流密码与分组密码编程
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分组密码(全)
7
分组密码的发展历史
二十世纪之前的密码算法
算法、密钥保密
二十世纪之后的密码算法
Kerckhoffs假设：密码分析者已有密码算法 及实现的全部详细资料. Kerckhoff假设蕴涵着密码的安全性完全依赖 于密钥.
8
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
12
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
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.
Dk·Ek=I
6
特点 明文、密文组长度为n，密钥长度为t，密钥量 为 2t 密文中的任一位数字与该组明文所有的数字均 有关 每组明文使用相同密钥加密 本质是{0，1，…，2n-1}集合上的自映射或置 换
22
保密系统的安全性分析 及分组密码攻击手段
主动攻击：主动出击，先发制人
3. 选择明文攻击：密码分析者可得到所需要的任何 明文所对应的密文，这些密文与待解的密文是用同 一个密钥加密得来的. 4. 选择密文攻击：密码分析者可得到所需要的任何 密文所对应的明文，解密这些密文所使用的密钥与 解密待解的密文的密钥是一样的.
密码学专业代码
密码学专业代码密码学是一门研究信息安全和保密的科学，它涉及到数学、计算机科学、工程、物理等多个领域。
密码学专业代码是指在密码学领域中使用的一些专业术语、符号、算法、协议等，它们有助于描述、分析、设计、实现和评估各种密码学系统和应用。
密码学基本概念在密码学中，有一些基本的概念和定义，它们是理解和使用密码学专业代码的基础。
以下是一些常见的密码学基本概念：明文：明文是指未经加密或变换的原始信息，它可以是任何形式的数据，如文本、图像、音频、视频等。
明文通常用字母P表示。
密文：密文是指经过加密或变换后的信息，它通常无法直接被人或机器理解，需要通过解密或逆变换才能恢复成明文。
密文通常用字母C表示。
密钥：密钥是指用于加密或解密信息的一些参数或数据，它可以是一个数字、一个字符串、一个矩阵等。
密钥通常用字母K表示。
加密：加密是指将明文通过某种算法或函数，结合密钥，变换成密文的过程。
加密通常用符号E表示，例如E(K,P)=C表示用密钥K对明文P进行加密得到密文C。
解密：解密是指将密文通过某种算法或函数，结合密钥，逆变换成明文的过程。
解密通常用符号D表示，例如D(K,C)=P表示用密钥K对密文C进行解密得到明文P。
密码系统：密码系统是指一个完整的加密和解密方案，它包括了加密算法、解密算法、密钥生成方法、密钥分配协议等。
密码系统通常用符号S表示。
密码分析：密码分析是指对密码系统进行研究和攻击的过程，目的是为了破译出明文或者找出密钥。
密码分析通常分为两类：无条件安全和计算安全。
无条件安全是指即使攻击者拥有无限的计算能力和时间，也无法破译出明文或者找出密钥的密码系统。
计算安全是指即使攻击者拥有很强的计算能力和时间，也需要付出非常大的代价才能破译出明文或者找出密钥的密码系统。
攻击模型：攻击模型是指描述攻击者拥有什么样的信息和能力来进行密码分析的一种假设。
不同的攻击模型对应不同的难度和安全性。
以下是一些常见的攻击模型：唯密文攻击：唯密文攻击是指攻击者只知道一些密文，不知道任何明文或者密钥的情况下进行的攻击。
02分组密码—DES算法及AES简介
分组密码和流密码的比较
• 基本区别
– 粒度 8字节分组 vs. 1比特或1字节
各自适应不同的应用数据格式 – 分组密码对相同的明文分组，总是输出相同的密文分组；
而流密码却输出不同的密文比特
– 流密码一般快很多
• 分组密码多些，是商用密码的主流
– 分组密码也可以用作流模式
• 安全性对比
– 流密码是核心密码的主流
L1 ＝R2⊕F(k2,R1) ＝L1⊕F(k2,R1)⊕F(k2,R1) ＝L1
L0 ＝R1⊕F(k1,R0) ＝L0⊕F(k1,R0)⊕F(k1,R0) ＝L0
kpwang@
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Feistel伪代码
明文m – 长度n＝2t，记为m0m1，每个长度为t 密钥k – 产生r个子密钥k1,k2 ,...,kr 加密E m： for i=2 to r+1 do 0, 1 mi＝mi-2 XOR f(mi-1, ki-1) i, i+1 <- ki 得密文（mr，mr+1） r, r+1 <- kr 解密D for i=r to 1 do mi-1＝mi+1 XOR f(mi, ki) 或 for i=r-1 to 0 do mi＝mi+2 XOR f(mi+1, ki+1) ＝mi XOR f(mi+1, ki+1) XOR f(mi+1, ki+1) ＝mi
– 密文分组和明文分组同样长 • 对某个密钥可以构造一个明密文对照表
– 电码本 (Substitution Table) – 所以分组的长得至少64比特才好
– 密钥空间2 << 可逆映射个数(2 )!
