对称密码学及其应用 第5章 分组密码的统计测试原理与攻击方法
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)。
Lecture05_对称密码体制
循环左移位
轮 1 序 移 位 数 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1
1
2
2
2
2
2
2
1
2
2
2
2
2
2
1
3DES的优、缺点 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。
= ( a 7 x 8 + a 6 x 7 + a 5 x 6 + a 4 x 5 + a3 x 4 + a 2 x 3 + a1 x 2 + a 0 x) mod m( x )
讨论
a7 = 0
x.a ( x) = a6 x 7 + a5 x 6 + a4 x 5 + a3 x 4 + a2 x 3 + a1 x 2 + a0 x
Feistel结构的实现依赖于参数： Feistel结构的实现依赖于参数：
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 ECB模式
ECB模式的优缺点 ECB模式的优缺点
= x 13 + x 12 + x 11 + x 10 + x 9 + x 8 + x 3 + x 2 + x + 1
= ( x 5 + x 4 + x 3 + x 2 + 1)( x 8 + x 4 + x 3 + x + 1) + ( x 6 + x 5 + x 4 )
应用密码学习题答案5
《应用密码学》习题和思考题答案第5章 对称密码体制5－1 画出分组密码算法的原理框图，并解释其基本工作原理。
答：图5-1 分组密码原理框图1210-t 1210-t )分组密码处理的单位是一组明文，即将明文消息编码后的数字序列im m m m ,,,,210 划分成长为L 位的组()0121,,,,L m m m m m -=,各个长为L 的分组分别在密钥()0121,,,,t k k k k k -= （密钥长为t ）的控制下变换成与明文组等长的一组密文输出数字序列()0121,,,,L c c c c c -= 。
L 通常为64或128。
解密过程是加密的逆过程。
5－2 为了保证分组密码算法的安全强度，对分组密码算法的要求有哪些？ 答：（1）分组长度足够大；（2）密钥量足够大；（3）密码变换足够复杂。
5－3 什么是SP 网络？答：SP 网络就是由多重S 变换和P 变换组合成的变换网络，即迭代密码，它是乘积密码的一种，由Shannon 提出。
其基本操作是S 变换（代替）和P 变换（换位），前者称为S 盒，后者被称为P 盒。
S 盒的作用是起到混乱作用，P 盒的作用是起到扩散的作用。
5－4 什么是雪崩效应？答：雪崩效应是指输入（明文或密钥）即使只有很小的变化，也会导致输出发生巨大变化的现象。
即明文的一个比特的变化应该引起密文许多比特的改变。
5－5 什么是Feistel 密码结构？Feistel 密码结构的实现依赖的主要参数有哪些？ 答：1K nK i密文明文图5－6 Feistel密码结构Feistel 密码结构如图5－6所示。
加密算法的输入是长为2w 位的明文和密钥K ，明文被均分为长度为w 位的0L 和0R 两部分。
这两部分经过n 轮迭代后交换位置组合在一起成为密文。
其运算逻辑关系为：1(1,2,,)i i L R i n -==11(,)(1,2,,)i i i i R L F R K i n --=⊕=每轮迭代都有相同的结构。
对称密码的算法原理和应用
对称密码的算法原理和应用1. 什么是对称密码？对称密码，也叫作私钥密码或传统密码，是一种加密技术，使用相同的密钥（也称为私钥或对称密钥）进行加密和解密。
在对称密码中，发送方使用密钥将明文转换为密文，接收方使用同样的密钥将密文解密为明文。
对称密码算法通常分为分组密码和流密码两种。
1.1 分组密码分组密码是对明文按照一定长度进行分组，并对每个分组进行加密。
常见的分组密码算法有DES、AES和DESede等。
分组密码将明文分割为固定大小的块，然后对每个块进行加密。
