分组密码的设计准则
分组密码 4.1分组密码设计原则和设计方法
便于实现是分组密码设计时应考虑的重要 因素。分组密码应符合简单、快速和成本低廉 的原则。
分组密码应适合硬件和(或)软件实现。硬件 实现速度快；软件实现灵活性强、成本低廉。
例: 对高速通信数据的加密----硬件实现; 嵌入到系统软件的加密程序----软件实现
二、分组密码基本设计原则
2.实现原则
硬件 实现原则
p :{1, 2, , lm} {1, 2, , lm} 实现 lm 比特的置换
即P盒
三、分组密码设计方法
S S
P
S
S
P
…… ……
S
S
P
S
S
……
S
k1
k2
kr
非线性代替S一般被称为混乱层，主要起混乱 的作用；线性置换P一般被称为扩散层，主要起扩
散的作用。
三、分组密码设计方法
三、分组密码设计方法
迭代密码的常见模型有 S-P 网络 ( 代
替-置换网络)、 Feistel网络等。
三、分组密码设计方法
（三）代替－置换网络（S-PN）
一个S-PN就是一类特殊的迭代密码。设l和m 都是正整数，明密文都是长为lm的二元向量，一 个S-PN包含两个变换，分别记为πs和πp。
s :{0,1}l {0,1}l 实现 l 比特的代替，即S盒
密钥形式为：K= ( K1，K2 )
三、分组密码设计方法
加密和解密规则定义如下：
EK ( x) E( K1 , K2 ) ( x) EK2 [EK1 ( x)] y DK ( y) D( K1 , K2 ) ( y) DK1 [DK2 ( y)] x
注意：解密次序与加密次序相反
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
分组密码和S盒
分组密码和S盒
本讲内容
第四章 分组密码 1.分组密码概念 2.分组密码的基本设计原则 3.混乱部件：S盒
分组密码概念
序列密码回顾
（公共信道）
发送方
密钥序列发生器 （KG）
（种子密钥）K
密钥源 （秘密信道）
密钥序列发生器 （KG）
（种子密钥）K
（秘密信道)
接收方
序列密码体制 通信模型
分组密码概念
5.扩散：要使每一位密钥数据影响一半以上的 密文数据，以防止对密钥进行逐段破译；而且 每一位明文数据也应该影响一半以上密文数据， 以便隐蔽明文数字的统计特性。
针对密码函数的攻击模式
已知明文攻击 已知密文攻击 选择明文攻击 选择密文攻击
针对分组密码现有的分析方法
朴素密码分析方法 穷尽密钥搜素攻击 字典攻击 查表攻击 时间存储折中攻击
于是，S(010011)= 0110
一个例子
一个例子
0 1001 1 0110
0 1011 1 1011
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7 1 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8 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 3 14 10 0 6 13
1.分组长度n要足够大：防止查字典攻击。
常见的分组长度为64、128比特等。
2.密钥空间K要足够大：以防止穷密钥搜索攻击。
常见的密钥长度为128、192、256比特等。
3.安全强度的稳定性：部分密钥被破译后，分 组密码仍具有一定的抗攻击能力。
第5讲第6讲——分组密码的设计原则
k1
S S
k2
SP…… ……kt NhomakorabeaS
S
P
S
S
S
P
……
S
w0←x for r←1 to t-1 do { ur wr 1 kr //ur是该圈S盒的输入 for i←1 to m i i vr s (ur ) //vr是S盒的输出 {do }
wr p (vr )
法、乘法、移位 ）
三、分组密码的设计方法
如何设计分组密码算法才能保证其 实现足够的混乱和扩散？
Shannon提出的乘积密码的思想： 通过将一个弱的密码函数迭代若干次，
产生一个强的密码函数。
乘积密码指顺序地执行两个或多个基本密码系 统，使得最后结果的密码强度高于每个基本密 码系统产生的结果.
