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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。
分组密码原理
分组密码是一种密码算法，它将明文分为固定大小的块（通常为64位或128位），然后通过一系列的加密操作将每个分组
转换为对应的密文分组。
分组密码的核心原理是使用一个密钥来对每个分组进行加密。
加密过程包括多个轮次，每个轮次都涉及到多个步骤，如替代、置换、混淆和线性变换等。
在每个轮次中，明文分组会与密钥的某个子密钥进行混合，生成一个中间结果，然后再进行下一轮的操作。
最后一轮的结果即为该分组的密文。
在解密过程中，密文分组会经过与加密过程相反的操作，使用相同的密钥和子密钥来逐步还原为原始的明文分组。
分组密码的优势在于它可以处理大量的数据，并且能够抵抗多种密码攻击。
同时，通过不同的密钥和轮次数的组合，可以生成不同的密码变种，提供更高的安全性。
然而，分组密码也存在一些限制。
首先，由于每个分组的加密是独立进行的，所以加密过程中的错误可能会影响整个密文分组的完整性。
其次，分组密码的加密速度相对较慢，不适用于一些实时的应用场景。
总的来说，分组密码通过将明文分组成固定大小的块，并使用密钥和一系列的操作对每个分组进行加密，从而保护数据的机密性和完整性。
《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。
