代计算机技术的迅猛发展以及日益增长的通信量密切相关。
当时，随着计算能力的提高，传统加密方式受到了严重挑战。
为了解决这个问题，美国政府决定采取行动，提出了一个国家级的加密标准。
于是，DES应运而生。
2. DES的原理和机制DES采用了对称密钥加密算法，即加密和解密使用相同的密钥。
其核心思想是将明文数据通过一系列复杂的计算转换为密文，以达到保护数据安全的目的。
DES 算法的关键在于轮函数和S盒，轮函数将输入数据进行置换、替换和混淆，而S盒则是一种非线性函数，使得DES的加密过程更加难以逆向破解。
3. DES的安全性和弱点DES在发布时被认为是非常安全的加密算法，但随着计算机技术的进步，DES 的密钥长度（56位）逐渐显得不够安全。
出于对更高安全级别的需求，DES的128位衍生版本的3DES问世，用于加强数据保护的能力。
此外，单次加密过程的速度较慢也是DES的劣势之一。
4. DES的对称密钥管理DES采用的对称密钥机制要求通信双方持有相同的密钥，因此密钥管理成为DES的一个重要问题。
密钥的生成、分发和存储需要得到妥善处理，以确保数据的安全。
5. DES的发展和应用DES的发布引发了密码学领域的革新，激发了更多的研究和新算法的诞生。
尽管DES已经在一些领域中被其他更安全的加密算法所取代，但它仍然是密码学的重要里程碑，对后续加密算法的发展产生了深远影响。
DES的基本思想也被应用于电子支付、虚拟货币等领域。
6. DES的影响和争议尽管DES在数据保护领域有重要作用，但它也引起了一些争议。
杨波,_《现代密码学(第2版)》第三章 3.1-3.4节
图3.1 分组密码框图
通常取m=n。 。 通常取 若m>n，则为有数据扩展的分组密码； ，则为有数据扩展的分组密码； 若m<n，则为有数据压缩的分组密码。 ，则为有数据压缩的分组密码。
设计的算法应满足下述要求： 设计的算法应满足下述要求： 分组长度n要足够大 要足够大， ① 分组长度 要足够大，使分组代换字母表中的元素 个数2 足够大，防止明文穷举攻击法奏效。 个数 n足够大，防止明文穷举攻击法奏效。 DES、IDEA、FEAL和LOKI等分组密码都采用 、 等分组密码都采用n=64， 、 和 等分组密码都采用 ， 在生日攻击下用232组密文成功概率为1/2，同时要求 在生日攻击下用 组密文成功概率为 ， 存贮， 232×64b=215MB存贮，故采用穷举攻击是不现实的。 存贮 故采用穷举攻击是不现实的。
• 如将分组 化分为子段，每段长为 、16或者 。 如将分组n化分为子段 每段长为8、 或者 化分为子段， 或者32。 • 软件实现时，应选用简单的运算，使作用于子段上 软件实现时，应选用简单的运算， 的密码运算易于以标准处理器的基本运算，如加、 的密码运算易于以标准处理器的基本运算，如加、 移位等实现， 乘、移位等实现，避免用以软件难于实现的逐比特 置换。 置换。 • 为了便于硬件实现，加密和解密过程之间的差别应 为了便于硬件实现， 仅在于由秘密密钥所生成的密钥表不同而已。这样， 由秘密密钥所生成的密钥表不同而已 仅在于由秘密密钥所生成的密钥表不同而已。这样， 加密和解密就可用同一器件实现。 加密和解密就可用同一器件实现。 • 设计的算法采用规则的模块结构，如多轮迭代等， 设计的算法采用规则的模块结构，如多轮迭代等， 以便于软件和VLSI快速实现。 快速实现。 以便于软件和 快速实现
数据扩展尽可能地小。一般无数据扩展， ⑤ 数据扩展尽可能地小。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入数据扩展。 态置换和随机化加密技术时可引入数据扩展。 差错传播尽可能地小。 ⑥ 差错传播尽可能地小。
密码学--DES实例演示
明文、密钥都是一个64位分组，要求：
1、明文加密要求从读入明文到完成一轮加密，即要求先做IP置换，再做一轮加密，输出L1,R1为止。
2、产生轮子密钥求出k1
3、作业中的每一步，都要求有文字的描述说明。
明文：83 5B 6A 35 53 22 3A 67
密钥：79 35 6C 90 05 61 35 55