这些块的大小通常为64位或128位。
1.2 流密码流密码是将明文和密钥一位一位地进行加密。
流密码通常通过将明文和密钥进行异或运算来实现加密。
常见的流密码算法有RC4和AES-CTR等。
2. 对称密码算法原理对称密码算法的原理主要基于替代和排列的概念。
下面介绍两种常见的对称密码算法原理。
2.1 替代密码算法替代密码算法使用一个替代表来替换明文中的字符。
最常见的替代密码算法是凯撒密码，它通过将明文中的每个字符向后移动固定的位置来进行加密。
其他的替代密码算法还包括单字母替代密码和多字母替代密码等。
2.2 移位密码算法移位密码算法将明文中的字符移动固定数量的位置来进行加密。
最常见的移位密码算法是凯撒密码，它将明文中的每个字符向后移动固定的位置进行加密。
3. 对称密码的应用对称密码被广泛应用于计算机网络和信息安全领域。
下面列举一些对称密码的应用场景。
3.1 数据加密对称密码常用于对敏感数据进行加密。
例如，当我们通过互联网发送或存储数据时，可以使用对称密码对数据进行加密，以防止第三方窃取或篡改数据。
3.2 身份验证对称密码还可以用于身份验证。
例如，在某些网络系统中，用户需要提供一个密码来验证其身份。
系统通过将用户提供的密码与预先存储的密码进行比较，以验证用户的身份。
3.3 数字签名对称密码算法也可以用于生成数字签名。
数字签名用于验证数据的来源和完整性。
发送方可以使用私钥对数据进行签名，接收方使用相同的密钥对签名进行验证。
分组密码
密码类型
01 研究历史
03 设计分析
目录
02 研究内容 04 设计原则
05 AES征集
07 技术总结
目录
06 算法要求
分组密码(block cipher)的数学模型是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为 n的组（可看成长度为n的矢量），每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。
研究历史
现代分组密码的研究始于 丰硕的研究成果。
对于分组密码，在早期的研究，基本上是围绕DES进行的，推出了一些类似的算法，例如：LOKI，FEAL， GOST等。进入20世纪90年代，人们对DES算法研究更加深入，特别是差分密码分析（differential cryptanalysis）和线性密码分析（linear cryptanalysis）的提出，迫使人们不得不研究新的密码结构。 IDEA密码打破了DES类密码的垄断局面，随后出现了SQUARE、SHARK、SAFER-64等采用了结构非常清晰的代替— 置换（SP）网络，每一轮由混淆层和扩散层组成，从理论上给出了最大差分特征概率和最佳线性逼近优势的界， 证明了密码对差分密码分析和线性密码分析的安全性。
谢谢观看
1997年-2000年，AES的征集掀起了分组密码研究的新高潮，15个AES候选算法反映了当前分组密码设计的水 平，也可以说是近几年研究成果的一个汇总。
目前分组密码所采用的整体结构可分为Feistel结构（例如CAST—256、DEAL、DFC、E2等）、SP网络（例如 Safer+、Serpent等）及其他密码结构（例如Frog和HPC）。加解密相似是Feistel型密码的一个实现优点，但它 在密码的扩散似乎有些慢，例如需要两轮才能改变输入的每一个比特。SP的网络结构非常清晰，S被称为混淆层 （非线性层），主要起混淆作用。P被称为扩散层，主要起扩散作用。
密码学5.1对称密码体制
5.1.补充 S-DES教学算法 补充 教学算法
1. 加密模型 1) 输入输出
8位明文 位明文 p=(p0,p1,…,p7) 10位密钥 位密钥 k=(k0,k1,…,k9)
加密
8位密文 位密文 c=(c0,c1,…,c7)
2) 算法流程
加密 8位明文 位明文 p=(p0,p1,…,p7)
初始置换IP
第三章 对称密码体制
3) 对m2做10位转 位变换 位转8位变换 做 位转 位变换P8 P8=
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ ⑥ ③ ⑦ ④ ⑧ ⑤ ⑩ ⑨
