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Ch02-a 分组密码体制

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《分组密码理论》课件

《分组密码理论》课件

分组密码的工作模式
ECB模式
电子密码本模式，是最简单的分组密码工作模式。它将明 文分成固定长度的块，然后对每个块进行加密。
CBC模式
密码块链接模式，将前一块的密文作为下一块的加密密钥 ，使得明文中的重复内容在密文中也呈现规律性变化。
CFB模式
密码反馈模式，将前一块的密文作为下一块的加密密钥， 同时将加密后的密文反馈回来与明文进行异或操作，以实 现加密和解密过程。
介绍量子密码学的基本原理， 包括量子态的叠加性和纠缠性 ，以及量子不可克隆定理等。 这些原理为抗量子计算攻击的 分组密码提供了理论基础。
列举一些已经提出的抗量子计 算攻击的分组密码算法，如基 于多线性映射、基于哈希函数 、基于编码理论的算法等。
分析抗量子计算攻击分组密码 研究中面临的挑战，如算法效 率、实现难度和安全性证明等 ，并对未来的研究方向进行展 望。
分组密码的应用场景
通信安全
01
分组密码广泛应用于通信加密领域，如TLS/SSL协议中的AES加
密算法。
存储安全
02
在存储加密中，分组密码也扮演着重要的角色，用于保护数据
的机密性和完整性。
身份认证
03
分组密码还可以用于身份认证，通过加密和验证消息的完整性
来确保通信双方的身份安全。
2023
PART 02
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
基于云计算的分组密码
ห้องสมุดไป่ตู้云计算环境下的 安全需求
随着云计算技术的普及，数 据安全和隐私保护成为重要 需求。因此，研究基于云计 算的分组密码是必要的。
基于云计算的分 组密码算法原理
介绍基于云计算的分组密码 算法的基本原理，包括如何 利用云计算的分布式处理能 力提高加密和解密的速度， 以及如何利用云计算的存储 能力实现密钥的分布式存储 等。

《密码学分组密码》PPT课件

《密码学分组密码》PPT课件

.
8
Feistel结构定义
•加密: Li = Ri-1; Ri = Li-1F(Ri-1,Ki) •解密: Ri-1 = Li
Li-1 = RiF(Ri-1,Ki)
= RiF(Li,Ki.)
9
Feistel结构图
.
10
数据加密标准
DES描述 二重DES 两个密钥的三重DES 三个密钥的三重DES
k57= k49= k41= ……= k9= k1=0 或1
k63= k55= k47= ……= k15= k7=0 或1
• 举例：共有4种，如：0101010.101010101。
33
(2) 半弱密钥：
定义：当存在子密钥K和K’，使得： DESk ( m ) = DESk’ -1 ( m ) 或 DESk ( DESk’ ( m ) ) = m 则K和K’成对构成半弱密钥。
C 1（ 28 位 ）
D 1（ 28 位 ）
8 2 16 1
（ 56 位 ） 置 换 选 择 2
k1
(48 位 )
循环左移
循环左移
C i（ 2 8 位 ）
D i（ 2 8 位 ）
置 换 选 择 2 ki
（ 56 位 ）
（ 48 位 ）
.
29
置换选择1和置换选择2
.
30
DES解密
和Feistel密码一样，DES的解密和加密使 用同一算法，只是子密钥的使用顺序相 反。
.
32
关于DES的若干问题：
1. DES的坏密钥问题：
(1)弱密钥：
定义：当密钥K所产生的子密钥满足：K1 = K2 = ……= K16 则有：DESk ( m ) = DESk -1 ( m ) ， 或：DESk ( DESk ( m ) ) = m 这样的密钥K称为弱密钥。

分组密码——精选推荐

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分组密码百科名片分组密码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.目录研究历史分组密码的研究内容分组密码的设计与分析AES的征集分组密码算法的要求1.技术总结1.研究历史分组密码的研究内容分组密码的设计与分析AES的征集分组密码算法的要求1.技术总结1.展开研究历史现代分组密码的研究始于20世纪70年代中期，至今已有20余年历史，这期间人们在这一研究领域已经取得了丰硕的研究成果。