分析比较分组密码AES-CFB或OFB与流密码RC4的特点
作业二、分析比较分组密码AES-CFB 或 OFB与流密码RC4的特点一、RC4算法介绍RC4是一种对称密码算法，它属于对称密码算法中的序列密码(streamcipher,也称为流密码)，它是可变密钥长度，面向字节操作的流密码。
RC4是流密码streamcipher中的一种，为序列密码。
RC4加密算法是Ron Rivest在1987年设计出的密钥长度可变的加密算法簇。
起初该算法是商业，直到1994年，它才公诸于众。
由于RC4具有算法简单，运算速度快，软硬件实现都十分容易等优点，使其在一些协议和标准里得到了广泛应用。
流密码也属于对称密码，但与分组加密算法不同的是，流密码不对明文数据进行分组，而是用密钥生成与明文一样长短的密码流对明文进行加密，加解密使用相同的密钥。
RC4算法特点：(1)、算法简洁易于软件实现，加密速度快，安全性比较高；(2)、密钥长度可变，一般用256个字节。
对称密码的工作方式有四种：电子密码本(ECB, electronic codebook)方式、密码分组(CBC, cipherblock chaining)方式、密文反馈(CFB, cipher-feedback)方式、输出反馈(OFB, output-feedback)方式。
RC4算法采用的是输出反馈工作方式，所以可以用一个短的密钥产生一个相对较长的密钥序列。
OFB方式的最大的优点是消息如果发生错误(这里指的是消息的某一位发生了改变，而不是消息的某一位丢失)，错误不会传递到产生的密钥序列上；缺点是对插入攻击很敏感，并且对同步的要求比较高。
RC4的执行速度相当快，它大约是分块密码算法DES的5倍，是3DES的15倍，且比高级加密算法AES也快很多。
RC4算法简单，实现容易。
RC4的安全保证主要在于输入密钥的产生途径，只要在这方面不出现漏洞，采用128bit的密钥是非常安全的。
RC4算法加密流程：包括密钥调度算法KSA和伪随机子密码生成算法PRGA两大部分(以密钥长度为256个字节为例)。
04流密码-CIW
怎么解决?
• RSA公钥 • DH密钥交换 • MD5单向HASH函数
且听下回分解
是它的特征多项式为一个n次本原多项式
本原多项式
•若一个n次多项式f(x)的阶为2n－1，即满足条件：
•f(x)为既约多项式 •f(x)可整除（x2n-1＋1) •f(x)不能整除（xp＋1)，其中p < 2n－1
eg. n=4，周期为24－1＝15，其特征多项式是能整除 (x15+1)的4次本原多项式 x15+1=(x+1)(x2+x+1)(x4+x+1)(x4+x3+1)(x4+x3+x2+x+1) 由于x4+x3+x2+x+1|x5＋1，所以本原多项式为，x4+x+1 和x4+x3+1，选择f(x)＝ x4+x+1，即c4＝c1＝c0＝1
•The source host encrypts the data. •The destination host decrypts it. •The packet head is in the clear. •The user data are secure. •The traffic pattern is insecure. •Require one key per user pair •A degree of user authentication. •在较高的网络层次上实现
失去同步
恢复同步
*** ci ci+1 *** ci+n ci+n+1 ***
错误发生
错误解密
自同步序列密码的错误传播
分组密码算法和流密码算法的安全性分析
分组密码算法和流密码算法的安全性分析当今是一个网络时代,人们的生活方式与过去相比发生了很大的变化,足不出户就可以通过网络解决衣食住行中的绝大多数需求,例如,用淘宝网购买所需、用支付宝进行日常支付、用电子银行转账等等。
生活变得快捷而又方便。
然而,事物都有两面性,伴随着生活的便捷而来的是财产安全和个人隐私的保障问题。
这时,密码的使用就是在网络上对我们进行保护的一个关键技术点。
它是类似防火墙似的存在,是一切网络活动的基石。
在网络传输时一般使用的是对称加密算法来进行加密操作,如流密码算法和分组密码算法。
因此,对现有的被广泛重视和使用的分组密码算法和流密码算法的安全性进行研究和分析是非常有必要的。
在本文中,首先,我们针对分组密码算法建立统计积分区分器和多结构体统计积分区分器新模型,并将模型应用于实际算法中;其次,基于MILP方法首次将S盒的差分特征和线性特征考虑进不可能差分路线和零相关路线的自动化搜索中,首次给出ARX算法通用的不可能差分路线和零相关路线的自动化搜索方法,并将该方法应用于实际算法中;最后,在相关密钥场景下利用不可能差分方法给出流密码算法Lizard的安全性分析结果。
具体结果如下。
提出分组密码算法统计积分区分模型,并利用该模型理论破解Skipjack变种算法、给出CAST-256的最优攻击结果和IDEA的最优积分攻击结果:积分攻击是对称密码领域最强大的分析方法之一,被广泛的应用于分组密码算法的安全性分析中。
它是基于概率为1的平衡特性来构建区分器。
攻击者可以通过固定输入的一部分比特而遍历剩下的所有比特的可能取值,观察相应的输出值在某些比特上是否为均匀分布来区分真实算法和随机置换。
为了增加积分区分器的覆盖轮数,攻击者通常会在整个明文空间的限制条件下以特定的结构来遍历更多的明文比特以使得平衡特性依然成立。
然而这一要求限制了积分攻击在很多算法分析中的应用。
在本文中,为降低积分分析中使用的数据复杂度,我们基于超几何分布和多项分布为算法和随机置换构造不同的概率分布来进行区分,从而构建了统计积分这一新模型。
密码学算法
密码学算法密码学是一门应用数学学科，主要研究的是保护信息的技术和方法。
密码学算法是密码学的核心，是密码系统实现的基础。
密码学算法可以分成对称加密算法和非对称加密算法。
对称加密算法对称加密算法是指加密密钥和解密密钥相同的加密算法。
对称加密算法一般分为分组密码和流密码两种。
1. 分组密码分组密码是指把明文分成一定长度的组，然后分组加密的一种方法。