m2=(0 0 0 0 1 1 1 0 0 0) 得子密钥k1=P8(m2)=(1 得子密钥k1=P8(m2)=(1 0 1 0 0 1 0 0) 4) 分别对 左右两个5位码循环左移 次 分别对m2左右两个 位码循环左移 左右两个 位码循环左移2次 m2=(0 0 0 0 1 移位后m3=(0 移位后m3=(0 0 1 0 0 1 1 0 0 0) 0 0 0 1 1)
5.1 分组密码
5.1.1 分组密码概述
分组密码的 分组密码的模型
密钥k=(k0,k1,…,km-1) 密钥 明文 分组 加密E 加密 k (p) 密文 分组 如：01101011 密钥k=(k0,k1,…,km-1) 密钥 解密D 解密 k (c) 明文 分组 p=(p0,p1,…,pn-1) 如：10110101
VI. 将L1与L4进行异或 与 进行异或 L1=(1 0 0 0) L4=(0 1 0 0) L5=L1⊕ L5=L1⊕L4=(1 1 0 0) VII.将L5与R1拼接即得到 位输出 将 与 拼接即得到 拼接即得到8位输出 p3= L5 ‖ R1=(1 1 0 0 0 1 0 0) 3) 对p3进行左右交换 进行左右交换 p4=SW(p3)=(0 1 0 0 1 1 0 0)
分组密码的线性攻击方法
2 分组密码
2.1分组密码定义
This paper describesthelinear block cipher attackfrom three aspects.First,this paperdescribesthe structure and design principles into this block cipher.Secondly, it introducedthe basic process of linear attacks,summarizedthe development and extension of linear attacksand introducedseveral kindsextended by the linear attack out attack.Finally, the DES algorithmattacksan 8 attack of DES to demonstrate the process of linear attacks.
本文从三个方面介绍了分组密码的线性攻击. 首先，描述了分组密码的进本结构和设计原则. 其次介绍线性攻击基本过程，并对线性攻击的发展和延伸作了总结，并介绍了几种由线性攻击引申出来攻击方法. 最后，以DES算法为例，攻击了一个8轮的DES，来演示线性攻击的过程.
该论文只是对线性攻击做了一个总结并加以演示，若想使将来设计的密码器能够抵御线性攻击的攻击，还需作进一步研究和探讨.
密码学第五章 分组密码1
➢ 事实上，并没有一个真正实用的密码被证明是计算上安 全的。一般地人们只能证明某个密码是不安全的，因为 这只要找到一种方法，其复杂度远小于 2n 和 2t 。
3. 分组密码的设计原则
➢ 一个好的分组密码应是既难破译又易于实现的。 ➢ 安全性原则
密码学
第5章 分组密码（1）
1. 概述
分组密码就是将明文消息序列
m1, m2 ,, mk ,
分成等长的消息组
(m1, m2 , , mn )(mn1, mn2 , , m2n )
在密钥控制下，按固定的算法 Ek 一组一组进行加密。 加密后输出等长密文组
( y1, y2 , , ym )( ym1, ym2 , , y2m )
➢ 计算安全性只是一个相对概念，它依赖于攻击者的计算 能力和所采用的攻击方式。一般地,计算上安全是指对该 密码的最佳攻击方法的困难性超过了攻击者的计算能 力。
➢ 人们为了定量描述这种“困难性”，通常使用“复杂度” 的概念：一种攻击的复杂度是指为了实施该攻击所需的 平均运算次数。一个密码的安全性的评估，依据已知的 关于该密码的最佳攻击方法的复杂度。
➢ 70 年代,美国数据加密标准 DES 的出台,标志着现代分组密 码学的开始。从此揭开了商用民用密码研究的序幕。
➢ 这是信息化社会发展的产物。
越来越多的敏感信息通过网络传输和存贮，迫切需要具有高强 度、高速率、便于软硬实现、易于标准化的加密体制。
分组密码的主要攻击方法
研究背景（序列密码） 研究背景（序列密码）
