常用加密算法介绍

穷举，即强行攻击（需要 255 次尝试）。此外，1990 年，Eli Biham 和 Adi Shamir 提出用“微分分析法”对 DES 进行攻击，实际需要 247 次尝试，也只有理论上的价值。 后来，有人提出一种明文攻击法——“线性逼近法”，它需要 243 对明文-密文对， 在这样强的要求条件下，要十多台工作站协同工作花费十几天才能完成攻击。表 5-2 为不同条件下 DES 攻击时间的预测。
先进攻击技术
数周
数日
数小时
数毫秒
数微秒
数百年
数十年
数年
数小时
数秒钟
数千年
数百年
数十年
数日
数分钟
不可能
不可能
不可能
数百年
数百年
不可能
不可能
不可能
不可能
数千年
在 1977 年，人们估计要耗资 2000 万美元才能建成一个专门计算机用于 DES 的 解密，而且需要 12h 的破解才能得到结果。1997 年开始，RSA 公司发起了一个称作 “向 DES 挑战”的竞技赛。1997 年 1 月，用了 96 天时间，成功地破解了用 DES 加密 的一段信息；一年之后的记录是 41 天；1998 年 7 月，“第二届 DES 挑战赛（DES Challenge II-2）” 把破解 DES 的时间缩短到了只需 56h；“第三届 DES 挑战赛（DES Challenge III）”把破解 DES 的时间缩短到了只需 22.5h 。总之，随着各种针对 DES 新攻击手法的不断出现，DES 已感觉到了实际的威胁，也许 DES 即将完成其历史 使命。尽管如此，自 DES 正式成为美国国家标准以来，已有许多公司设计并推广了 实现 DES 算法的产品，有的设计专用 LSI 器件或芯片，有的用现成的微处理器实现， 有的只限于实现 DES 算法，有的则可以运行各种工作模式。
表 5-2 不同条件下 DES 攻击时间的预测
攻击者类型
密钥长度 计算资源
（假设）
40 bit 56 bit 64 bit 80 bit 128 bit
个人攻击 小组攻击 院校网络攻击 大公司
军事情报机构
1 台高性 能计算机
16 台高性 能计算机
256 台 高性 能）及 （百万美元级）
5.3.2 单钥加密算法
传统加密方法的统计特性是此类算法致命的缺陷。为了提高保密强度，可将这 几种加密算法结合使用，形成秘密密钥加密算法。由于可以采用计算机硬件和软件 相结合来实现加密和解密，算法的结构可以很复杂，有很长的密钥，使破译很困难， 甚至不可能。由于算法难以破译，可将算法公开，攻击者得不到密钥，也就不能破 译，因此这类算法的保密性完全依赖于密钥的保密，且加密密钥和解密密钥完全相 同或等价，又称为对称密钥加密算法，其加密模式主要有序列密码（也称流密码） 和分组密码两种方式。
分组密码是将明文消息编码表示后的数字序列 x1 ，x2 ，…，xi ，…，划分为 长为 m 的组 x=(xo ，xl ，…，xm-1 )，各组(长为 m 的矢量)，分别在密钥 k=(ko ，k1 ，…， kL-1 )控制下变换成等长的输出数字序列 y=(yo ，y1 ，…，yn-1 )(长为 n 的矢量)，其 加密函数 E：Vn ×K→Vn ，Vn 是 n 维矢量空间，K 为密钥空间。它与流密码不同之 处在于输出的每一位数字不是只与相应时刻输入的明文数字有关，而是还与一组长 为 m 的明文数字有关。在相同密钥条件下，分组密码对长为 m 的输入明文组所实施 的变换是等同的，所以只需要研究对任一组明文数字的变换规则。这种密码实质上 是字长为 m 的数字序列的代替密码。通常取 n=m，若 n>m，则为有数据扩展的分组密 码，若 n<m，则为有数据压缩的分组密码。
围绕单钥密钥体制，密码学工作者已经开发了众多行之有效的单钥加密算法， 并且对基于这些算法的软硬件实现进行了大量的工作。常用的单钥加密算法有 DES 算法、IDEA 算法。
1．数据加密标准 DES 算法 DES 算法的发明人是 IBM 公司的 W.Tuchman 和 C.Meyer，于 1971-1972 年研制成 功。美国商业部的国家标准局 NBS 于 1973 年 5 月和 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，该算法于 1976 年 11 月被美国政府采用，DES 随后被美国国家标准局和美国国 家标准协会(American National Standard Institute，ANSI)承认。1977 年 1 月以
表 5-1 英文字母在书报中出现的频率
字A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
母
频 13.05 9.02 8.21 7.81 7.28 6.77 6.64 6.64 5.58 4.11 3.60 2.93 2.88
率
字N
O
P
Q
R
S
T
U
V
WX
Y
Z
母
频 2.77 2.62 2.15 1.51 1.49 1.39 1.28 1.00 0.42 0.30 0.23 0.14 0.09
图 5-9 56 位 DES 加密算法的框图