目前广泛使用的分组密码有DES、AES和Blowfish等。
DES是一种密钥长度为56位的标准分组密码算法。
它是一种基于替换和置换的Feistel密码体制。
Feistel密码体制会把明文加密或解密成为两部分，通常称为左半边和右半边。
AES是一种密钥长度为128位的分组密码算法。
它被广泛应用于网络和存储系统中。
AES加密算法采用分组密码结构，分为128、192和256三种密钥长度。
目前256是最安全的长度。
Blowfish是一种由Bruce Schneier开发的对称密钥分组密码算法，它采用的是64位的数据块，这种算法的密钥可以变化的长度，从32位到448位不等。
Blowfish算法安全性在当前的密码学中排名较高。
流密码是一种将明文连续地与密钥流使用异或运算一次一位地加密的加密方式。
流密码算法有RC4、Salsa20和ChaCha20等。
RC4是一种流密码算法，它广泛应用于网络安全和无线电波传输。
RC4是一种密钥长度变化的算法，密钥长度可以是1到256位不等。
非对称加密算法也被称为公钥密码算法，它比对称加密算法更加复杂。
非对称加密算法使用两个密钥，一个称为公钥，另一个称为私钥。
公钥可以自由发布，供任何人使用，而私钥只能保存在其所有者的设备中。
非对称加密算法中，用公钥加密的消息可以用私钥解密，用私钥加密的消息可以用公钥解密。
1. RSA加密算法RSA是一种非对称加密算法，它由Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman三位MIT的数学家于1977年发明，并由RSA公司商业化。
流密码与分组密码
流密码和分组密码按照密钥的特征不同，密码体制分为对称密码体制和非对称密码体制。
按照对明文消息加密方式的不同，密码体制分为流密码（Stream Cipher ）和分组密码（Block Cipher ）[1]。
非对称密码体制均为分组密码[2]。
1 流密码流密码也称为序列密码。
在流密码中，明文以序列的方式表示，称为明文流。
在对明文流进行加密时，先由种子密钥生成一个密钥流。
然后，利用加密算法把明文流和密钥流加密，产生密文流。
流密码每次只对明文中的单个bit 位进行加密变换，加密过程所需的密钥流由种子密钥通过密钥流生成器产生。
流密码的主要原理是通过随机数发生器产生性能优良的伪随机序列（密钥流），使用该序列加密明文流（逐bit 位加密），得到密文流。
由于每一个明文都对应一个随机的加密密钥，因此流密码在理论上属于无条件安全的密码体制（一次一密密码）[3]。
流密码的基本加密过程，如图1所示。
图1 流密码的加密过程设明文流为：12i m m m m = ，密钥流由密钥流发生器f 产生：(,)i i z f k σ=，这里i σ是加密器中的存储器在时刻i 的状态，f 是由种子密钥k 和i σ产生的函数。
设最终得到的密钥流为：12i k k k k = ，加密结果为：121212()()()i i k k k i c c c c E m E m E m == ，解密结果为：121212()()()i k k k i i m D c D c D c m m m == 。
用流密码进行保密通信的模型，如图2所示：图2 流密码保密通信图2 分组密码分组密码也称为块密码。
当加密一条长消息（明文）时，首先，将明文编码表示为二进制序列；然后，将其分成若干个固定长度的组（最后一组长度不够时还得进行填充，如补0）；最后，再对逐个分组依次进行加密操作。
分组长短决定着密码的强度。
从算法的安全性考虑，分组长度不能太短，应该保证加密算法能够应付密码分析；从实用性考虑，分组长度又不能太长，要便于操作和运算。
分组密码与流密码
分组密码与流密码第一节什么是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。
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。
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。
第二节分组密码的设计原则Claude Shannon在1949年提出了代替—置换（S-P）网络的想法，成为当代分组加密法的基础，而代替和置换就是两种基本的密码学运算。
Shannon又提出扩散（diffusion）和扰乱（confusion）是影响密码安全的主要因素。
扩散的目的是让明文中的单个数字影响密文中的多个数字，从而使明文的统计特征在密文中消失，相当于明文的统计结构被扩散。
例如，最简单的方法让明文中的一个数字影响密文中的k个数字，可以用：扰乱是指让密钥与密文的统计信息之间的关系变得复杂，从而增加通过统计方法进行攻击的难度。
扰乱可以通过各种代换算法实现。
设计安全的分组加密算法，需要考虑对现有密码分析方法的抵抗，如差分分析、线性分析等，还需要考虑密码安全强度的稳定性。
此外，用软件实现的分组加密要保证每个组的长度适合软件编程（如8、16、32……），尽量避免位置换操作，以及使用加法、乘法、移位等处理器提供的标准指令；从硬件实现的角度，加密和解密要在同一个器件上都可以实现，即加密解密硬件实现的相似性。
第三节Feistel加密结构如今许多对称式分组密码都是以Horst Feistel提出的“Feistel加密法”的结构为基础。
Feistel加密法以不可逆的混合式加密为基础，将输入的区段分为两半，分多个回合来处理，每回合左半部资料会执行一次替换运算，替换运算会将右半部回合函式F的结果，以XOR运算方式与左半部资料结合起来，然后交换左右两半资料。
分组密码算法 序列密码算法
分组密码算法序列密码算法
分组密码算法是一种对明文按照一定大小的分组进行加密的算法。
在这种算法中，明文被分成固定长度的块，并对每个块进行加密转换以生成密文。
最常见的分组密码算法是AES（高级加密标准）。
AES算法使用128位的分组大小，也就是将明文分成128位的块，并使用相同的密钥对每个块进行加密。
具体的加密过程包括轮密钥生成、字节替代、行移位、列混淆和轮密钥加等步骤。
这些步骤的重复执行使得AES算法具有较高的安全性和强大的抵抗攻击的能力。