一、乘积密码
第3章 分组密码体制
3.1 分组密码概述及设计原则 3.2 数据加密标准 3.3 分组密码的运行模式 3.4 AES算法
3.1 分组密码概述及设计原则
主要内容：混乱原则、扩散原则，乘 积密码， S-P网络，Feistel模型 重点：乘积密码，迭代密码， SP网络， Feistel网络。 难点：混乱和扩散。
• 要求密文应当是明文和密钥的足够复杂 的函数，使得攻击者利用各种代数方法 都无法计算出密钥和明文的任何信息！ • 密文与其对应的明文和密钥之间不存在 任何形式的统计相关性 ！
扩散原则(Diffusion) 目的：在密文中隐蔽明文的统计特性！ 扩散原则要求每个明文比特和密钥比特影响 尽可能多的密文比特，或者说让密文中的每一 位都受到明文和密钥中的尽可能多位的影响， 以隐蔽明文的统计特性和结构规律，（即将明 文的统计特性散布到密文中去）。
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。
分组密码的设计
• （1）Zeros填充算法：需要填充的7个字节全部 填充为0，分组结果为：
• 第一个消息分组： • F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 • 第二个消息分组： • F9 00 00 00 00 00 00 00
– Zeros填充算法无法区分第二个消息分组中F9后的0序 列是否是明文中的原始序列，因此该填充算法不可逆。
2.1.1 Feistel分组密码的基本结构
Feistel密码结构是基于1949年Shannon提 出的交替使用代换和置换方式构造密码体 制的设想提出的。
–在设计密码体制的过程中，Shannon提出了能 够破坏对密码系统进行各种统计分析攻击的两 个基本操作：扩散(diffusion)和混淆 (confusion)。
2.1.2 函数的设计准则
• Feistel分组密码的核心是轮函数。
• 设计的函数应该满足
– 严格的雪崩准则SAC（Strict Avalanche Criterion）
对于任意的 ，当任何一个输入位 发生改变时，S－盒的任何输出位 的值发生改变的概率为
– 位独立准则BIG（Bit Independence Criterion）
• 用于产生性能良好的随机数
– 构造流密码。 – 构成其它密码协议的基本模块
• 如密钥管理协议，身份认证协议等
2/149
• 在分组密码中，必须处理一个问题——填充。
– 在分组加密中，要求填充是可逆的
• 假定块长度为8字节，要加密的明文数据长度为9 字节。那么消息被切成两个块，第二块只有1个字 节，需要填充7个字节。如果把9字节的明文数据 记为：
L0(L) +
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。
分组密码介绍
➢ 无法隐蔽数据模式，同一密钥下，密文相同必有明 文相同
➢ 不能抵抗组的重放、嵌入和删除攻击
通过引入记忆或采用不同的工作模式来克服
分组密码定义
分组密码定义：
➢ 一个私钥分组密码是一种满足下列条件的映射
E：F2m SK F2m 对每个k Sk , E(,k )是从F2m到F2m的一个置换。 一个分组密码简记为Y E( X , K ), 加密函数E (, k )，解密函数D(, k )
混乱：打乱密文、明文、密钥之间的依赖关系 扩散：密钥或明文的一个比特变化要引起密文许多比特的变化；
密文每个比特受多个明文比特影响
使明文的统计特征消散在密文中，例，y=m1+m2+… 雪崩效应：明文一个比特变化引起密文多个比特变化，且变化比
特未知
实现混乱扩散
➢ 多采用“乘积密码”： 交替使用代换(substitution)与置换 (permutation)
左右未交换，便于算法同时用于加解密
数据加密标准 DES
IP和IP-1
➢ 没有密码意义，打乱输入x的ASCII码字划分的关系 ，将明文校验位变为IP的输出的一个字节 L0 m58m50 m8, R0 m57m49 m7
数据加密标准 DES
轮函数f(Ri-1, Ki)
数据加密标准 DES
E：固定的扩展函数， 32 bits->48 bits
迭代分组密码：一个内部函数（轮函数）的连续重复。参数 包括轮数r 、分组的比特长度n 和输入密钥K 的比特长度k ， r 个轮密钥Ki 由K 生成。为满足可逆性，对每个Ki ， 轮函数在轮输入上是一个双射
Feistel结构
Feistel结构
r轮迭代