DES 加密算法框图明文加密过程如下： 1）将长的明文分割成 64 位的明文段，逐段加密。将 64 位明文段首先进行与密 钥无关的初始变位处理。 2）初始变位后结果，要进行 16 次的迭代处理，每次迭代的框图相同，但参加 迭代的密钥不同，密钥共 56 位，分成左右两个 28 位，第 i 次迭代用密钥 Ki 参加操 作，第 i 次迭代完后，左右 28 位的密钥都作循环移位，形成第 i+1 次迭代的密钥。 3）经过 16 次迭代处理后的结果进行左、右 32 位的互换位置。 4）将结果进行一次与初始变位相逆的还原变换处理得到了 64 位的密文。 上述加密过程中的基本运算包括变位、替换和异或运算。DES 算法是一种对称算 法，既可用于加密，也可用于解密。解密时的过程和加密时相似，但密钥使用顺序 刚好相反。 DES 是一种分组密码，是两种基本的加密组块替代和换位的细致而复杂的结合， 它通过反复依次应用这两项技术来提高其强度，经过共 16 轮的替代和换位的变换后， 使得密码分析者无法获得该算法一般特性以外更多的信息。对于 DES 加密，除了尝 试所有可能的密钥外，还没有已知的技术可以求得所用的密钥。 DES 算法可以通过软件或硬件实现。 DES 算法的安全性。DES 的出现是密码学上的一个创举，由于其公开了密码体制 及其设计细节，因此其安全性完全依赖于其所用的密钥，关于 DES 的安全问题，学 术界有过激烈的争论，普遍的印象是密钥仅有 56bit 有点偏短。Diffie 和 Hellman 曾设想花千万美元造一台专用机，渴望一天内找到 DES 的一个密钥，其基本思想是
出现在密文字母表中。异或运算（XOR）也常用于替换加密，加密：c=m XOR k，解 密：m=c XOR k。
3）多名或同音替换。每个字母可加密或替换成多个密文字母，这种方法是一种 一对多的映射关系，可以挫败一般的频度分析攻击。
3．变位加密 变位加密不隐藏明文的字符，即明文的字母保持相同，但其顺序被打乱重新排 列成另一种不同的格式，由于密文字符与明文字符相同，密文中字母的出现频率与 明文中字母的出现频率相同，密码分析者可以很容易地由此进行判别。虽然许多现 代密码也使用换位，但由于它对存储要求很大，有时还要求消息为某个特定的长度， 因而比较少用。以下介绍几种常见的变位加密算法。 1）简单变位加密。预先约定好一组数字表示密钥，将文字依次写在密钥下，再 按数字次序重新组织文字实现加密，也有人喜欢将明文逆序输出作为密文。例如
率
古典密码算法主要有代码加密、替换加密、变位加密、一次性密码簿加密等 几种算法。
1．代码加密 代码加密是一种比较简单的加密方法，它使用通信双方预先设定的一组有确切 含义的如日常词汇、专有名词、特殊用语等的代码来发送消息，一般只能用于传送 一组预先约定的消息。 密文：飞机已烧熟。 明文：房子已经过安全检查。 代码加密的优点是简单好用，但多次使用后容易丧失安全性。 2．替换加密 将明文字母表 M 中的每个字母替换成密文字母表 C 中的字母。这一类密码包括 移位密码、替换密码、仿射密码、乘数密码、多项式代替密码、密钥短语密码等。 这种方法可以用来传送任何信息，但安全性不及代码加密。因为每一种语言都有其 特定的统计规律，如英文字母中各字母出现的频度相对基本固定，根据这些规律可 以很容易地对替换加密进行破解。以下是几种常用的替换加密算法。 1）移位密码是最简单的一类代替密码，将字母表的字母右移 k 个位置，并对字 母表长度作模运算，其形式为：ek (m)=(k+m)=c mod q，解密变换为：dk (c)=(m-k)=m mod q。凯撒(Caesar)密码是对英文 26 个字母进行移位代替的密码，其 q=26。这种 密码之所以称为凯撒密码，是因为凯撒使用过 k=3 的这种密码。 2）乘数密码也是一种替换密码，它将每个字母乘以一个密钥 k，ek (m)=km mod q，其中 k 和 q 是互素的，这样字母表中的字母会产生一个复杂的剩余集合，若是和 q 不互素，则会有一些明文字母被加密成相同的密文字母，而且不是所有的字母都会
密钥：5 2 4 1 6 3 (密文排列次序) 明文：信息安全技术 密文：技息全信术安 2）列变位法。将明文字符分割成个数固定的分组（如 5 个一组，5 即为密钥！）， 按一组一行的次序整齐排列，最后不足一组用任意字符填充，完成后按列读取即成 密文。如明文是：InformationSecurityTechnology，则分组排列为： Infor matio nSecu rityT echno logy 则密文是：ImnrelnaSicoftethgoicynyrouTo ,这里的密钥是数字 5。解密过程则是 按列排列密文，再按行读取即可。 3）矩阵变位加密。将明文中的字母按给定的顺序安排在一个矩阵中，然后用另 一种顺序选出矩阵的字母来产生密文。一般为按列变换次序，如原列次序为 1234， 现为 2413。如将明文 Network Security 按行排列在 3×6 矩阵中，如下所示： 123456 Networ k Secu rity