序列密码算法是一种通过对明文逐个字符进行加密转换来生成密文的算法。
在这种算法中，明文中的每个字符都会被一个密钥对应的密码算法转换成密文中的一个字符。
最常见的序列密码算法是RC4（Rivest Cipher 4）。
RC4算法使用可变长度的密钥，通过对明文中的每个字符与密钥中的一个字符进行异或运算来生成密文中的字符。
由于RC4算法的简单性和高效性，它在很多应用中被广泛使用，比如加密通信协议SSL/TLS。
虽然分组密码算法和序列密码算法在加密原理和实现上存在一定的差异，但它们都是基于数学运算和密钥的加密算法。
无论是分组密码算法还是序列密码算法，都需要选择合适的密钥长度和密码算法，以及采取适当的安全措施来保护密钥的安全性，从而保证加密的强度和可靠性。
同时，为了提高密码算法的安全性，研究者们也在不断地提出新的加密算法和协议，以应对日益增长的安全风险和攻击手段。
分组密码模式
分组密码模式分组密码模式分组密码与流密码分组密码：每次只能处理特定长度的⼀块数据的⼀类算法，“⼀块”就称为分组(block )。
⼀个分组的⽐特数就称为分组长度(block length)。
流密码: 对数据流进⾏连续的处理的⼀类密码。
只有⼀次性密码本属于流密码，⽽DES 、三重DES 、AES 等⼤多数对称密码算法都属千分组密码。
模式分组密码算法只能加密固定产固定的分组，若加密的铭⽂的长度超过分组密码的长度，需要对分组密码算法进⾏迭代，以便将所有的密码全部加密。
明⽂分组和密⽂分组主动攻击者Mallory窃听者Eve 只能被动地进⾏窃听，⽽主动攻击者则可以主动介⼊发送者和接收者之间的通信过程，进⾏阻碍通信或者是篡改密⽂等活动。
这样的攻击者⼀般称为Mallory 。
ECB模式使⽤ECB 模式加密时，相同的明⽂分组会被转换为相同的密⽂分组，也就是说，我们可以将其理解为是⼀个巨⼤的“明⽂分组⼀密⽂分组”的对应表，因此ECB 模式也称为电⼦密码本模式。
当最后⼀个明⽂分组的内容⼩于分组长度时，需要⽤⼀些特定的数据进⾏填充( padding )。
CBC 模式在CBC 模式中，⾸先将明⽂分组与前⼀个密⽂分组进⾏XOR 运算，然后再进⾏加密。
ECB 和 CBC 的区别初始化向量当加密第⼀个明⽂分组时，由于不存在“前⼀个密⽂分组”，因此需要事先准备⼀个长度为⼀个分组的⽐特序列来代替“前⼀个密⽂分组”，这个⽐特序列称为初始化向量(Initialization Vector) ，通常缩写为IV 。
⼀般来说，每次加密时都会随机产⽣⼀个不同的⽐特序列来作为初始化向量。
CBC模式的特点明⽂分组在加密之前⼀定会与“前⼀个密⽂分组”进⾏XOR 运算，因此即便明⽂分组 1和 2 的值是相等的，密⽂分组1 和 2 的值也不⼀定是相等的。
这样⼀来，ECB 模式的缺陷在CBC模式中就不存在了。
在CBC 模式中，我们⽆法单独对⼀个中间的明⽂分组进⾏加密。
流密码详解
k : 种子(初始)密钥 F : 状态转移函数 f : 密钥流生成函数
mi
zi E(zi,mi) ci
10
2.1 流密码一般模型
自同步流密码(SSSC: self-synchronous stream cipher) 产生密钥序列的算法与以前的密文有关.
i F ( i 1 , ci 1 ,..., ci l , k ) F ( i 1 , mi 1 ,..., mi l , k ) zi f ( i , k ),
a=0101110, Ta =1011100…,
Ra,a(1)=(-1)0+1+(-1)1+0+(-1)0+1 +(-1)1+1 +(-1)1+1 +(-1)1+0 +(1)0+0=-1,
a=0101110, T2a =0111001…,
Ra,a(2)=(-1)0+0+(-1)1+1+(-1)0+1 +(-1)1+1 +(-1)1+0 +(-1)1+0 +(- 18
21
伪随机序列
反馈移位寄存器(FSR: Feedback Shift Register)
n个寄存器: 从右至左依次称为第1,2,…,n 级 反馈函数 f(x0, x1,…,xn-1): GF(2)nGF(2). 工作原理: 当一个时钟脉冲来到时, 第i 级寄存器的内容传 送给第i-1级寄存器(i=2,3,…,n),第1 级寄存器的内容为反馈 移位寄存器的输出. 反馈函数 f(x0, x1,…,xn-1)的值传送给第 n级寄存器. an1 a0 1 称为反馈移位寄存器序 FSR的输出序列 : a0, a1… ,a2,…,ana ,… 列(FSR序列).
mi
zi E(zi,mi) ci
10
2.1 流密码一般模型
自同步流密码(SSSC: self-synchronous stream cipher) 产生密钥序列的算法与以前的密文有关.
i F ( i 1 , ci 1 ,..., ci l , k ) F ( i 1 , mi 1 ,..., mi l , k ) zi f ( i , k ),
a=0101110, Ta =1011100…,
Ra,a(1)=(-1)0+1+(-1)1+0+(-1)0+1 +(-1)1+1 +(-1)1+1 +(-1)1+0 +(1)0+0=-1,
a=0101110, T2a =0111001…,
Ra,a(2)=(-1)0+0+(-1)1+1+(-1)0+1 +(-1)1+1 +(-1)1+0 +(-1)1+0 +(- 18
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伪随机序列
反馈移位寄存器(FSR: Feedback Shift Register)
n个寄存器: 从右至左依次称为第1,2,…,n 级 反馈函数 f(x0, x1,…,xn-1): GF(2)nGF(2). 工作原理: 当一个时钟脉冲来到时, 第i 级寄存器的内容传 送给第i-1级寄存器(i=2,3,…,n),第1 级寄存器的内容为反馈 移位寄存器的输出. 反馈函数 f(x0, x1,…,xn-1)的值传送给第 n级寄存器. an1 a0 1 称为反馈移位寄存器序 FSR的输出序列 : a0, a1… ,a2,…,ana ,… 列(FSR序列).