将2t比特明文 L0, R0 映射成密文 Rr , Lr 。
des分组密码的设计原则
des分组密码的设计原则
1. 不可逆性：des分组密码的设计原则之一是不可逆性，即对
于同一个输入，无法通过任何手段将其还原为原始输入。
这确保了DES密码的安全性，因为攻击者无法通过暴力破解或其
他方法从加密后的密文中获取原始信息。
2. 随机性：DES分组密码的设计还需要考虑随机性，即使用
随机的密钥和初始化向量（IV）来加密每个分组。
随机性可
以增加密码系统的强度，降低攻击者通过分析加密算法的可能性。
3. 扩散性：DES分组密码的设计需要具备扩散性，即一个小
的输入变化应该使输出发生大的变化。
这可以通过将输入分组与之前的输出分组进行混合和置换来实现。
扩散性可以防止攻击者通过观察不同输入的密文之间的相似性来进行分析和破解。
4. 防御已知攻击：DES分组密码的设计应该能够抵御已知的
攻击方法，如差分攻击、线性密码分析等。
这需要在设计中考虑到这些攻击方法，并采取相应的防御措施，例如增加迭代次数、增加密钥长度等。
5. 可扩展性：DES分组密码的设计应该具备可扩展性，即可
以根据需要进行密钥长度的扩展，以适应不同安全要求的应用场景。
这可以通过增加密钥长度、增加迭代次数等方式来实现。
6. 效率和可用性：DES分组密码的设计应该考虑到其计算和
存储的效率，以及应用中的可用性。
设计应该尽量减少计算和
存储的复杂度，以提高性能和用户体验。
总体来说，DES分组密码的设计原则是在保证安全性的前提下，尽量提高计算和存储效率，并抵御已知攻击方法。
数据结构算法：分组密码的设计原则
分组密码的设计就是找到⼀种算法，能在密钥的控控制下从⼀个⾜够⼤且⾜够好的置换⼦集中简单⽽迅速的选出⼀个置换，⽤来对当前输⼊的明⽂进⾏加密交换。
⼀般地，分组密码的设计准则包括安全性准则和实现性准则两种。
前者主要研究如何设计安全算法，分组长度和密钥长度，后者主要讨论如何提⾼算法的执⾏速度。
1 安全性原则 关于实⽤密码的两个⼀般的设计原则是Shannon提出混乱原则和扩散原则。
1．混乱原则：⼈们所设计的密码应使得密钥和明⽂以及密⽂之间的信赖关系相当复杂以⾄于这种信赖性对密码分析者来说是⽆法利⽤。
2．扩散原则：⼈们所设计密码应使得密钥的每⼀位数字影响密⽂的多位数字以防⽌对密钥进⾏逐段破译，⽽且明⽂的每⼀位数字也影响密⽂的多位数字以便隐藏明⽂数字的统计性性。
影响现代分组密码安全性的因素很多，主要取决于密码算法、分组长度和密钥长度，相应的安全性设计准则也包括三类： 2．密码算法的设计准则 1) 算法可以公开：密码体制的安全性应当仅依赖于对密钥的保密，⽽不应基于对算法的保密，这既是数据加密算法标准化所必需要求的，同时也是络保密通信赖以⽣存的基础。
2) 混乱原则：密码算法应当保证密钥，明⽂和密⽂的依赖关系相当复杂，以⾄于这种依赖性对密码分析者来说使⽆法利⽤的。
3) 扩散原则：⼈们所设计的密码应使得密钥的每⼀位数字影响密⽂的许多位数字，以便隐藏明⽂数字的统计特性。
4) 能抵抗差分分析和线性分析：为使密码算法能抵抗差分分析，通常选取具有“本原转移概率矩阵”的markov 型密码，通过对⼀个“弱”密钥函数进⾏多次迭代，⽽得到⼀个“强密码”，为使密码算法抵抗线性分析，通常要求算法中包含⾼度⾮线性密码函数。
5) 没有弱密钥：当弱密钥或半弱密钥的个数较少时，它们对体制本⾝的安全性影响不在，在算法设计中稍作处理就可避免，⽽且随即选取⼀个密钥是弱密钥的概率随密钥空间的增⼤⽽趋于0。
3．密钥长度的设计准则 为使密码算法能抵抗对密钥强⼒攻击，必须保证密钥长度尽可能⼤，⽐如， 在近⼏年来新出现的各种算法，密钥长度都已经要求⾄少128bits。
对称密码学及其应用 第3章 分组密码简介与设计准则
第三章 分组密码简介与设计准则
分组密码概述 分组密码的一般设计原理 分组密码的整体结构 S-盒的设计准则及其构造 P置换的设计准则及构造方法 轮函数的设计准则及其构造 密钥扩展算法的设计 分组密码的工作模式
1
《对称密码学及其应用》
3.1
分组密码概述
安全性较CFB差
33
《对称密码学及其应用》
计数器模式(Counter Mode)
Diffie等人在1979年提出
将一个计数器输入到寄存器中。 每一个分组完成加密后，计数 器都要增加某个常数，典型值 是1。 该模式的同步和错误扩散特性 同OFB模式完全一样。 可直接生成第i 个密钥比特ki ； 保密随机访问数据文件时是非 常有用
S0 S1
P
S0 S1
P
...