产生轮子密钥：
经过密钥置换1得到：
前28位得到C0为：
前28位向左循环移一位得到C1为：
后28位为D0：
后28位向左循环移一位得到D1为：
经过密钥置换2得到K1(第一轮轮子的密钥)：
对明文分组的变换如下：
IP置换：
R0经过选为表E得到E(R0):
E(R0)与K1异或得到：
输入S1的六位为：110100 ，查S盒(2,10) ，得输出为：9 输入S2的六位为：001000 ，查S盒(0,4) ，得输出为： 6 输入S3的六位为：011000 ，查S盒(0,12) ，得输出为：11 输入S4的六位为：011010 ，查S盒(0,13) ，得输出为：12 输入S5的六位为：111101 ，查S盒(3,14) ，得输出为： 5 输入S6的六位为：000101 ，查S盒(1,2) ，得输出为： 4 输入S7的六位为：000110 ，查S盒(0,3) ，得输出为：14 输入S8的六位为：111010 ，查S盒(2,13) ，得输出为： 3
经P置换後结果P如下：
P与L0异或得到R1:
即：（十六进制数）
01 EC 46 F7 F2 CC 95 C4。
DES算法详细介绍
1973年5月15日，美国国家标准局（现在美国国家标准技术研究所（NIST）在联邦注册报上发表一则启事，公开征集用来保护传输和静止存储中的计算机数据的密码算法，这一举措最终导致了数据加密标准DES的出现。
DES采用分组乘积密码体制，它是由IBM开发，是对早期被称为Lucifer 密码体制的改进。
DES在1975年3月17日首次在联邦记录中公布，而且声明对比算法征求意见。
到1977年2月15日拟议中的DES被采纳为“非密级”应用的一个联邦标准。
最初预期DES作为一个标准只能使用10~15年，然而，出于种种原因，可能是DES还没有受到严重的威胁，事实证明了DES要长寿得多。
在其被采用后，大约每隔5年被评审一次。
DES的最后一次评审是在1999年1月。
但是，随着计算机计算能力的提高，由于DES的密钥过短，仅有56位，对DES的成功攻击也屡见报端。
例如：1999年1月，RSA数据安全公司宣布：该公司所发起的对56位DES的攻击已经由一个称为电子边境基金（EFF）的组织，通过互联网上的100000台计算机合作在22小时15分钟内完成。
在这种情况下，对于替代DES的要求日益增多。
最终，NIST于1997年发布公告，征集新的数据加密标准作为联邦信息处理标准以代替DES。
新的数据加密标准称为AES，关于AES的讨论将放在后面的4.5节。
尽管如此，DES的出现是现代密码学历史上非常重要的事件。
它对于我们分析掌握分组密码的基本理论与设计原理仍然具有重要的意义。
4.1.1DES算法描述DES是一个16轮的Feistel型结构密码，它的分组长度为64比特，用一个56比特的密钥来加密一个64比特的明文串，输出一个64比特的密文串。
其中，使用密钥为64比特，实用56比特，另8位用作奇偶校验。
加密的过程是先对64位明文分组进行初始置换，然后分左、右两部分分别经过16轮迭代，然后再进行循环移位与变换，最后进行逆变换得出密文。
加密与解密使用相同的密钥，因而它属于对称密码体制。
des的原理
des的原理
DES（Data Encryption Standard）是一种对称密钥加密算法，由IBM于1970年代初开发并于1977年被美国国家标准局（NIST）选为标准。
DES的原理如下：
1. 密钥生成：DES使用一个64位的密钥，但实际上只有56位被用于加密算法，每个字节的第8位用于奇偶校验。
密钥生成算法通过对输入密钥进行一系列的置换、选择和旋转操作，生成16个48位的子密钥。
2. 初始置换（Initial Permutation）：明文首先经过一个初始置换，将64位的明文按照固定的规则进行重新排列。
3. 加密轮（Encryption Round）：DES使用Feistel结构，将64位的明文分为左右两部分，每个加密轮都对右半部分进行扩展置换、与子密钥进行异或运算、通过S盒进行代替、再进行置换，最后与左半部分进行异或运算得到下一轮的右半部分。