分析比较分组密码AES-CFB或OFB与流密码RC4的特点
作业二、分析比较分组密码AES-CFB 或 OFB与流密码RC4的特点一、RC4算法介绍RC4是一种对称密码算法，它属于对称密码算法中的序列密码(streamcipher,也称为流密码)，它是可变密钥长度，面向字节操作的流密码。
RC4是流密码streamcipher中的一种，为序列密码。
RC4加密算法是Ron Rivest在1987年设计出的密钥长度可变的加密算法簇。
起初该算法是商业，直到1994年，它才公诸于众。
由于RC4具有算法简单，运算速度快，软硬件实现都十分容易等优点，使其在一些协议和标准里得到了广泛应用。
流密码也属于对称密码，但与分组加密算法不同的是，流密码不对明文数据进行分组，而是用密钥生成与明文一样长短的密码流对明文进行加密，加解密使用相同的密钥。
RC4算法特点：(1)、算法简洁易于软件实现，加密速度快，安全性比较高；(2)、密钥长度可变，一般用256个字节。
对称密码的工作方式有四种：电子密码本(ECB, electronic codebook)方式、密码分组(CBC, cipherblock chaining)方式、密文反馈(CFB, cipher-feedback)方式、输出反馈(OFB, output-feedback)方式。
RC4算法采用的是输出反馈工作方式，所以可以用一个短的密钥产生一个相对较长的密钥序列。
OFB方式的最大的优点是消息如果发生错误(这里指的是消息的某一位发生了改变，而不是消息的某一位丢失)，错误不会传递到产生的密钥序列上；缺点是对插入攻击很敏感，并且对同步的要求比较高。
RC4的执行速度相当快，它大约是分块密码算法DES的5倍，是3DES的15倍，且比高级加密算法AES也快很多。
RC4算法简单，实现容易。
RC4的安全保证主要在于输入密钥的产生途径，只要在这方面不出现漏洞，采用128bit的密钥是非常安全的。
RC4算法加密流程：包括密钥调度算法KSA和伪随机子密码生成算法PRGA两大部分(以密钥长度为256个字节为例)。
序列密码(讲用)
分组密码使用的是一个不随时间变化的固定变换，具有 扩散性好、插入敏感等优点；其缺点是：加密处理速度慢。
9
序列密码
序列密码为一六元组（P,C,K,L,E,D）和函数g，并满足 以下条件：
1. P是由所有可能明文构成的有限集。 2. C是由所有可能密文构成的有限集。 3. K是由所有可能密钥构成的有限集。
因为确定性算法产生的序列是周期的或准 周期的，为了使序列密码达到要求的安全保密 性，密钥经其扩展成的密钥流序列应该具有如 下性质：极大的周期、良好的统计特性、抗线 性分析、抗统计分析。
我们仅对实用中最感兴趣的二元情形即 GF(2)上的序列密码原理进行介绍，但其理论 是可以在任何有限域GF(q)中进行研究的。
5
由此可见, 序列密码的安全性主要依赖于密钥序列k0k1…=A(k)， 当k0k1…是离散无记忆的随机序列时,则该系统就是一次一密密 码, 它是不可破的. 但通常A(k)是一个由k通过确定性算法产生的 伪随机序列, 因而此时, 该系统就不再是完全保密的. 设计序列密 码的关键是设计密钥序列A(k)，密钥序列A(k)的设计应考虑如 下几个因素:
（2）无错误传输。在传输期间，一个密文字符被改变只 影响该字符的恢复，不会对后继字符产生影响。
12
自同步序列密码
自同步序列密码的密钥流的产生和已经产生的固定数量 的密文字符有关，即是一种有记忆变换的序列密码。如图所 示。
密钥流 生成器
密钥流 生成器
密 钥 流
ki 明文流mi 加密算法E
密文流ci
密 钥 流
《应用密码学》
序列密码
1
1 概述
按照对明文消息加密方式的不同，对称密码体制一般可以分为两类：分组密 码(block cipher)和流密码(stream cipher) 。
9
序列密码
序列密码为一六元组（P,C,K,L,E,D）和函数g，并满足 以下条件：
1. P是由所有可能明文构成的有限集。 2. C是由所有可能密文构成的有限集。 3. K是由所有可能密钥构成的有限集。
因为确定性算法产生的序列是周期的或准 周期的，为了使序列密码达到要求的安全保密 性，密钥经其扩展成的密钥流序列应该具有如 下性质：极大的周期、良好的统计特性、抗线 性分析、抗统计分析。
我们仅对实用中最感兴趣的二元情形即 GF(2)上的序列密码原理进行介绍，但其理论 是可以在任何有限域GF(q)中进行研究的。
5
由此可见, 序列密码的安全性主要依赖于密钥序列k0k1…=A(k)， 当k0k1…是离散无记忆的随机序列时,则该系统就是一次一密密 码, 它是不可破的. 但通常A(k)是一个由k通过确定性算法产生的 伪随机序列, 因而此时, 该系统就不再是完全保密的. 设计序列密 码的关键是设计密钥序列A(k)，密钥序列A(k)的设计应考虑如 下几个因素:
（2）无错误传输。在传输期间，一个密文字符被改变只 影响该字符的恢复，不会对后继字符产生影响。
12
自同步序列密码
自同步序列密码的密钥流的产生和已经产生的固定数量 的密文字符有关，即是一种有记忆变换的序列密码。如图所 示。
密钥流 生成器
密钥流 生成器
密 钥 流
ki 明文流mi 加密算法E
密文流ci
密 钥 流
《应用密码学》
序列密码
1
1 概述
按照对明文消息加密方式的不同，对称密码体制一般可以分为两类：分组密 码(block cipher)和流密码(stream cipher) 。
分组密码的模式
分组密码的模式1. 分组密码的模式 为了解决加密任意长度的明⽂，需要对分组密码进⾏迭代。
分组密码的迭代⽅法就是分组密码的模式。
2. 分组密码和流密码 2.1 分组密码 每次只能处理特定长度⼀块数据的算法。
⼀块就是分组，⼀个分组的⽐特数就是分组长度。
DES，3DES分组长度都是64⽐特。
密钥长度：DES是56⽐特，3DES长度是168⽐特。
AES分组长度是128⽐特。
