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密码学之分组密码算法密码学之分组密码算法简介分组密码算法(Block Cipher Algorithm)是将输⼊数据划分成固定长度的组进⾏加密和解密的⼀类对称密码算法。
其安全性主要以来于密钥，通信双⽅使⽤相同的密钥加密和解密。
其优势有速度快，易于标准化和便于软硬件实现等特点。
下标集:₀₁₂₃₄₅₆₇₈₉⁻ ¹ ₋DES加密算法DES简介于1977年公布的第⼀个被⼴泛应⽤的商⽤数据加密算法，在抵抗了⼆⼗余年的密码分析后，其安全性已⽆法得到保障。
所以在1998年12⽉以后就不再使⽤DES加密算法。
但是其衍⽣的三重DES加密算法⽬前还有其应⽤场景。
加密过程算法总览DES加密算法就如下图所⽰。
其输⼊为64位(bit)的明⽂，使⽤56位(bit)的密钥，但是附加了8位奇偶校验位(位于8,16,...,64位)组合成64位密钥。
在64位密钥的控制下，最终产⽣了64(bit)的密⽂。
在下图中X=X₁X₂X₃...X₆₄即为输⼊明⽂，在经过初始转换IP的换位处理后，得到⼀个乱序的明⽂组，并将其分为L₀和R₀两部分，每部分各32位。
⽽K₁K₂...K₁₆则是⽣成由初始密钥⽣成的轮密钥，长度有48位。
其次进⾏如下图所⽰与密钥有关的16轮迭代变换。
对R₀在进⾏⼦密钥K₁控制下的f变换，其得到的结果与L₀作逐位异或后，作为下⼀轮的R₁，⽽R₀则作为下⼀轮的L₁。
在经过16轮如上步骤，最后经过逆初始置换P⁻¹处理后得到密⽂Y=Y₁Y₂Y₃...Y₆₄初始置换IP与逆初始置换IP⁻¹IP操作是对原明⽂的位次顺序进⾏打乱，⽽逆初始置换IP⁻¹是IP操作的⼀个逆操作，其⽬的是为了撤销之前的初始置换操作。
其实这两种操作对密码⽅⾯的作⽤并不⼤。
其具体操作正如表格中所⽰，在如下表格中依次填⼊该顺序位次下的bit位，最终组成新的位次顺序。
如第⼀位的的内容即为原明⽂中第58位处的内容。
轮密钥的产⽣初始密钥K在经过选择置换PC_1后同样分为两个部分C₀和D₀，每部分各28位(bit)，该选择置换实际是在除去了奇偶校验位的置换。
分组密码学
分组密码学是一种加密技术，它将待加密的数据分成若干块，每个块都采用相同的加密算法进行加密，以保证数据的安全性。
分组密码学中最常见的算法是DES和AES，它们都是基于同样的思想：将明文块通过一个固定的算法转化为密文块。
在分组密码学中，密钥的长度对加密算法的安全性有很大影响。
如果密钥长度过短，攻击者可以通过穷举法轻易地破解加密算法；反之，如果密钥长度过长，加密和解密过程会变得非常缓慢。
为了增强分组密码学的安全性，人们还发明了很多扩展算法，如三重DES、RSA等。
这些算法在不同的场合下得到了广泛的应用，如网上银行、数字证书等领域。
总的来说，分组密码学是一种非常重要的加密技术，它在信息安全领域发挥着重要的作用。
随着计算机技术的不断发展，分组密码学也在不断更新和改进，以适应不断变化的安全需求。
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《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。
第三章习题1简述分组密码算法的基本工作原理。
答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进行分组每组的长度相同然后对每组明文分别加密得到密文。
分组密码系统采用相同的加密密钥和解密密钥这是对称密码系统的显著特点。
例如将明文分为m块0121mPPPP每个块在密钥作用下执行相同的变换生成m个密文块0121mCCCC每块的大小可以任意长度但通常是每块的大小大于等于64位块大小为1比特位时分组密码就变为序列密码如图是通信双方最常用的分组密码基本通信模型。