分组密码的研究内容大体上，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。

分组密码的设计与分析分组密码的设计与分析是两个既相互对立又相互依存的研究方向，正是由于这种对立促进了分组密码的飞速发展。

早期的研究基本上是围绕DES 进行，推出了许多类似于DES的密码，例如，LOKI、FEAL、GOST等。

进入90年代，人们对DES类密码的研究更加深入，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密码的出现打破了DES类密码的垄断局面，IDEA密码的设计思想是混合使用来自不同代数群中的运算。

随后出现的Square、Shark和Safer-64都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。

这种结构的最大优点是能够从理论上给出最大差分特征概率和最佳线性逼近优势的界，也就是密码对差分密码分析和线性密码分析是可证明安全的。

AES的征集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，可以说是近几年研究成果的一个总汇。

目前分组密码所采用的整体结构可分为Feistel结构（如CAST-256、DEAL、DFC/E2等）、SP网络（如Safer+、Serpent等）及其他密码结构（如Frog和HPC）。

《分组密码》PPT课件

《分组密码》PPT课件
一、有限域GF(28) 可以把出b7b6b5b4b3b2b1b0构成的一个字节看成是系数在(0, 1) 中取值的多项式：
b7 x7 + b6 x6 + b5 x5 + b4 x4 + b3 x3 + b2 x2 + b1 x + b0 如{57}（01010111）可写成： x6 + x4 + x2 + x + 1
；计算时按降幂排
精选课件ppt
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3. x乘法
考虑用 x 乘以多项式B(x): ( b7b6b5b4b3b2b1b0 ) B(x)＝b7 x7+ b6x6+ b5x5+ b4x4+ b3x3+ b2x2+ b1x + b0
x B(x)＝b7 x8+ b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x 将上面的结果模m(x)求余就得到x B(x)。
如果 b7 ＝0，则：x B(x)＝b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x
即所得结果字节为： (b6b5b4b3b2b1b00)
如果 b7 ＝1，则：
x B(x)＝ x8+ b6x7+ b5x6+ b4x5+ b3x4+ b2x3+ b1x2 + b0x mod (x8+x4+x3+x+1)
在行移位(ShiftRows)变换中，状态矩阵中的每一行将以字节为单位，循 环右移不同的位移量。

安全分组密码的工作模式

安全分组密码的工作模式
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03
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通信安全
分组密码用于加密通信过程中的数据，确保信息传输的机密性和完整性。
存储安全
在数据存储场景中，分组密码用于加密敏感数据，防止未经授权的访问和数据泄露。
身份认证
分组密码也用于身份认证过程，通过加密和验证加密数据的完整性来确认用户身份。
02
分组密码的基本原理

应用密码学第3章分组密码体制

应用密码学第3章分组密码体制

第3章 分组密码体制
(2)密钥量足够大，同时需要尽可能消除弱密钥的使用，
防止密钥穷举攻击，但是由于对称密码体制存在密钥管理问 题，密钥也不能过大。 （3）密钥变换足够复杂，能抵抗各种已知攻击，如差 分攻击、线性攻击、边信道攻击等，即使得攻击者除了穷举 攻击外找不到其它有效的攻击方法。 （4）加密和解密的运算简单，易于软硬件高速实现。 （5）数据扩展足够小，一般无数据扩展。 （6）差错传播尽可能小，加密或解密某明文或密文分 组出错，对后续密文解密的影响也尽可能小。
第3章 分组密码体制
3.Feistel解密结构
如图3－5所示，左边为Feistel加密过程，右边为Feistel 解密过程。从图中可以看出，Feistel解码过程所在的变换与 加密过程完全一样，只是算法的输入不一样。加密输入的数 据为明文，子密钥的顺序为K1,K2,…,Kr-1，Kr,而Feistel解密 过程输入的数据为密文，子密钥的顺序与加密过程刚好相反， 为Kr,Kr-1,…,K2,K1。因此采用Feistel网络结构设计分组密码 算法，加解密可采用同一种算法。
3.6 其他典型的对称密码体制简介
3.7 对称密码体制的工作模式 3.8 对称密码算法的应用
第3章 分组密码体制
3.1
分组密码概述
分组密码是一种广泛使用的对称密码。和对称密码中的
序列密码(流密码stream cipher)不同，分组密码在加密过程 中不是将明文按字符逐位加密，而是首先要将待加密的明文
第3章 分组密码体制
1. 初始置换（IP）
首先输入的64比特的明文块为 0110001101101111011011010111000001110101011101000110 010101110010，按照初始置换(IP)表进行置换，DES的初始 置换表如图3－7所示。