S0 S1
c4 c5 c6 c7
S0 S1
S0 S1
16轮
S0 S1
c124 c125 c126 c127
9
《对称密码学及其应用》
3.3 分组密码的整体结构
Feistel结构实现
对于一个分组长度为2W的n-轮Feistel结构 密码的加密过程如图 3.3.4所示，其中K1 ， ∙∙∙，Kn是由种子密钥K生成的子密钥。2W 长度的明文被分为L0和R0两部分，这两部 分经过n轮迭代后组合在一起成为密文。 其运算逻辑关系为：
26
《对称密码学及其应用》
CFB加密示意图
Ci =Pi⊕(EK(Si)的高j位) ; Si+1=(Si<<j)|Ci
27
《对称密码学及其应用》
简述分组密码算法的要求及采用的方法
一、分组密码算法的要求分组密码算法是一种广泛应用于数据加密和保护的密码算法，其要求具有以下特点：1. 安全性：分组密码算法需要保证加密后的数据在没有密钥的情况下不容易被解密，即具有高度的安全性，能够抵御各种攻击手段。
2. 效率：除了安全性之外，分组密码算法在加密和解密过程中需要具有较高的运算效率，不会过多消耗计算资源。
3. 可逆性：加密后的数据需要能够通过相应的密钥进行解密，还原原始的明文数据。
4. 弹性：分组密码算法需要能够根据不同的应用场景和需求，灵活地使用不同的密钥长度和数据块大小。
5. 抗攻击能力：分组密码算法需要能够抵御不同类型的攻击，如差分攻击、线性攻击、差分攻击等。
二、采用的方法为了满足上述要求，分组密码算法采用了以下方法来保证安全性和效率：1. 替代与置换：分组密码算法中常常采用替代与置换的方法，通过将明文数据进行替代和置换，从而混淆数据的结构，在密文中隐藏原始信息。
2. 数据扩散：通过多轮的置换和替代操作，将明文数据扩散到密文的不同位置，增加了攻击者破解的难度。
3. 密钥调度：分组密码算法通过密钥调度算法，将密钥的信息混淆、扩散到整个加密过程，增加了密码算法的强度。
4. 轮函数：分组密码算法通常采用多轮加密的方式，每一轮通过不同的轮函数进行替代、置换和扩散操作，增加了密码算法的复杂度和混淆程度。
5. 非线性变换：在分组密码算法中，使用非线性函数进行变换操作，增加了密码算法的复杂性和难度，提高了安全性。
分组密码算法在满足安全性、效率、可逆性、弹性和抗攻击能力等要求的基础上，采用替代与置换、数据扩散、密钥调度、轮函数和非线性变换等方法来保证加密过程的安全性和有效性。
随着密码学和计算机技术的不断发展，分组密码算法也在不断完善和改进，以适应不同的应用需求和安全标准。
分组密码算法是数据加密领域的一个非常重要的分支，它是许多安全通信协议和系统中必不可少的核心部分。
而实现一个安全可靠的分组密码算法并不是一件容易的事情，它需要满足一系列严格的要求和采用一系列复杂的方法。
分组密码(全)
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
第4章 分组密码
举例
k=01110000 01110011 01101110 01100111 01110011 01100001 01101101 00110100
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 0 0 1 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
6
Feistel单轮的加解密
Li-1
Ri-1
Li-1
Ki
Ri-1
F +
Li 加密 Ri
F +
Li 解密 Ri
Ki
Feistel结构中间的轮运算和最后一轮的有区别，最后一轮运 算不需要置换。目的使得加密和解密的编程完全一致。
7
数据加密标准-DES
• DES的历史 1971年，IBM，由Horst Feistel领导的密码研究项 目组研究出LUCIFER算法。并应用于商业领域。 1973年，美国标准局征求标准，IBM提交结果 1977年，被选为数据加密标准。 1994年，美国决定98年12月以后不再使用DES算 法 • DES是一种明文分组为64比特，有效密钥56比特， 输出密文64比特的，具有16轮迭代的分组对称密码 算法，DES由初始置换，16轮迭代，初始逆置换组 成。 • DES的解密算法与加密算法相同，只是解密子密钥 与加密子密钥的使用顺序刚好相反。
2
分组密码的设计原则
针对安全性的一般设计原则 – 明文分组长度和密钥长度望尽可能大 – 扩散和混淆是由Shannon提出的设计密码系统的 两个基本方法，目的是抗击敌手对密码系统的统计 分析。 – 混乱原则(confusion)：又称混淆原则，是指密钥 和明文以及密文之间的依赖关系尽可能的复杂 算法设计时，采用复杂的代数运算 – 扩散原则(diffusion)：密钥或明文的每一位影响 密文的许多位以便隐蔽明文的统计特性 比如古典密码中的hill密码的设计思想