序列密码的主要攻击方法： 经典序列密码的攻击方法： 线性逼近攻击-非线性度 相关攻击-相关免疫度 代数攻击-代数免疫度
1 f ( x) = n 2
∑S
w∈F2n
f
( w)( −1)
wi x
布尔函数的Walsh变换 §1.2 布尔函数的 变换
第1章 布尔函数与向量值函数
☆ Walsh谱的基本性质 谱的基本性质 （1）循环Walsh谱与线性Walsh谱具有如下关系 循环Walsh谱与线性Walsh谱具有如下关系 Walsh谱与线性Walsh
第1章 布尔函数与向量值函数
●
非线性度
NL ( f ) = min d ( f , l ) = min wt ( f − l )
l∈ An l∈ An
（1） NL ( f ) = 2 （2 ） （3 ） (4)
n −1
1 − max | W f ( w) | w∈ 2 w∈F2n
n −1 2
NL ( f ) ≤ 2 n −1 − 2
定义3 为两个正整数， 定义3 设n和m为两个正整数，从F2n到F2m的映射称 和 为两个正整数 向量值函数， 为（n，m）函数，有时也称为向量值函数，多输出布 ）函数，有时也称为向量值函数 尔函数或向量布尔函数. 尔函数或向量布尔函数. 向量值函数的表示方法： ☆ 向量值函数的表示方法： （1）分量函数表示法： 分量函数表示法：
4
代数攻击-代数次数 中间相遇攻击 相关密钥攻击
研究背景（序列密码） 研究背景（序列密码）
对称加密的原理及应用
对称加密的原理及应用对称加密是一种密码学中常用的加密方法，它的原理是使用同一个密钥进行加密和解密。
对称加密算法将明文和密文通过一个密钥进行转换，使除了拥有密钥的人之外的任何人都无法理解密文的真正含义。
对称加密的原理可以简单地理解为一个锁和钥匙的关系。
密钥就像是一把只有一把相同的钥匙可以打开的锁，只有拥有这把钥匙的人才能解密密文，获得明文。
而在加密的过程中，将明文与密钥进行一系列的转换操作，生成相应的密文。
对称加密算法通过几个重要的过程来实现加密和解密。
首先是明文进行分组，将明文按照一定的规则分割成若干个固定长度的分组。
接下来，在加密过程中，对每个分组应用相同的转换算法和密钥进行加密操作，生成相应的密文。
而在解密过程中，通过应用相同的转换算法和密钥对密文进行解密操作，得到相应的明文分组。
最后，将所有的明文分组按照一定的顺序合并，即可得到完整的明文。
对称加密的应用非常广泛。
其中最常见的应用是网络通信中的数据加密。
比如，在互联网上进行数据传输时，为了保护数据的机密性，往往需要使用对称加密算法对数据进行加密。
只有拥有密钥的接收方才能解密数据，确保信息不被未授权方窃取。
此外，对称加密也可以用于存储介质中的数据加密，比如硬盘、U盘等。
另外，对称加密还可以用于身份认证。
在这个过程中，用户首先使用一个密钥对自己的信息进行加密，然后将加密后的信息发送给服务器。
服务器通过解密已知密钥的加密信息，来验证用户的身份是否有效。
对称加密算法有很多，其中最常见的是DES（Data Encryption Standard）和AES（Advanced Encryption Standard）。
DES是一种较早的对称加密算法，采用56位的密钥长度，但随着计算机技术的发展，其安全性逐渐受到质疑。
而AES是目前最常用的对称加密算法，其密钥长度可以是128位、192位或256位，安全性更高。
然而，对称加密算法也存在一些问题。
首先是密钥的管理问题，因为加密和解密使用相同的密钥，所以需要保证密钥的安全，以免被未授权方获得。
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。
分组密码的攻击方法与实例分析
分组密码的攻击方法与实例分析快速发展的网络技术和普及了计算机的应用，已经成为现代社会的重要组成部分。
作为一种必要的措施，用信息安全技术来保护数据和系统安全受到了广泛重视。
其中，分组密码技术作为最常用的信息安全技术，被广泛地应用于网络安全、电子商务安全等领域，已经发展成为重要的数据保密手段和密码技术理论。
但是，无论是在实践中还是在理论中，由于其本身特点，分组密码技术面临着攻击方法，被攻破也是不可避免的。
首先，从定义来看，分组密码技术是通过将明文映射成一组加密码，使攻击者无法推测出原始信息，从而保证信息安全。