分组密码体制分组密码概述


64bits
4
注意事项
从这章开始，假定加密和认证的文本、图像、音频 等任何格式的原声信息，都存在相应的编码方式， 转话为二进制的数据流。在具体算法中，表示为 messag={0,1}*
1M的大小文件多少bit？若分组密码每组分块长度 为64bits，则1M大小文件需要分成多少块？
1M= 1024*1024*8 bits = 2 23 bits
7
分组密码的发展历史
民用 不存在陷门 足够的安全强度 标准化通信需求
8
分组密码的发展历史
1973年5月美国联邦政府提出征求在传输和存储数据 中保护计算机数据的密码算法的建议；
1975年3月，美国国家标准局(NBS) 首次公布IBM公 司提出的算法Lucifer中选；
1977年1月NBS正式向社会公布，采纳IBM公司设计 的方案作为非机密数据的数据加密标准 (Data Encryption Standard). DES正式成为美国联邦政府 信息处理标准，即FIPS-46标准，同年7月开始生 效。
5
分组密码的定义
定义 一个分组密码体制(P, K, C, E, D)，其中 P=C={0,1}l ；K={0,1}t.
加密变换： E：P×K→C, 当k ∈K确定时，Ek 为P →C的一一映射.
解密变换： D: C×K →P, 当k ∈K确定时，Dk 为C →P的一一映射.
D ·E =I k=(k0,k1,…,kt-1)
3
分组密码定义
若分组密码明文块长度为64bits
64bits 明文 students
64bits computer
64bits learning
64bits are this
加密

第四讲单钥体制二分组密码ppt课件


以DES体制中的8个S盒之一，即第一个S1－盒为例说明 其输入输出之间的代换关系，参看图4-2-4。 DES的S盒的
最终设计，其小项表达式中的项数在55左右，比开始的增
加了10项。从LSI设计角度出发，应使其尽可能在一个基片
上实现。小项数越多，实现也就越复杂。有了小项表达式
后，2021还/4/2要3 进行布尔式化简，以利于实现。
#{}2n!
(4—1—4)
例如n=64 bit时, (264)!>10347380000000000000000>(1010)20
为表示任一特定置换所需的二元数字位数为
log2(2n!)(n－1.44)2n=O(n2n) (bit)
(4—1—5)
即密钥长度达n2 n bit，n=64时的值为64264=270 bit，DES的 密钥仅为56 bit，IDEA的密钥也不过为128 bit。实用中的各 种分组密码(如后面要介绍的DES、IDEA、RSA和背包体制 等2)0所21/4用/23 的置换都不过是上述置换集中的一个很小的子集。 5
它们的每个分量xi，yiGF(2)。我们将主要讨论二元情况。 将长为n的二元x和y表示成小于2n的整数，即：
n 1
x= (0 x ， x 1 ， ， x n -1 ) x i2 ix i 0
i 0
y= (0 y ， y 1 ， ， y n -1 )y i2y i n 1
(4—1—1) (4—1—2)
第四讲 单钥体制（二）——分组密码 二、代换网络
Feistel网络：Feistel提出，将n bit明文分成为左右各半、长为 n/2 bit的段，以L和R表示。然后进行多轮迭代，其第i轮迭 代的输出为前轮输出的函数
Li =Ri-1