4. 逆初始置换（Inverse Initial Permutation）：经过16轮加密后，左右两部分进行交换，然后经过逆初始置换得到密文。
5. 解密：解密过程与加密过程类似，只是子密钥的使用顺序相反。
DES的安全性主要依赖于其子密钥的生成和S盒的设计。
然而，随
着时间的推移，计算机技术的发展，DES的56位密钥长度被认为不再足够安全，因此DES已经逐渐被更强大的加密算法如AES所取代。
现代密码学-DES的安全性
1
主要内容
• • • • • 穷举攻击分析 Feistel模型分析 Feistel模型分析 S盒的设计标准 DES算法的互补对称性 DES算法的互补对称性 DES算法的加强方案----多重 算法的加强方案----多重DES DES算法的加强方案----多重DES
Ek (m) = Ek (m) = c ' 是否为正确密钥,即检验 利用明密对 (m, c2 ) 检验 k是否为正确密钥 即检验 c2 = c '
是否成立.若成立 则判定 为候选密钥,否则返回 否则返回Step3检 是否成立 若成立,则判定 k 为候选密钥 否则返回 若成立 检 中的下个元. 验K(0)中的下个元
5
Feistel模型分析 一、 Feistel模型分析
Li-1（32位） f Ri-1（32位）
Li（32位）
Ri（32位）
优点: 优点 设计容易: 函数不要求可逆, 1. 设计容易:f 函数不要求可逆,加、解密解算法结 构相同； 构相同； 2.强度高：如果f 函数是随机的,则连续若干圈复 2.强度高： 函数是随机的, 强度高 合形成的函数与随机置换是无法区分的. 合形成的函数与随机置换是无法区分的.
14
三、DES算法的互补对称性 DES算法的互补对称性
定理 DESk (m) = DESk (m) 证明：由于 函数具有性质： 证明：由于DES的F函数具有性质： 的 函数具有性质 从而DES算法的圈函数满足 算法的圈函数满足 从而
(L, R)
F(k, R) = PS(k ⊕ E(R)) = PS(k ⊕ E(R)) = F(k, R)
4
穷举攻击算法的计算复杂性
设密钥在密钥空间K中服从均匀分布 中服从均匀分布， 定理 设密钥在密钥空间 中服从均匀分布，且没有 等效密钥,则穷举攻击平均需要检验完 等效密钥 则穷举攻击平均需要检验完 K + 1 个 2 2 密钥后才找到正确密钥。 密钥后才找到正确密钥。 结论: 结论 算法的穷举攻击平均计算复杂性为2 对DES算法的穷举攻击平均计算复杂性为 55. 算法的穷举攻击平均计算复杂性为
DES算法详解
DES算法详解简介 DES（Data Encryption Standard）数据加密标准。
DES是有IBM公司研制的⼀种对称加密算法，美国国家标准局于1977年公布把它作为⾮机要部门使⽤的数据加密标准。
DES是⼀个分组加密算法，就是将明⽂分组进⾏加密，每次按顺序取明⽂⼀部分，⼀个典型的DES以64位为分组，加密解密⽤算法相同。
它的密钥长度为56位，因为每组第8位是⽤来做奇偶校验，密钥可以是任意56位的数，保密性依赖于密钥。
概念 1、密钥：8个字节共64位的⼯作密钥（决定保密性能） 2、明⽂：8个字节共64位的需要被加密的数据 3、密⽂：8个字节共64位的需要被解密的数据加解密过程加密 1、明⽂数据分组，64位⼀组。
2、对每组数据进⾏初始置换。
即将输⼊的64位明⽂的第1位置换到第40位，第2位置换到第8位，第3位置换到第48位。
以此类推，最后⼀位是原来的第7位。
置换规则是规定的。
L0(Left)是置换后的数据的前32位，R0(Right)是置换后的数据的后32位； 具体置换规则有四步： 第⼀步：将明⽂数据转换为16*4的⼆维数组，形成⼀个数据空间。
第⼆步：数据左右对分，变成两个16*2的⼆维数组，然后每个数组各⾃都需要这样操作：从下往上，每两⾏形成⼀⾏数据。
分别得到两个8*4的⼆维数组。
第三步：新建⼀个16*4的⼆维数组（strNew1[16][4]），数组上半部分空间的数据存储左边数据块置换的结果，下半部分存储右边数据库置换的结果。