加密算法解码算法明文x密文y明文x密钥k密钥kkExykDyxAliceBob不安全信道安全信道密钥k攻击者图分组密码基本通信模型图在图中参与通信的实体有发送方Alice、接收方Bob。
而攻击者是在双方通信中试图攻击发方或者收方信息服务的实体攻击者经常也称为敌人、对手、搭线者、窃听者、入侵者等并且攻击者通常企图扮演合法的发送方或者接收方。
2为了保证分组密码算法的安全对分组密码算法的要求有哪些答为了保证分组密码的安全强度设计分组密码时应遵循如下的基本原则1分组长度足够长防止明文穷举攻击例如DESData Encryption Standard、IDEAInternational Data Encryption Algorithm等分组密码算法分组块大小为64比特在生日攻击下用322组密文破解成功概率为0.5同时要求32152642bitsMB大小的存储空间故在目前环境下采用穷举攻击DES、IDEA等密码算法是不可能而AES明文分组为128比特同样在生日攻击下用642组密文破解成功概率为0.5同时要求存储空间大小为644821282bitsMB采用穷举攻击AES算法在计算上就更不可行。
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攻击方法。
《密码学》课程设计实验报告实验序号：03 实验项目名称：分组密码工作模式分组工作模式具体说明➢电话本模式⏹直接利用分组密码对明文的各分组进行加密⏹缺点1.不能解决短块问题2.容易暴露明文的数据模式。
在计算机系统中，许多数据都具有某种固有的模式，这主要是由数据冗余和数据结构引起的。
例如，各种计算机语言的语句和指令都十分有限，因为在程序中便表现为少量的语句和指令的大量重复⏹流程图➢明密文链接模式⏹设明文M=(M1,⋯,M n)，相应的密文C=(C1,⋯,C n)C i={E(M i⊕Z,K), i=1E(M i⊕M i−1⊕C i−1,K), i=2,⋯,n⏹特点1.加解密错误传播无界2.无法处理短块⏹流程图➢密文链接模式⏹由于明密文链接模式具有加解密错误传播无界的特性，而磁盘等文件通常希望错误传播有界，这时可采用密文链接模式⏹设明文M=(M1,⋯,M n)，相应的密文C=(C1,⋯,C n)C i={E(M i⊕Z,K), i=1E(M i⊕C i−1,K), i=2,⋯,n⏹特点1.无法处理短块2.加密错误传播无界，解密错误传播有界➢输出反馈模式⏹将一个分组密码转换为一个密钥序列产生器，从而可以实现用分组密码按流密码的方式进行加解密。
⏹特点1.工作模式的安全性取决于分组密码本身的安全性2.可以解决短块加密3.无错误传播4.适用于加密冗余度较大的数据，例如语音和图像数据⏹流程图➢密文反馈模式⏹与输出反馈的工作原理基本相同，所不同的仅仅是反馈到移位寄存器R的不是E输出中的最右s位，而是密文c i的s位⏹流程图➢X CBC模式⏹X CBC模式解决了CBC模式要求明文数据的长度是密码分组长度的整数倍的限制，可以处理任意长的数据⏹优点1.可以处理任意长度的数据2.适用于计算产生检测数据完整性的消息认证码MAC⏹缺点1.使用3个密钥，密钥的存储和加解密控制都比较麻烦2.接受双方需要共享填充的消息长度➢CTR模式⏹与密文反馈工作模式和输出反馈工作模式一样，把分组密码转换为序列密码，在本质上是利用分组密码产生密钥序列，按序列密码的方式进行加密⏹优点1.可并行，效率高2.适合任意长度的数据3.加解密速度快⏹缺点1.没有错误传播，不适用于数据完整性验证⏹流程图五、分析与讨论1)分组密码不同的工作模式各有各的特点，例如有些工作模式需要处理短块，有些则不需要；有些模式具有错误传播无界的特性，有些则没有。