密钥长度：128⽐特，192⽐特，256⽐特。
2.2 流密码 对数据进⾏连续处理的⼀类密码算法。
流密码⼀般以1⽐特，8⽐特，或者32⽐特位单位进⾏加密和解密。
2.3 分组密码和流密码的区别 分组密码不需要内部状态记录加密的进度。
流密码对⼀串数据流进⾏处理，需要记录内部状态。
2.4 分组密码的主要模式 ECB模式：电⼦密码本模式 CBC模式：密码分组链接模式 CFB模式：密⽂反馈模式 OFB模式：输出反馈模式 CTR模式：计数器模式3. ECB模式（Electronic CodeBook，电⼦密码本模式） 加密与解密：将明⽂分组加密后的结果直接成密⽂分组。
最后⼀个分组的内容⼩于分组长度时，⽤特定的数据进⾏填充padding。
特点：通过观察密⽂就知道明⽂存在怎样的重复组合，以此为线索进⾏破译。
ECB模式的攻击：攻击者改变分组密码密⽂的顺序，即可改变明⽂的顺序，在不破译的情况下操作明⽂。
⽐如 a给b转账10000，变成b 给a转账10000。
4. CBC模式（Cipher Black Chaining，密⽂分组链接模式） 加密与解密：⾸先将明⽂分组与前⼀个密⽂分组进⾏XOR运算，然后进⾏加密。
加密流程： 解密流程： 特点： 需要初始化向量，解决了ECB模式的缺点。
分组（密⽂）的损坏可能导致分组明⽂和关联的密⽂解密的明⽂错误。
只要有1⽐特缺失，缺失⽐特后的密⽂解密错误。
加密不⽀持并⾏计算。
对CBC的攻击： 初始向量中任意⽐特进⾏反转，明⽂中相应⽐特也会反转。
简述流密码
简述流密码
流密码（Stream Cipher）是一种加密算法，是对称加密的一种形式。
它是通过一次一个比特地将明文转换为密文的方式来进行加密。
与分组密码不同，流密码不需要将明文分成固定长度的块，而是逐比特地加密数据。
流密码通过生成一系列称为“密钥流”（keystream）的伪随机比特序列来完成加密和解密过程。
这个密钥流与明文内容进行“异或”操作，从而生成密文。
与分组密码相比，流密码具有以下优势：
1. 快速：由于逐比特进行，流密码算法通常比分组密码快得多。
2. 可实时性：适用于实时传输或通信场景，可以立即对数据进行加密和解密。
3. 灵活性：流密码可以加密任意长度的数据，不需要将明文分割成固定大小的块。
然而，流密码也存在一些限制和安全性方面的考虑：
1. 依赖于随机性：密钥流必须具备足够的随机性，否则可能会出现重放攻击等安全问题。
2. 安全强度：密钥流生成算法必须足够复杂和安全，以抵御各种攻击手段，如线性和差分密码分析等。
需要注意的是，流密码的安全性不仅取决于算法本身，还取决于密钥管理和实施的安全措施。
为了保证流密码的安全性，关键是选择安全的密钥生成算法、使用足够长且随机的密钥以及采取适当的密钥管理措施。
流密码和分组密码的概念和区别
流密码和分组密码的概念和区别
流密码和分组密码都是对称加密算法，它们的主要区别在于加密方式不同。
流密码是将明文逐位与密钥进行异或运算得到密文，其加密过程是连续的、逐位进行的。
通常使用伪随机数生成器来产生密钥流，生成的密钥流长度和明文长度相等。
由于流密码可以实现高速加密和解密，因此广泛应用于网络通信、无线电通信等领域。
分组密码是将明文按照固定长度分组，每个分组经过一系列变换后得到密文。
通常采用分组加密标准（如DES、AES等）来实现，它们通过多轮迭代的置换和代换操作将明文分组转换为密文分组。
分组密码具有更强的安全性，可以防止被攻击者通过分析单个字节来推断出明文信息。
因此，流密码和分组密码在加密方式上存在本质区别，根据应用场景和安全需求的不同，需要选择合适的加密算法。
密码学与信息安全 第6章 3DES、分组密码工作模式及流密码
6.3 密码分组链接(CBC)模式
为了解决ECB的安全缺陷，可以让重复的明文分 组产生不同的密文分组，CBC(Cipher block chaining)模式就可满足这一要求。它一次对一个 明文分组加密，每次加密使用同一密钥，加密算 法的输入是当前明文分组和前一次密文分组的异 或，因此加密算法的输入不会显示出与这次的明 文分组之间的固定关系，所以重复的明文分组不 会在密文中暴露出这种重复关系。
一般b取64，s取8
C 1 P1 S s [ E ( K , IV )] P 1 C 1 S s [ E ( K , IV )]
6.5 输出反馈(OFB)模式
OFB和CFB结构几乎一样，区别在于OFB模式是将加密 算法的输出反馈到移位寄存器，而CFB模式中是将密文单 元反馈到移位寄存器。 OFB模式的优点是传输过程中比特错误不会被传播。但是 因为密文没有参与链操作，所以使得OFB模式更容易受到 攻击；
因为对S的操作仅是交换，所以惟一的改变就是置换。 S仍然包含所有值为0~255的元素。密钥的主要功能是将 S-box搅乱，i确保S-box的每个元素都得到处理，j保证 S-box的搅乱是随机的。
6.7.2 RC4算法
密钥流的生成： 矢量S一旦完成初始化，输入密钥K就不 再被使用 。密钥流的生成是从S[0]到S[255]，对每个S[i]， 根据当前S的值，将S[i]与S中的另一字节置换。当S[255] 完成置换后，操作继续重复从S[0]开始：/*Stream Generation*/ i, j=0; while (明文未结束) i=(i+1) mod 256 j=(j+S[i]) mod 256; Swap (S[i]，S[j]); t=(S[i]+S[j]) mod 256; k=S[t]; k即为生成的随机子密钥，加密中，将k的值与下一明文字 节异或；解密中，将k的值与下一密文字节异或。
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3、临时向量T：长度也为256，每个单元也是一个字节。如果密钥的长度是256字节，就直接把密钥的值赋给T，否则，轮转地将密钥的每个字节赋给T；