最后⼀步：把整个（strNew1[16][4]）16*4的⼆维数组数据空间的按列进⾏置换到新的⼆维数组（strNew2[16][4]）： 数组strNew1第2列放到数组strNew2第1列的位置； 数组strNew1第4列放到数组strNew2第2列的位置； 数组strNew1第1列放到数组strNew2第3列的位置； 数组strNew1第3列放到数组strNew2第4列的位置； 数组strNew2就是我们初始置换的结果。
现代密码学实验报告(DES-AES-RSA)
4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,
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,
38,6,46,14,54,22,62,30,
37,5,45,13,53,21,61,29,
36,4,44,12,52,20,60,28,
35,3,43,11,51,19,59,27,
34,2,42,10,50,18,58,26,
33,1,41,9,49,17,57,25};
//E位选择表
static const char e_table[48]={32,1,2,3,4,5,4,5,
19,11,3,60,52,44,36,
63,55,47,39,31,23,15,
7,62,54,46,38,30,22,
14,6,61,53,45,37,29,
21,13,5,28,20,12,4};
//pc2选位表
const static char pc2_table[48]={14,17,11,24,1,5,3,28,
{
for(char i=0,j,k;i<8;i++,in+=6,out+=4)
2.AES算法的基本原理和特点。
答：AES加密数据块分组长度必须为128比特，密钥长度可以是128比特、192比特、256比特中的任意一个（如果数据块及密钥长度不足时，会补齐）。AES加密有很多轮的重复和变换。大致步骤如下：1、密钥扩展（KeyExpansion），2、初始轮（Initial Round），3、重复轮（Rounds），每一轮又包括：SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey，4、最终轮（Final Round），最终轮没有MixColumns。
现代密码学-分组密码DES
美国数字设备公司开发软件实现在ibm3090大型机上des软件实现每秒加密32万次在80486处理器速度为66mhz总线宽32位的微机上des软件实现每秒加密43万次24des的安全性在选择明文攻击时只需实验256个密钥的一半228不要使用互补密钥des至少有4个弱密钥很可能不存在其它弱密钥
分组密码
PC-2
14 17 11 24 1 5 3 28 15 6 21 10 23 19 12 4 26 8 16 7 27 20 13 2 41 52 31 37 47 55 30 40 51 45 33 48 44 49 39 56 34 53 46 42 50 36 29 32
19
57 49 41 33 25 17 9 1 58 50 42 34 26 18 10 2 59 51 43 35 27 19 11 3 60 52 44 36 63 55 47 39 31 23 15 7 62 54 46 38 30 22 14 6 61 53 45 37 29 21 13 5 28 20 12 4
于劳埃德保险公司的现金分配系统 Feistel代换-置换网络主要参数
分组大小: (2w=64) 密钥大小: (|K|=128) 轮数:h 子密钥产生算法: K K1, K2,…, Kh. 轮函数设计: F
des算法的基本原理和步骤
des算法的基本原理和步骤DES 算法呀，就像是一个神秘的密码盒子。
它的基本原理呢，就是通过一系列复杂的操作来对信息进行加密和解密。
想象一下，我们有一串明文，就好像是一件宝贝，我们要把它藏起来不让别人轻易发现。
DES 算法就像是一个神奇的魔法师，通过一系列独特的步骤来给这件宝贝披上一层神秘的外衣。