分组密码技术也是一种非对称加密，具有无法破解、保护信息安全等特点，可用于文本、图像、视频等的加密。
但由于其易受到统计攻击、差分攻击、伪造攻击等攻击，也严重影响了它的安全性。
首先，统计攻击是一种常见的攻击方法，可以破解分组密码技术。
统计攻击主要是通过分析给定的加密信息，从而推断出明文信息的过程。
统计攻击的执行者可以分析出加密信息中的特征，并与明文信息的特征做比较，从而推测出明文信息，实现对分组密码的破解。
其次，差分攻击也是分组密码的一种常见的攻击方法，原理是分析两个相邻密文的差分，以便破解给定的分组密码。
基本原理是：分析两个相邻的分组密文差分，推断出加密时所用的密钥流，从而实现对分组密码的破解。
此外，伪造攻击也是一种令人担忧的攻击方式，采用伪造攻击可以对分组密码产生威胁。
原理是：它可以将一个未经授权的加密信息伪装成一个由攻击者自己授权的消息，从而冒充有权用户拥有一个非法的加密信息。
伪造攻击可用于破解分组密码，实现对分组密码的攻击。
最后，编码攻击是指破解分组密码的攻击方式，它是通过攻破分组密码算法所实现的。
它在给定密钥的情况下，可以解密出明文信息，也可以破解出密钥结构，从而破解出分组密码。
以上三种攻击方式都可以对分组密码技术实施攻击，从而使信息安全受到威胁。
由此可见，尽管分组密码技术在信息安全方面有许多优势，但也必须对其进行有效的防范和攻击，才能使其真正成为信息安全的一大助力。
对称密码学及其应用-03第五章 分组密码的统计测试原理与攻击方法
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2
《对称密码学及其应用》
主要内容
分组密码的统计测试原理
分组密码的典型攻击方法
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《对称密码学及其应用》
5.1 分组密码的统计测试原理
对分组密码进行统计测试的目的是：断 定算法产生的输出是否在统计上难以与 真随机数据区别开来。 按照测试目的分为：
《对称密码学及其应用》
明密文独立性测试（续）
设待测分组密码算法的分组长度为n比特， 明文文件含有F个分组，则其对应的密文 也含有F个分组。设明文分组集为P={p0, p1, p2,..., pF-1}，密文分组集为C={c0, c1, c2,..., cF-1} ，记录相应的明密文距离 D=W(pi+ci)，0≤i≤F-1。 统汁D中汉明重量为i的分组数，记为Hi ， 判断Hi是否符合二项分布B(n，1／2)。
扑克牌测试（Poker test）
计算1的个数：9654~10346之间
游程测试（runs test）
X=（16/5000）*（n02+n12+…+n152）– 5000 如果1.03<x<57.4，测试通过 1 2 Length 3 of run 4 5 6 2267-2733 1079-1421 502-748 223-402 90-223 90-223
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《对称密码学及其应用》
例
把一颗骰子重复抛掷 300 次, 结果如下:
出现的点数
1
分组密码的攻击方法与实例分析
分组密码的攻击方法与实例分析分组密码是现代信息安全的重要实施技术，用于保证信息的安全性和被动安全性，因此，保护分组密码不受攻击，破解或偷取分组密码密钥是信息安全领域研究者最关注的热点话题之一。
本文将介绍分组密码的攻击方法和实例分析，并讨论如何实施安全的分组密码系统。
一、分组密码的攻击方法1.暴力攻击暴力攻击是最基本的攻击方法，介绍这种攻击方法，指尝试在有限时间内尝试最大次数，以便尝试破译密钥。
穷举攻击是最基本的暴力攻击方法，它尝试穷举出所有可能的密钥，以尝试破译分组密码。
但是，由于密钥空间太大，它很难被成功完成。
2.钥分析攻击密钥分析攻击是破解密码最常用的方法，攻击者尝试分析分组密码发送出的密文的特性，以便确定密钥的空间。
这类攻击的典型例子是Cascade Attack即攻击者尝试分析发送的每组密文，识别其结构和特征，计算出可能的密钥空间，然后在此空间内进行穷举搜索。
3.钥推理攻击密钥推理攻击是通过分析所发送的密文产生可能的密钥选项，而不是穷举搜索。