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
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• DES加密原理
➢初始置换
➢每个循环的详细过程
➢密钥的产生
➢DES算法的安全强度
➢3DES
应用密ห้องสมุดไป่ตู้技术
3.3 高级加密标准
• Rijndael算法：本质上是一种对称分组密码
体制，采用替代/置换网络，每轮由三层组 成。它是一个迭代分组密码，分组长度和 密钥长度都是可变的。
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3.1.3 分组密码的设计准则
• S盒的设计准则 • P盒的设计准则 • 轮函数F的设计准则 • 迭代的轮数 • 子密钥的生成方法
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3.2 数据加密标准
• DES处理的明文长度是64位，密文分组长度
也是64位，密钥长度位56位(要求输入64位)
• DES的一般设计原则：随机性、雪崩效应、
➢扩散：每一位明文的影响尽可能迅速地作用到 较多的输出密文位中去。主要使用换位算法。
➢混乱：密文和明文之间的统计特性关系尽可能 地复杂化。主要使用替代算法。
➢乘积密码：是指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，即是扩散和混乱两种基本密码操 作的组合变换。
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• AES：处理的分组大小为128位，密钥长度
为128位、192位或256位，相应的迭代轮数 为10、12、和14轮。
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3.4 其他分组密码
• DES变形、RC系列分组密码、IDEA密码等。 • KASUMI密码。
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分组密码的操作模式（补充）
• 电子密码本模式（ECB） • 密码分组链接模式（CBC） • 计数器模式（CTR模式） • 输出反馈模式（OFB） • 密码反馈模式（CFB）
注：雪崩效应：输入（明文或密钥）即使只 有很小的变换，也会导致输出发生巨大的 变化现象。
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• Feistel结构的实现依赖的参数和特征：
➢分组长度：要求长，一般64位和128位。 ➢密码长度：要求长，一般128位。 ➢迭代轮数：要求多，一般16轮。 ➢子密钥生成算法：要求复杂。 ➢轮函数：要求复杂。
第3章 分组密码体制
3.1 分组密码 3.2 数据加密标准（DES） 3.3 高级加密标准（AES） 3.4 其他分组密码
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3.1.1 分组密码概述
• 分组密码算法：在密码的控制下，通过某
个置换来实现对明文的加密变换。
• 分组密码的算法要求：
➢ 分组长度足够大； ➢ 密钥量足够大； ➢ 密码变换足够复杂。
• SP网络：由多重S变换和P变换组合成的变
换网络，即迭代密码，是乘积密码的一种。
➢S盒：S变换（替代），混乱作用。 ➢P盒：P变换（换位），扩散作用。
• Lucifer算法：使用S盒和P盒交替在密钥控
制下组成复杂的、分组长度足够大的密码 设计方法。（输入128位明文和512位密钥， 输出128位密文）
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• 分组变换常使用的方法：
➢ 将大明文分组成几个小段，分别完成各个小段的加密 置换，最后进行合并操作，达到使总的分组长度足够 大；
➢ 采用乘积密码，即以某种方式连续执行两个和多个密 码变换。
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3.1.2 分组密码原理
• 扩散和混乱是分组密码最本质的操作，多
数使用Feistel分组密码结构