第一步呢，就像是给宝贝穿上一件特制的衣服。
它会对明文进行初始置换，让明文的排列发生变化。
这就好像是把宝贝打乱了顺序，让别人一下子摸不着头脑。
接下来呀，进入到了一轮又一轮的复杂运算中。
这就好比是在给宝贝设置层层关卡，每一轮都有独特的操作和变换。
就像走迷宫一样，让试图破解的人晕头转向。
然后呢，还有密钥的参与。
这密钥就像是打开密码盒子的钥匙，只有拥有正确的密钥，才能顺利地解开加密后的信息。
要是没有这把钥匙，那可就像是在黑暗中摸索，怎么也找不到出路。
在加密的过程中，DES 算法会不断地变换、计算，把明文变得面目全非。
这可真是神奇啊！等需要解密的时候呢，再按照相反的步骤，用正确的密钥一步步还原出原来的明文。
你说这是不是很厉害？它就像是一个保护我们信息安全的卫士，默默地守护着我们的秘密。
在当今这个信息时代，DES 算法可发挥了大作用呢！它让我们在网络世界里能够放心地交流和传递信息，不用担心被别人轻易窃取。
你看，银行转账、网上购物等等这些涉及到我们重要信息的地方，都有 DES 算法的身影。
它就像是一个隐形的保镖，时刻保护着我们的财产安全和隐私。
所以啊，了解 DES 算法的基本原理和步骤可真是太重要啦！这不仅能让我们更好地理解信息安全的重要性，还能让我们对现代科技的神奇之处有更深刻的认识。
我们可不能小瞧了这个小小的算法，它背后蕴含的智慧和力量可不容小觑呢！难道不是吗？。
DES算法详解
DES算法详解 本⽂主要介绍了DES算法的步骤，包括IP置换、密钥置换、E扩展置换、S盒代替、P盒置换和末置换。
1.DES算法简介 DES算法为密码体制中的对称密码体制，⼜被称为美国数据加密标准。
DES是⼀个分组加密算法，典型的DES以64位为分组对数据加密，加密和解密⽤的是同⼀个算法。
密钥长64位，密钥事实上是56位参与DES运算（第8、16、24、32、40、48、56、64位是校验位，使得每个密钥都有奇数个1），分组后的明⽂组和56位的密钥按位替代或交换的⽅法形成密⽂组。
DES算法的主要流程如下图所⽰，本⽂按照流程依次介绍每个模块。
2.IP置换 IP置换⽬的是将输⼊的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位。
置换规则如下表所⽰：58504234261810260524436282012462544638302214664564840322416857494133251791595143352719113615345372921135635547393123157 表中的数字代表新数据中此位置的数据在原数据中的位置，即原数据块的第58位放到新数据的第1位，第50位放到第2位，……依此类推，第7位放到第64位。
置换后的数据分为L0和R0两部分，L0为新数据的左32位，R0为新数据的右32位。
要注意⼀点，位数是从左边开始数的，即最0x0000 0080 0000 0002最左边的位为1，最右边的位为64。
3.密钥置换 不考虑每个字节的第8位，DES的密钥由64位减⾄56位，每个字节的第8位作为奇偶校验位。
产⽣的56位密钥由下表⽣成（注意表中没有8,16,24，32,40,48,56和64这8位）：57494133251791585042342618102595143352719113605244366355473931231576254463830221466153453729211352820124 在DES的每⼀轮中，从56位密钥产⽣出不同的48位⼦密钥，确定这些⼦密钥的⽅式如下： 1).将56位的密钥分成两部分，每部分28位。
现代密码学——DES算法(实验报告)
课程名称现代密码学实验实验项目名称 DES算法【实验目的】1.理解对称加密算法的原理和特点。
2.理解DES算法的加密原理。
【实验环境】1.实验人数：每组2人2.系统环境：Windows3.网络环境：交换网络结构4.实验工具：VC++6.0、密码工具【实验原理】一．对称密钥加密机制对称密钥加密机制即对称密码体系，也称为单钥密码体系和传统密码体系。