攻击者通过计算出可能的密钥空间并根据发送的密文，以便计算出概率最高的密钥或尝试确定最可能的密钥。
4.控攻击键控攻击是攻击者尝试利用他们获得的统计信息来攻击分组密码系统。
它利用发送的密文来推断发送者使用的密钥，并利用这些密钥来解密未来的密文。
二、实例分析1.举攻击穷举攻击是最常用的攻击方法，一种典型的穷举攻击是集群计算，在这种情况下，攻击者可以使用一个庞大的计算机集群，共同计算出可能的密钥，以进行穷举攻击。
2.钥分析攻击密钥分析攻击是一种攻击方法，其目的是根据发送的密文的特性来对密钥的空间进行分析，以尝试确定可能的密钥。
一个典型的例子是基于位统计的攻击，它使用发送的密文的位统计特性来计算出可能的密钥。
3.钥推理攻击密钥推理攻击是根据发送的密文来推断可能的密钥空间，而不是穷举搜索。
典型的实例是攻击者使用发送的密文来推断发送者使用的密钥，后者使用这些密钥来解密未来的密文。
分组密码学
分组密码以及安全性研究1引言分组密码是对称密码学的一个重要分支，在信息安全领域发挥着极其重要的作用，其研究的主要内容包括分组密码的设计和分析这两个既相互对立又相互统一的方面。
一方面，针对已有的密码分析手段，密码设计者总希望设计出可以抵抗所有已知攻击的密码算法；另一方面，对已有的密码算法，密码分析者总希望可以找到算法的某些安全缺陷。
这两方面的研究共同推进了分组密码理论的发展。
2 分组密码2.1概念分组密码是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为n的组（可看成长度为n的矢量），每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。
分组密码的研究包括三方面：分组密码的设计原理，分组密码的安全性分析和分组密码的统计性能测试。
2.2内容目前对分组密码安全性的讨论主要包括差分密码分析、线性密码分析和强力攻击等。
从理论上讲，差分密码分析和线性密码分析是目前攻击分组密码的最有效的方法，而从实际上说，强力攻击是攻击分组密码最可靠的方法。
到目前为止，已有大量文献讨论各种分组密码的安全性。
与序列密码每次加密处理数据流的一位或一个字节不同，分组密码处理的单位是一组明文，即将明文消息编码后的数字序列m0,m1,m2,…,mi划分成长为L位的组m=(m0,m1,m2,…,mL-1),各个长为L的分组分别在密钥k=(k0,k1,k2,…,kt-1)（密钥长为t）的控制下变换成与明文组等长的一组密文输出数字序列c=(c0,c1,c2,…,cL-1)。
L通常为64或128。
设明文m与密文c均为二进制0、1数字序列，它们的每一个分量mi,ciεDF(2)(i=0,1,2,…,n-1),则明文空间为{0,1,…,2n-1},密文空间也为0,1,…,2n-1},分组密码是由密钥k=(k0,k1,k2,…,kt-1)确定的一个一一映射，也就是空间{0,1,…,2n-1},到自身的一个置换F，由于置换F是由密钥k所确定，一般地，我们把这个置换表示为C=Fk(m)。
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。
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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。
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分组密码的数学表示
记明文空间和密文空间为
F
对称密码的原理和应用
对称密码的原理和应用1. 什么是对称密码对称密码是一种常见的加密技术，也被称为私钥密码或传统密码。
在对称密码中，同样的密钥被用于加密和解密数据。
发送方使用密钥对数据进行加密，接收方使用相同的密钥进行解密。
对称密码形式简单，运算速度快，因此被广泛应用于各种信息安全领域。
2. 对称密码的基本原理对称密码的基本原理是根据密钥进行数据的加密和解密。
常见的对称密码算法有DES（数据加密标准）、AES（高级加密标准）等。
这些算法使用相同的密钥进行加密和解密，密钥长度通常为128位、192位或256位。