分组密码体制


图3.3 Feistel网络示意图
Feistel网络中每轮结构都相同，每轮中右半数据被 作用于轮函数F后，再与左半数据进行异或运算， 这一过程就是上面介绍的代换。每轮的轮函数的结 构都相同，但以不同的子密钥Ki作为参数。代换过 程完成后，再交换左、右两半数据，这一过程称为 置换。这种结构是Shannon提出的代换——置换网 络（substitution-permutation network, SPN）的特 有形式。
② 密钥量要足够大（即置换子集中的元素足够 多），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。但密钥又不能过长，以 便于密钥的管理。DES采用56比特密钥，看来太短 了，IDEA采用128比特密钥，据估计，在今后30～ 40年内采用80 比特密钥是足够安全的。
③ 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，没有简单的关系可循， 能抗击各种已知的攻击，如差分攻击和线性攻击； 有高的非线性阶数，实现复杂的密码变换；使对手 破译时除了用穷举法外，无其它捷径可循。
④ 加密和解密运算简单，易于软件和硬件高速实 现。如将分组n化分为子段，每段长为8、16或者32。 在以软件实现时，应选用简单的运算，使作用于子 段上的密码运算易于以标准处理器的基本运算，如 加、乘、移位等实现，避免用以软件难于实现的逐 比特置换。为了便于硬件实现，加密和解密过程之 间的差别应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。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。此外，差错传播和数 据扩展要尽可能地小。
所以解密过程第1轮的输出为LE15‖RE15，等于加密 过程第16轮输入左右两半交换后的结果。容易证明 这种对应关系在16轮中每轮都成立。一般地，加密 过程的第i轮有

Ch02-单钥密码体制


密码体制分类 —— 单钥体制
特点：系统的保密性主要取决于密钥的安全性，与 算法的安全性无关，即由密文和加解密算法不可能 得到明文。即算法无需保密，需保密的是密钥。 主要任务：产生满足保密要求的密钥以及如何将密 钥安全可靠的分配给通信双方。
2010-9-11
11
1.密码学的基本概念 1.密码学的基本概念
丁刚
2
主 要 内 容
密码学的基本概念 流密码 分组密码概述 数据加密标准（DES） 数据加密标准（DES） 分组密码的运行模式 IDEA
2010-9-11
3
1.密码学的基本概念
密码学概述
密码技术通过信息的变换或编码，将机密的敏感信 息变换成黑客难以读懂的乱码以达到两个目的： 1、使不知道如何解码的黑客不可能由其截获的乱码 中得到任何有意义的信息。 2、使黑客不可能伪造乱码型的信息。
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15
2.流密码
流密码的基本思想
利用密钥K产生一个密钥流z=z0z1……，并使用如下 规则对明文串x=x0x1……加密： y=y0y1..y2=Ez0(x0) Ez1(x1) Ez2(x2) 密钥流由密钥流发生器f产生，zi=f(k,σi), σi是 加密器中的记忆元件（存储器）在时刻i的状态。
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3.分组密码 3.分组密码 Feistel密码结构 Feistel密码结构 —— 加密结构
代换
置换
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3.分组密码 3.分组密码
Feistel密码结构 Feistel密码结构—— 加密结构 密码结构
第I轮迭代的输入为前轮输出的函数： Li=Ri-1 Ri=Li-1⊕F(Ri-1,Ki)
2010-9-11
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32
20世纪的密码机
33
密钥系统
密码系统从原理上可分为两大类
单密钥系统 对称密码系统 秘密密钥密码系统 双密钥系统 非对称密码系统 公开密钥密码系统
34
数据加密算法
数据加密算法经历了以下三个阶段。
1）古典密码：包括代换加密、置换加密。 2）对称密钥密码：包括DES和AES。 3）公开密钥密码：包括RSA 、背包密码、 McEliece密码、Rabin、椭圆曲线、EIGamal D_H等。
23
密码学的起源和发展-i
三个阶段：
• 1949年之前 密码学是一门艺术 • 1949～1975年 密码学成为科学 • 1976年以后 密码学的新方向——公钥密码学
24
密码学的起源和发展-ii
• 1949年之前: 古典密码（classical cryptography) 密码学还不是科学,而是艺术 出现一些密码算法和加密设备 密码算法的基本手段(substitution & permutation)出现，针对的是字符 简单的密码分析手段出现
密文用C（Cipher）表示，也是二进制数据，有时和M一样大，有时 稍大。通过压缩和加密的结合，C有可能比P小些。
加密函数E作用于M得到密文C，用数学公式表示为： E（M）=C。 解密函数D作用于C产生M，用数据公式表示为： D（C）=M。 先加密后再解密消息，原始的明文将恢复出来， D（E（M））=M必须成立。
密钥 明文 加密 密文
密钥 解密 原始明文
17