对称密码体系通常分为两大类，一类是分组密码（如DES、AES算法），另一类是序列密码（如RC4算法）。
对称密码体系加密和解密时所用的密钥是相同的或者是类似的，即由加密密钥可以很容易地推导出解密密钥，反之亦然。
同时在一个密码系统中，我们不能假定加密算法和解密算法是保密的，因此密钥必须保密。
发送信息的通道往往是不可靠的或者不安全的，所以在对称密码系统中，必须用不同于发送信息的另外一个安全信道来发送密钥。
图1描述了对称密码(传统密码)系统原理框架，其中M表示明文；C表示密文；E表示加密算法；D表示解密算法；K表示密钥；I表示密码分析员进行密码分析时掌握的相关信息；B表示密码分析员对明文M的分析和猜测。
图1 传统密码系统原理框架图对称密码体系的优点：●加密效率高，硬件实现可达每秒数百兆字节（软件实现略慢一些）。
●密钥相对比较短。
●可以用来构造各种密码机制。
●可以用来建造安全性更强的密码。
对称密码体系的缺点：●通信双方都要保持密钥的秘密性。
●在大型网络中，每个人需持有许多密钥。
●为了安全，需要经常更换密钥。
二．DES加密算法简介1973年5月15日，美国国家标准局在联邦注册报上发表一则启事，公开征集用来保护传输和静止存储的计算机数据的密码算法，这一举措最终导致了数据加密标准DES的出现。
DES采用分组乘积密码体制，它是由IBM开发的，是对早期Lucifer密码体制的改进。
DES 在1975年3月17日首次在联邦记录中公布，而且声明对此算法征求意见。
到1977年2月15日拟议中的DES被采纳为“非密级”应用的一个联邦标准。
第3章02--分组密码体制(DES)
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
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3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 分组密码概述 数据加密标准 差分密码分析 分组密码的运行模式 IDEA AES算法 算法——Rijndael 算法
1
2010-10-9
3.1 分组密码概述
2010-10-9
2
分组密码概述
分组密码是许多系统安全的一个重要组 成部分。 成部分。可用于构造
2010-10-9 7
分组密码算法应满足的要求
加密和解密运算简单： 加密和解密运算简单： 易于软件和硬件高速实现。 易于软件和硬件高速实现。 加密和解密可用同一器件实现。 加密和解密可用同一器件实现。 数据扩展： 数据扩展： 一般无数据扩展， 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入数据扩展。 机化加密技术时可引入数据扩展。 差错传播尽可能地小。 差错传播尽可能地小。
扩散和混淆—抗统将明文及密钥的影响尽可能迅速地散布到较多 输出的密文中，使比特0 输出的密文中，使比特0、1均匀分布
混淆(confusion) 混淆(confusion)
使明文、 使明文、密钥和密文之间的关系复杂化 分组密码设计思想：扩散、混淆 分组密码设计思想：扩散、 置换和代换方法可实现扩散 扩散、 置换和代换方法可实现扩散、混淆
M34 M36 M38 M40 M33 M35 M37 M39
M26 M28 M30 M32 M25 M27 M29 M31
M18 M20 M22 M24 M17 M19 M21 M23
M10 M2 M12 M4 M14 M6 M16 M8 M9 M1 M11 M3 M13 M5 M15 M7
初始置换IP 初始置换
DES加密算法框图 加密算法框图
M1 M9 M17 M25 M33 M41 M49 M57
M2 M10 M18 M26 M34 M42 M50 M58
M3 M4 M11 M12 M19 M20 M27 M28 M35 M36 M43 M44 M51 M52 M59 M60
M5 M6 M7 M8 M13 M14 M15 M16 M21 M22 M23 M24 M29 M30 M31 M32 M37 M38 M39 M40 M45 M46 M47 M48 M53 M54 M55 M56 M61 M62 M63 M64