4、密钥K：长度为1-256字节，注意密钥的长度keylen与明文长度、钥流的长度没有必然关系，通常密钥的长度趣味16字节（128比特）。
RC4的原理分为三步：
srand((unsigned)time(NULL));
for(int i=0;i<kl;++i){ //随机生产长度为keylen字节的密钥
int tmp=rand()%256;
K.push_back(char(tmp));
}
}
/*
由明文产生密文
*/
void encryption(const string &,const string &,const string &);
j := (j + S[i] + key[i mod keylength]) mod 256
swap values of S[i] and S[j]
endfor
第二步利用上面重新排列的数组S来产生任意长度的密钥流，算法为
i := 0
j := 0
while GeneratingOutput:
i := (i + 1) mod 256
1、初始化S和T
for i=0 to 255 do
S[i] =i;
T[i]=K[ imodkeylen ];
2、初始排列S
for i=0 to 255 do
j= ( j+S[i]+T[i])mod256;
swap(S[i],S[j]);
3、产生密钥流
for r=0 to len do //r为明文长度，r字节
RC4算法的特点是算法简单，运行速度快，而且密钥长度是可变的，可变围为1-256字节(8-2048比特)，在如今技术支持的前提下，当密钥长度为128比特时，用暴力法搜索密钥已经不太可行，所以可以预见RC4的密钥围任然可以在今后相当长的时间里抵御暴力搜索密钥的攻击。实际上，如今也没有找到对于128bit密钥长度的RC4加密算法的有效攻击方法。
private:
unsigned char S[256]; //状态向量，共256字节
i=(i+1) mod 256;
j=(j+S[i])mod 256;
swap(S[i],S[j]);
t=(S[i]+S[j])mod 256;
k[r]=S[t];
下面给出RC4加密解密的C++实现：
加密类：
/*
加密类
*/
class RC4 {
public:
/*
构造函数，参数为密钥长度
*/
RC4(int kl):keylen(kl) {
【上机容及要求】
1、分别利用RC4算法（或其它任一种标准流密码算法）和DES算法（或AES算法等其它任一种标准分组密码算法）对数据进行加解密操作
2、代码分析及注释
3、代码调试
4、代码修改及测试（选做）
备注：可借鉴网上相关法的开源代码进行编程实现，编程语言不限。
【上机报告】
1、提交关键功能有注释的源码。
2、提交运行测试结果（运行截图及说明）。
3、运行测试结果分析。
4、上机总结（任务完成情况、出现或待解决的问题、收获、体会等）。
流密码
流密码就是使用较短的一串数字（叫它密钥吧），来生成无限长的伪随码流，当然事实上只需要生成和明文长度一样的密码流就够了。一个非常简单的流密码算法是，用6个比特位101100做密钥，将它不断重复得到密码流0. ...直到和明文长度相等，然后将密码流和明文“相加”就得到密文了，解密就是将这个密码流和密文“相加”。流密码算法有个特殊的名称——维吉尼亚密码，当然这里密钥长度可以不是6。用较短的密钥产生无限长的密码流的方法非常多，其中有一种就叫做RC4。
上机一：流密码与分组密码编程
【上机目的】
熟悉流密码和分组密码加密/解密算法的基本原理，通过编程/开源代码分析分别了解一种标准流密码算法和一种标准分组密码算法的运行原理。
【上机环境】
1、硬件PC机一台。
2、系统配置：操作系统windows XP以上。
3、编程语言：C/C++/C#/Java/Python
在介绍RC4算法原理之前，先看看算法中的几个关键变量：
1、密钥流：RC4算法的关键是根据明文和密钥生成相应的密钥流，密钥流的长度和明文的长度是对应的，也就是说明文的长度是500字节，那么密钥流也是500字节。当然，加密生成的密文也是500字节，因为密文第i字节=明文第i字节^密钥流第i字节；
2、状态向量S：长度为256，S[0],S[1].....S[255]。每个单元都是一个字节，算法运行的任何时候，S都包括0-255的8比特数的排列组合，只不过值的位置发生了变换；
RC4用两步来生成密码流
首先你指定一个短的密码，储存在key[MAX]数组里，还有一个数组S[256]，令S[i]=i。然后利用数组key来对数组S做一个置换，也就是对S数组里的数重新排列，排列算法为
for i from 0 to 255
S[i] := i
endfor
j := 0
for i from 0 to 255
j := (j + S[i]) mod 256
swap values of S[i] and S[j]
K := S[(S[i] + S[j]) mod 256]
output K
endwhile
output K一次产生一字符长度（8bit）的密钥流数据，一直循环直到密码流和明文长度一样为止。
产生密钥流之后，对信息进行加密和解密就只是做个“相加”的运算。
把明文的信息限制在ascii码字符集（它已经能表示所有的英文资料了哈哈），每个字符是一个比特，占8位。假设明文是abc，a、b、c的ascii值分别为97、98、99。二进制形式为01100001、01100010、01100011。密钥流和明文长度一样，假设是sdf，同样可以得到二进制流01110011、01100100、01100110，让他们在对应位做异或运算就可以得到密文了，c语言有^运算符来实现“相加”的操作。我们就直接对字符进行“相加”即a^s, b^d, c^f。得到的结果的二进制形式为00010010、00000110、00000101，它们分别表示ascii码值为18、6、5的字符