对称密码算法的加密过程大致如下： - 明文数据经过分组操作，将数据按固定大小拆分成块； - 每个数据块通过密钥进行加密，生成对应的密文块； - 密文块按顺序组合成最终的密文数据。
解密过程则是加密过程的逆向操作： - 密文数据通过分组操作，将密文拆分成块； - 每个密文块通过相同的密钥进行解密，生成对应的明文块； - 明文块按顺序组合成最终的明文数据。
对称密码算法的安全性取决于密钥的保密性，因此密钥的生成、分发和管理是保证系统安全的关键。
3. 对称密码的应用对称密码广泛应用于各个领域，保护数据的机密性和完整性，实现信息的安全传输和存储。
3.1 网络通信安全在网络传输中，对称密码常用于保护数据的机密性。
发送方使用对称密钥对数据进行加密，接收方使用相同的密钥进行解密。
这样可以防止网络中的中间人攻击，保护数据的安全性。
3.2 数据库安全对称密码可以用于数据库中的数据加密。
通过对敏感数据进行加密，可以防止数据库中的数据泄露和非法访问。
只有拥有有效密钥的用户才能解密数据，保障数据机密性。
3.3 文件加密对称密码还可以用于文件加密。
通过对文件进行加密，可以防止未经授权的用户访问和修改文件内容。
只有拥有正确密钥的用户才能解密文件，确保文件的机密性和完整性。
3.4 移动设备安全对称密码在移动设备上也有广泛应用。
通过对设备存储的敏感数据进行加密，如密码、个人信息等，可以防止设备被盗取或丢失时，敏感数据被获取。
对称加密体制原理、应用、典型算法以及分组密码的工作模式
对称加密体制原理、应用、典型算法以及分组密码工作模式对称加密体制，也称为私钥密码体制，是传统密码体制的一种。
在对称加密系统中，加密和解密都使用相同的密钥。
由于加解密密钥相同，通信双方必须选择和保存共同的密钥，并且各方必须信任对方不会将密钥泄露出去，这样才能保证数据的机密性和完整性。
对称加密体制的应用广泛，包括数据加密、身份认证、数字签名等。
在金融、政府、医疗等领域，对称加密体制也被广泛应用于数据传输和存储。
在数学中，对称加密算法是一类可以用于加密和解密的算法，它的安全性依赖于某些数学难题的求解难度。
对称加密算法有很多种，其中比较典型的包括DES（Data Encryption Standard数据加密标准）算法、AES（Advanced Encryption Standard高级加密标准）算法等。
DES算法的密钥长度为56位，已经被AES算法所取代，AES支持三种长度的密钥：128位、192位、256位。
分组密码是一种对称加密算法，它将明文分成固定长度的组，然后对每一组进行加密。
分组密码的工作模式包括电子密码本模式（ECB）、密码分组链接模式（CBC）、输出反馈模式（OFB）和计数器模式（CTR）。
其中CBC模式是最常用的模式之一，它使用一个初始化向量和每个块的加密结果作为下一个块的输入，这样可以提高加密的安全性。
总的来说，对称加密体制是一种安全可靠的加密方式，可以用于保护数据的机密性和完整性。
然而，由于通信双方必须共享密钥，因此对称加密体制也存在密钥管理和分发的难题。
在实际应用中，对称加密体制通常会与其他加密方式结合使用，以提高整个系统的安全性。
对称密码一般原理
密文分组n-1
密文分组n
主要内容
• 分组密码一般设计原理 • 尾分组处理
• 分组密码操作模式
分组密码的操作模式
• 如果分组密码把明文分组后，对每个分组各自加 密后合成密文。如果两个地方出现相同的明文分 组，它们将被加密为相同的密文,它就会泄露信息 理论上制作一个包含明文和其相对应的密文的密 码本是可能的。 • 同时，加密算法应用的复杂性，有的强调效率， 有的强调安全，有的强调容错性。 • 基于这些事实，我们需要一些分组密码的工作模 式来适应不同的状况。
•
没有已知的并行实现算法
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
主要内容
• 分组密码一般设计原理 • 尾分组处理
• 分组密码操作模式
当最后1组数据长度小于分组长度时,咋办? 两种常用方法: 1,直接扩充方法 2,密文挪用方法
直接扩充方法
(1)直接扩充方法:
直接对密文进行数字填充,使其不再是短块. 填充数据可以是全0,随机数或其他数据.