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3.1.3 Feistel密码结构
乘积密码： 乘积密码： 顺序地执行两个或多个基本密码系统 密码强度高于每个基本密码系统的强度。 密码强度高于每个基本密码系统的强度。 Feistel密码基本思想： 密码基本思想： 密码基本思想 利用乘积密码实现混淆和扩散
2010-10-9
12
Feistel网络参数 网络参数
分组大小。分组越大则安全性越高 越大则安全性越高， ① 分组大小。分组越大则安全性越高，但 加密速度就越慢。 加密速度就越慢。最为普遍使用的分组大 小是64比特 比特。 小是 比特。 密钥大小。密钥越长则安全性越高， ②密钥大小。密钥越长则安全性越高，但 加密速度就越慢。现在普遍认为64比特或 加密速度就越慢。现在普遍认为 比特或 更短的密钥长度是不安全的， 更短的密钥长度是不安全的，通常使用 128比特的密钥长度。 比特的密钥长度。 比特的密钥长度 轮数。单轮结构远不足以保证安全性， ③ 轮数。单轮结构远不足以保证安全性， 多轮结构可提供足够的安全性。典型地， 多轮结构可提供足够的安全性。典型地， 轮数取为16。 轮数取为 。 子密钥产生。算法的复杂性越大， ④ 子密钥产生。算法的复杂性越大，则密 码分析的困难性就越大。 码分析的困难性就越大。 轮函数。轮函数越复杂， ⑤ 轮函数。轮函数越复杂，密码分析的困 难性也越大。 难性也越大。
若n>m，则为有数据压缩的分组密码。 ，则为有数据压缩的分组密码。 若n<m，则为有数据扩展的分组密码。 ，则为有数据扩展的分组密码。
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分组密码算法应满足的要求
分组长度n要足够大： 分组长度 要足够大： 要足够大
防止明文穷举攻击法奏效。 防止明文穷举攻击法奏效。
密钥量要足够大： 密钥量要足够大：
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4
分组密码概述
明文序列 x1, x2,…, xi,… 加密函数E: 加密函数 Vn×K→Vm →
密钥k=(k0, k1,…, kt-1 ) 明文 x=(x0, x1,…, xn-1) 加密算法
密钥k=(k0, k1,…, kt-1 ) 明文 x=(x0, x1,…, xn-1) 解密算法
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3.2.1 DES描述 描述
明文分组长为64比特，密钥长为 比特 比特。 明文分组长为 比特，密钥长为56比特。 比特 一个初始置换IP，用于重排明文分组的64比特数 一个初始置换 ，用于重排明文分组的 比特数 据。 具有相同功能的16轮变换 轮变换， 具有相同功能的 轮变换，和Feistel密码结构完 密码结构完 全相同。 轮变换的输出左右两半交换次序。 全相同。第16轮变换的输出左右两半交换次序。 轮变换的输出左右两半交换次序 经过一个逆初始置换IP 产生64比特的密文 经过一个逆初始置换 -1产生 比特的密文
消息认证码(MAC)和杂凑函数 消息认证码(MAC)和杂凑函数 单钥数字签字体制的核心组成部分 拟随机数生成器
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3
应用中对于分组码的要求
安全性 运行速度 存储量(程序的长度、数据分组长度、高速缓 存储量(程序的长度、数据分组长度、 存大小) 存大小) 实现平台( 软件、芯片) 实现平台(硬、软件、芯片) 运行模式
Feistel网络中每轮结构都相同 网络中每轮结构都相同 代换substitution：每轮中右半数据 代换 ： 被作用于轮函数F后 被作用于轮函数 后，再与左半数据 进行异或运算。 进行异或运算。 置换permutation ：代换完成后， 代换完成后， 置换 再交换左、 再交换左、右两半数据 Feistel网络结构：Shannon提出的 网络结构： 网络结构 提出的 代换—置换网络 置换网络（ 代换 置换网络（SPN）的特有形式。 ）的特有形式。
