Chapter3

分組密碼與數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)

《計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)安全》

2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2上次課的內(nèi)容單表和多表的區(qū)別？凱撒密碼、Playfair、hill、Vigenère2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3本節(jié)課程內(nèi)容

分組密碼一般原理、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)方法DES加解密算法DES的強(qiáng)度2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院4§3.1分組密碼原理流密碼每次加密數(shù)據(jù)流的一位或一個(gè)字節(jié)分組密碼將一個(gè)明文組作為整體加密且通常得到的是與之等長(zhǎng)的密文組2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院52023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院6分組密碼的一般設(shè)計(jì)原理：分組密碼是將明文消息編碼表示后的數(shù)字（簡(jiǎn)稱明文數(shù)字）序列，劃分成長(zhǎng)度為n的組（可看成長(zhǎng)度為n的矢量），每組分別在密鑰的控制下變換成等長(zhǎng)的輸出數(shù)字（簡(jiǎn)稱密文數(shù)字）序列理想分組密碼體制2n!個(gè)映射大規(guī)模2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院7Feistel密碼（1）Feiste密碼的設(shè)計(jì)動(dòng)機(jī)我們所需的是對(duì)應(yīng)較大n的理想分組密碼體制的一種近似體制而已，它可以在容易實(shí)現(xiàn)的部件上逐步建立起來(lái)。密鑰長(zhǎng)為k位，分組長(zhǎng)為n位，采用2k個(gè)變換建議交替使用代換和置換2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院8目的：挫敗基于統(tǒng)計(jì)方法的密碼分析混淆（confusion）：使得密文的統(tǒng)計(jì)特性與密鑰的取值之間的關(guān)系盡量復(fù)雜擴(kuò)散（diffusion）：明文的統(tǒng)計(jì)特征消散在密文中，使得明文和密文之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系盡量復(fù)雜。Feistel密碼（2）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院9具體實(shí)現(xiàn)依賴于以下參數(shù)特征分組長(zhǎng)度密鑰長(zhǎng)度

輪數(shù)

子密鑰生成算法輪函數(shù)設(shè)計(jì)Feistel密碼還有兩個(gè)其他方面的考慮

快速軟件加解密易于分析Feistel結(jié)構(gòu)（3）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院10§3.2數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DESDES的歷史DES的基本結(jié)構(gòu)DES核心構(gòu)件的細(xì)節(jié)描述DES輪密鑰的生成DES的安全性分析2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院11數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)第一個(gè)并且是最重要的現(xiàn)代分組密碼算法2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院12歷史發(fā)明人：美國(guó)IBM公司W(wǎng).Tuchman和C.Meyer1971-1972年研制成功基礎(chǔ)：1967年美國(guó)HorstFeistel提出的理論產(chǎn)生：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS)1973年5月到1974年8月兩次發(fā)布通告，公開征求用于電子計(jì)算機(jī)的加密算法。經(jīng)評(píng)選從一大批算法中采納了IBM的LUCIFER方案標(biāo)準(zhǔn)化：DES算法1975年3月公開發(fā)表，1977年1月15日由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局頒布為數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DataEncryptionStandard），于

1977年7月15日生效2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院13DES是一種用56位密鑰來(lái)加密64位數(shù)據(jù)的方法。概述2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院14DES算法框圖輸入64bit明文數(shù)據(jù)初始置換IP乘積變換（16輪迭代）逆初始置換IP-164bit密文數(shù)據(jù)輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)加密算法DES的核心部件：兩次置換（初始置換和初始逆置換）密鑰控制下的十六輪迭代加密輪密鑰生成2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院152023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院16初始置換和初始逆置換2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院17初始置換和初始逆置換DES中的初始置換和初始逆置換2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院18初始置換與初始逆置換是互逆的嚴(yán)格而言不具有加密的意義Note2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院19DES的十六輪迭代加密十六輪迭代加密Roundi第i輪加密2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院20DES第i輪迭代加密2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院21F函數(shù)2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院22擴(kuò)展E置換（E-盒）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院23S盒（1）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院24S-盒是DES加密算法的唯一非線性部件S盒（2）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院25S-盒S盒（3）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院26

00010203040506070809101112131415012313020804061511011009031405001207011513081003070412050611001409020711040109121402000610131503050802011407041008131512090003050611輸入輸出S-盒的查表操作S盒（4）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院27DES中其它算法都是線性的，而S-盒運(yùn)算則是非線性的提供了密碼算法所必須的混亂作用S-盒不易于分析，它提供了更好的安全性S-盒的設(shè)計(jì)未公開NoteS盒（5）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院28P置換2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院29直接P置換（P-盒）P置換2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院30F函數(shù)2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院312023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院32子密鑰產(chǎn)生器

密鑰（64bit）置換選擇1，PC1置換選擇2，PC2

Ci(28bit)

Di(28bit)循環(huán)左移循環(huán)左移除去第8,16,,64位(8個(gè)校驗(yàn)位)ki2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院332023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院34置換選擇1循環(huán)左移的次數(shù)（舍棄了奇偶校驗(yàn)位，即第8，16，…，64位）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院35壓縮置換2舍棄了第9,18,22,25,35,38,43,54比特位2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院36加密過程:L0R0IP(<64bit明文>)LiRi-1

i=1,...,16(1)RiLi-1f(Ri-1,

ki)i=1,...,16(2)<64bit密文>IP-1(R16L16)

(1)(2)運(yùn)算進(jìn)行16次后就得到密文組。解密過程:R16L16

IP(<64bit密文>)Ri-1Li

i=1,...,16(3)Li-1Rif(Li-1,ki)i=1,...,16(4)<64bit明文>IP-1(R0L0)(3)(4)運(yùn)算進(jìn)行16次后就得到明文組。DES加解密的數(shù)學(xué)表達(dá)2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院37安全性DES的安全性完全依賴于所用的密鑰。從DES誕生起，對(duì)它的安全性就有激烈的爭(zhēng)論，一直延續(xù)到現(xiàn)在弱密鑰DES算法在每次迭代時(shí)都有一個(gè)子密鑰供加密用。如果給定初始密鑰k，各輪的子密鑰都相同，即有k1=k2=…=k16，就稱給定密鑰k為弱密鑰(Weakkey)§3.3DES的強(qiáng)度2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院38雪崩效應(yīng)：DES的強(qiáng)度（2）明文或密鑰的微小改變將對(duì)密文產(chǎn)生很大的影響2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院3956位密鑰的使用256=7.2x10161997，幾個(gè)月

1998，幾天

1999，22個(gè)小時(shí)!DES算法的性質(zhì)：S盒構(gòu)造方法未公開！DES的強(qiáng)度（3）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院40差分密碼分析通過分析明文對(duì)的差值對(duì)密文對(duì)的差值的影響來(lái)恢復(fù)某些密文比特線性密碼分析通過尋找DES變換的線性近似來(lái)攻擊DES的強(qiáng)度（4）2023/2/2西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院41§3.4分組密碼的工作模式FIPS81中定義了4種模式，到800-38A中將其擴(kuò)展為5個(gè)?？捎糜谒蟹纸M密碼。DES的工作模式若明文最后一段不足分組長(zhǎng)度，則補(bǔ)0或1，或隨機(jī)串。