有些算法使用不同的加密密钥和解密密钥，也就是说加密密钥K1与相 应的解密密钥K2不同，在这种情况下，加密和解密的函数表达式为：


函数必须具有的特性是，DK2（EK1（M））=M，如图 所示。
EK1（M）=C DK2（C）=M
加密 密钥 明文 加密 密文
1 2 k1 k2
22
密码学的历史
发展史
早在4000多年以前，古埃及人就在墓志铭中使用过类似于象 形文字那样奇妙的符号； 公元前约50年，凯撒密码－一种简单的字符替换－被认为是 最早的正式算法； 双轨式密码、网格式密码、字典编号密码； 传统密码学、现代密码学、量子密码学。
应用领域
军事、外交、情报 商业、个人通信
6
王 先 生 ： 来 信 收 到 ， 你 的 盛 情 真 是 难 以 报 答 。 我 已 在 昨 天 抵 答 广 州 。 秋 雨 连 绵 ， 每 天 需 备 雨 伞 一 把 方 能 上 街 ， 苦 矣 ！ 大 约 本 月 中 旬 我 才 能 返 回 ， 届 时 再 见 。 弟 李 明
另一方得到情报：“情报在雨伞把中”。
28
密码学的起源和发展-iv
• 1976年以后: 1976年Diffie & Hellman的“New Directions in Cryptography”提出了不 对称密钥密码 1977年Rivest,Shamir & Adleman提出 了RSA公钥算法 90年代逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法 公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输 的保密通信成为可能！
件标志着现代密码学的形成。
1980s，奠定以计算复杂性理论为基础的密码学理论， 提出零知识证明、伪随机数产生器等一系列内容。 以后，随着计算机网络的发展，密码学从理论到 应用都不断丰富发展。
10
加密算法的三个发展阶段：
经典密码体制 对称密钥密码（即：单钥密码体制） 公钥密钥密码（即：双钥密码体制）
15
鉴别、完整性和抗抵赖性
除了提供机密性外，密码学需要提供三方面的功能：鉴别、完 整性和抗抵赖性。这些功能是通过计算机进行社会交流，至关 重要的需求。
鉴别：消息的接收者应该能够确认消息的来源；入侵者不可能 伪装成他人。 完整性：消息的接收者应该能够验证在传送过程中消息没有被 修改；入侵者不可能用假消息代替合法消息。 抗抵赖性：发送消息者事后不可能虚假地否认他发送的消息。
11
密码学术语
消息、明文、密文 加密、解密 鉴别、完整性、抗抵赖性 算法 密钥 对称算法、非对称算法 …
12
消息和加密
遵循国际命名标准，加密和解密可以翻译成：“Encipher（译成密 码）”和“（Decipher）（解译密码）”。也可以这样命名： “Encrypt（加密）”和“Decrypt（解密）”。 消息被称为明文。用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程称为加 密，加了密的消息称为密文，而把密文转变为明文的过程称为解密， 图 表明了加密和解密的过程。
29
密码学的起源和发展-v
1976年以后: 对称密钥密码算法进一步发展 1977年DES正式成为标准 80年代出现“过渡性”的“post DES”算 法,如IDEA，RCx，CAST等 90年代对称密钥密码进一步成熟 Rijndael,RC6, MARS, Twofish, Serpent等出现 2001年Rijndael成为DES的替代者
26
隐语
隐语：把信息变换成与此信息完全无关（但有意 义的）语言。 口头：日本偷袭珍珠港 书面的：北宋时期，把军中之事归纳成40条， “请弓”、“请刀”、“未见贼”等，“以旧诗 四十字，不得令字重，每字依次配一条，与大将 各收一本。
27
密码学的起源和发展-iii
• 1949～1975年:
计算机使得基于复杂计算的密码成为可能 1949年Shannon的“The Communication Theory of Secret Systems” 1967年David Kahn的《The Codebreakers》 1971-73年IBM Watson实验室的Horst Feistel等的几篇技术 报告 Smith,J.L.,The Design of Lucifer, A Cryptographic Device for Data Communication, 1971 Smith,J.L.,…,An Expremental Application of Cryptogrphy to a remotely Accessed Data System, Aug.1972 Feistel,H.,Cryptography and Computer Privacy, May 1973 数据的安全基于密钥而不是算法的保密
19
图 加密与解密的转换关系
图 密码通信系统模型
20