Feistel加密结构 加密结构
第i轮迭代的输入为前一轮输 轮迭代的输入为前一轮输 出的函数： 出的函数： 其中Ki是第 轮用的子密钥， 是第i轮用的子密钥 其中 是第 轮用的子密钥， 由加密密钥K得到 得到。 由加密密钥 得到。
Li = Ri 1
Ri = Li 1 ⊕ F ( Ri 1 , K i )
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代换Substitution
代换：明文分组到密文分组的可逆变换 代换：明文分组到密文分组的可逆变换 明文和密文的分组长都为n比特 比特， 明文和密文的分组长都为 比特，则明文的每一个分组 都有2n个可能的取值；不同可逆变换的个数有2n!个 都有 个可能的取值；不同可逆变换的个数有 个 实际中常将n分成较小的段 如下： 分成较小的段， 实际中常将 分成较小的段，如下：
相 关 证 明
所以解密过程第1轮的输出等于加密过程第 所以解密过程第 轮的输出等于加密过程第16 轮的输出等于加密过程第 轮输入左右两半交换后的结果。 轮输入左右两半交换后的结果。 可证对应关系在16轮中均成立 可证对应关系在 轮中均成立
3.2 数据加密标准
数据加密标准（ 数据加密标准（data encryption standard, DES）是迄今 ） 为止世界上最为广泛使用和流行的一种分组密码算法. 为止世界上最为广泛使用和流行的一种分组密码算法 DES由IBM研制 分组长度为 比特，密钥长度为 比特 研制,分组长度为 比特， 比特. 由 研制 分组长度为64比特 密钥长度为56比特 1998年5月美国 月美国EFF宣布，他们以一台价值 万美元的计算 宣布， 年 月美国 宣布 他们以一台价值20万美元的计算 机改装成的专用解密机， 小时破译了56 比特密钥的 比特密钥的DES。 机改装成的专用解密机，用56小时破译了 小时破译了 。 美国已决定1998年12月以后将不再使用 月以后将不再使用DES。 美国已决定 年 月以后将不再使用 。 美国国家标准和技术协会征集并进行几轮评估、筛选， 美国国家标准和技术协会征集并进行几轮评估、筛选，产生 了称之为AES(advanced encryption standard) 新加密标准。 新加密标准。 了称之为 尽管如此， 尽管如此，DES对于推动密码理论的发展和应用毕竟起了重 对于推动密码理论的发展和应用毕竟起了重 大作用，对于掌握分组密码的基本理论、 大作用，对于掌握分组密码的基本理论、设计思想和实际应用 仍然有着重要的参考价值。 仍然有着重要的参考价值。
58 50 42 34 26 18 10 2 60 52 44 36 28 20 12 4 62 54 46 38 30 22 14 6 64 56 48 40 32 24 16 8 57 49 41 33 25 17 9 1 59 51 43 35 27 19 11 3 61 53 45 37 29 21 13 5 63 55 47 39 31 23 15 7
尽可能消除弱密钥并使所有密钥同等地好， 尽可能消除弱密钥并使所有密钥同等地好，以防止 密钥穷举攻击奏效。
由密钥确定置换的算法要足够复杂： 由密钥确定置换的算法要足够复杂：
充分实现明文与密钥的扩散和混淆， 充分实现明文与密钥的扩散和混淆，没有简单的关 系可循，要能抗击各种已知的攻击。 系可循，要能抗击各种已知的攻击。
初始置换前后
40 39 38 37 36 35 34 33 8 7 6 5 4 3 2 1 48 47 46 45 44 43 42 41
逆初始置换IP 逆初始置换 -1
16 15 14 13 12 11 10 9 56 55 54 53 52 51 50 49 24 23 22 21 20 19 18 17 64 63 62 61 60 59 58 57 32 31 30 29 28 27 26 25