4、密钥K：长度为1-256字节，注意密钥的长度keylen与明文长度、钥流的长度没有必然关系，通常密钥的长度趣味16字节（128比特）。
RC4的原理分为三步：
srand((unsigned)time(NULL));
for(int i=0;i<kl;++i){ //随机生产长度为keylen字节的密钥
int tmp=rand()%256;
K.push_back(char(tmp));
}
}
/*
由明文产生密文
*/
void encryption(const string &,const string &,const string &);
j := (j + S[i] + key[i mod keylength]) mod 256
swap values of S[i] and S[j]
endfor
第二步利用上面重新排列的数组S来产生任意长度的密钥流，算法为
i := 0
j := 0
while GeneratingOutput:
i := (i + 1) mod 256
1、初始化S和T
for i=0 to 255 do
S[i] =i;
T[i]=K[ imodkeylen ];
2、初始排列S
for i=0 to 255 do
j= ( j+S[i]+T[i])mod256;
swap(S[i],S[j]);
3、产生密钥流
for r=0 to len do //r为明文长度，r字节
RC4算法的特点是算法简单，运行速度快，而且密钥长度是可变的，可变围为1-256字节(8-2048比特)，在如今技术支持的前提下，当密钥长度为128比特时，用暴力法搜索密钥已经不太可行，所以可以预见RC4的密钥围任然可以在今后相当长的时间里抵御暴力搜索密钥的攻击。实际上，如今也没有找到对于128bit密钥长度的RC4加密算法的有效攻击方法。
private:
unsigned char S[256]; //状态向量，共256字节
i=(i+1) mod 256;
j=(j+S[i])mod 256;
swap(S[i],S[j]);
t=(S[i]+S[j])mod 256;
k[r]=S[t];
下面给出RC4加密解密的C++实现：
加密类：
/*
加密类
*/
class RC4 {
public:
/*
构造函数，参数为密钥长度
*/
RC4(int kl):keylen(kl) {
【上机容及要求】
1、分别利用RC4算法（或其它任一种标准流密码算法）和DES算法（或AES算法等其它任一种标准分组密码算法）对数据进行加解密操作
2、代码分析及注释
3、代码调试
4、代码修改及测试（选做）
备注：可借鉴网上相关法的开源代码进行编程实现，编程语言不限。
【上机报告】
1、提交关键功能有注释的源码。
2、提交运行测试结果（运行截图及说明）。
3、运行测试结果分析。
4、上机总结（任务完成情况、出现或待解决的问题、收获、体会等）。
流密码
流密码就是使用较短的一串数字（叫它密钥吧），来生成无限长的伪随码流，当然事实上只需要生成和明文长度一样的密码流就够了。一个非常简单的流密码算法是，用6个比特位101100做密钥，将它不断重复得到密码流0. ...直到和明文长度相等，然后将密码流和明文“相加”就得到密文了，解密就是将这个密码流和密文“相加”。流密码算法有个特殊的名称——维吉尼亚密码，当然这里密钥长度可以不是6。用较短的密钥产生无限长的密码流的方法非常多，其中有一种就叫做RC4。
上机一：流密码与分组密码编程
【上机目的】
熟悉流密码和分组密码加密/解密算法的基本原理，通过编程/开源代码分析分别了解一种标准流密码算法和一种标准分组密码算法的运行原理。
【上机环境】
1、硬件PC机一台。
2、系统配置：操作系统windows XP以上。
3、编程语言：C/C++/C#/Java/Python
在介绍RC4算法原理之前，先看看算法中的几个关键变量：
1、密钥流：RC4算法的关键是根据明文和密钥生成相应的密钥流，密钥流的长度和明文的长度是对应的，也就是说明文的长度是500字节，那么密钥流也是500字节。当然，加密生成的密文也是500字节，因为密文第i字节=明文第i字节^密钥流第i字节；
2、状态向量S：长度为256，S[0],S[1].....S[255]。每个单元都是一个字节，算法运行的任何时候，S都包括0-255的8比特数的排列组合，只不过值的位置发生了变换；
RC4用两步来生成密码流
首先你指定一个短的密码，储存在key[MAX]数组里，还有一个数组S[256]，令S[i]=i。然后利用数组key来对数组S做一个置换，也就是对S数组里的数重新排列，排列算法为
for i from 0 to 255
S[i] := i
endfor
j := 0
for i from 0 to 255
j := (j + S[i]) mod 256
swap values of S[i] and S[j]
K := S[(S[i] + S[j]) mod 256]
output K
endwhile
output K一次产生一字符长度（8bit）的密钥流数据，一直循环直到密码流和明文长度一样为止。
产生密钥流之后，对信息进行加密和解密就只是做个“相加”的运算。
把明文的信息限制在ascii码字符集（它已经能表示所有的英文资料了哈哈），每个字符是一个比特，占8位。假设明文是abc，a、b、c的ascii值分别为97、98、99。二进制形式为01100001、01100010、01100011。密钥流和明文长度一样，假设是sdf，同样可以得到二进制流01110011、01100100、01100110，让他们在对应位做异或运算就可以得到密文了，c语言有^运算符来实现“相加”的操作。我们就直接对字符进行“相加”即a^s, b^d, c^f。得到的结果的二进制形式为00010010、00000110、00000101，它们分别表示ascii码值为18、6、5的字符