(2)产生了一个最直接的新问题哦?
实现的设计原则
• 软件实现的要求：使用子块和简单的运算。密 码运算在子块上进行，要求子块的长度能自然 地适应软件编程，如8、16、32比特等。应尽 量避免按比特置换，在子块上所进行的密码运 算尽量采用易于软件实现的运算。最好是用处 理器的基本运算，如加法、乘法、移位等。 • 硬件实现的要求：加密和解密的相似性，即加 密和解密过程的不同应仅仅在密钥使用方式上， 以便采用同样的器件来实现加密和解密，以节 省费用和体积。尽量采用标准的组件结构，以 便能适应于在超大规模集成电路中实现。
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《对称密码学及其应用》
线性密码分析
线性密码分析方法本质上是一种已知明文攻 击方法，最早由Matsui在1993年提出。 这种方法可用221个已知明文破译8轮DES， 可用247个已知明文破译16轮DES。这种方法 在某些情况下，可用于唯密文攻击。 线性密码分析的基本思想是通过寻找一个给 定密码算法的有效的线性近似表达式来破译 密码系统。
《对称密码学及其应用》
分组密码的统计测试原理与攻击方法
分组密码的统计测试原理 分组密码的典型攻击方法
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《对称密码学及其应用》
5.1 分组密码的统计测试原理
数据变换的有效性测试原理 算法对明文的扩散性测试原理 密钥更换的有效性检测原理
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《对称密码学及其应用》
数据变换的有效性测试原理
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《对称密码学及其应用》
密钥相关攻击
相关密钥攻击反映了密钥扩展算法对分 组密码的安全性的影响 。 概念：相关密钥 在相关密钥攻击中，需要的数据是两个 且有某种关系的相关密钥和几个明密文 对，攻击者仅知道两个密钥之间的关系， 并不知道密钥本身。
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《对称密码学及其应用》
其他攻击
能量分析 错误攻击 时间攻击 Davies攻击
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《对称密码学及其应用》
算法对明文的扩散性测试原理
从数据变换的有效性考虑，一个分组密 码算法对明文的变化应是敏感的，即明 文的雪崩现象。根据分组密码测度中的 严格雪崩准则，改变明文分组的任一比 特，应导致密文分组中大约一半比特的 变化。
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《对称密码学及其应用》
密钥更换的有效性检测原理
从密钥更换的有效性考虑，一个分组密 码算法对密钥的变化应是敏感的，即密 钥的雪崩现象。根据分组密码测度中的 严格雪崩准则，改变密钥中任一比特， 应导致密文分组中大约一半比特的变化。
包括两方面的测试，即随机性测试和 明密文独立性测试
随机性测试
对用户给定的由若干密文分组组成的样本数 据文件进行测试 频数检验 跟随性检验
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《对称密码学及其应用》
数据变换的有效性测试原理
明密文独立性测试
主要是测试密文是否有不依赖于明文统计特 性的性质。 如果明文具有某种明显的统计特性，算法具 有较好的明密文独立性，则明文与其对应的 密文的距离应是随机的； 如果明文是随机的，则明文与其对应的密文 的距离也应是随机的。
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《对称密码学及其应用》
典型攻击方法
强力攻击 差分密码分析 线性密码分析 密钥相关攻击 其他攻击
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《对称密码学及其应用》
强力攻击
穷尽密钥搜索攻击 字典攻击 查表攻击 时间-存储权衡攻击
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《对称密码学及其应用》
差分密码分析
于1991年由Eli Biham和Adi Shamir公布。 是迄今已知的攻击迭代密码（所谓迭代密码就 是以迭代一个简单的轮函数为基础的密码，即 通过选择某个较简单的密码变换，在密钥控制 下以选代方式多次利用它进行加密变换）最有 效的方法之一 基本思想是：通过分析明文对的差值对密文对 的差值的影响来恢复某些密钥比特。
Βιβλιοθήκη 12《对称密码学及其应用》
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