如图加密与解密转换关系的数学表示，称为密 码通信系统模型，它由以下几个部分组成： ·M：明文消息空间 ·E： 密文消息空间 ·K1和K2：密钥空间 ·加密变换：·解密变换：
21
将 ( M , E, K , K , E , D ) 称为密码系统。例如， 将给定明文消息，密钥，将明文m变换为密 文c的过程为:
9
1949年，香农发表“Communication Theory of Secrecy Systems”，定义理论安全性，提出扩散和混淆方法。 art－－－science
1976年，W. Diffie M.E.Hellman发表 “New Directions
in Cryptograpgy”，提出公钥密码思想。1977年，DES 被公布。1978年，RSA公钥密码体制被提出。这些事
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一些准密码
隐写术(steganography): 通过隐藏消息的存在来保护 消息.（ 隐形墨水、字符格式的变化、图象图像） 暗号：通过用物件的状态或行为来传达事先约定的信息。 把一些简单信息变换为常见的现象。
窗台上的花瓶，可代表“现在安全” 姜太公用称为“阴符” 的符契，进行军事上的保密通 信。

明文
加密
密文
解密
原始明文
13
解密
加密的反过程，获得明文。 需要说明的是，解密主要针对合法的 接收者，而非法接收者在截获密文后试 图从中分析出明文的过程称为“破译”。
14
明文 密文
明文用M（Message，消息）或P（Plaintext，明文）表示，它可能 是比特流、文本文件、位图、数字化的语音流或者数字化的视频图像 等。
目前在数据通信中使用最普遍的算法有DES 算法、RSA算法和PGP算突争占地击明领进，日”
8
希腊时代的恺撒密码，就是将英文字母移位一个固定的值。
a
b
c F p S
d G q T
e H r U
f
g
h K u X
i
j
k
l
D E n o Q R
I J s t V W
L M N v w x Y Z A
m O P y z B C
如果明文消息是：cryptography cryp togr aphy 得到的密文是： FUBS WRJU DSKB 二战时期，一大批数学家推动了密码学的发展，如图灵。
16
算法和密钥
现代密码学用密钥解决了这个问题，密钥用K表示。K可以是很 多数值里的任意值，密钥K的可能值的范围叫做密钥空间。加 密和解密运算都使用这个密钥，即运算都依赖于密钥，并用K 作为下标表示，加解密函数表达为： EK（M）=C DK（C）=M DK（EK（M））=M，如图所示。
解密 密钥 解密 原始明文
18

通常，将加密前的原始数据或消息称为明文 （plaintext），而将加密后的数据称为密文 （ciphertext），在密码中使用并且只有收发双方才 知道的信息称为密钥（key）。通过使用密钥将明文 转换成密文的过程称为加密，其反向过程（将密文转 换为原来的明文）称为解密。对明文进行加密时采用 的一组规则称为加密算法。对密文解密时采用的一组 规则称为解密算法。加密算法和解密算法是在一组仅 有合法用户知道的密钥的控制下进行的，加密和解密 过程中使用的密钥分别称为加密密钥和解密密钥。加 密和解密的转换关系如图2-1所示。