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武汉大学《密码学》课件第三讲 DES

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改变； P3：对任一S盒和任一输入x，S(x)和S(x⊕001100)至少有
两位发生变化（这里x是一个长度为6的比特串）； P4：对任何S盒和任一输入x，以及e,f∈{0,1},有
S(x)≠S(x⊕11ef00)，其中x是一个长度为6的比特串； P5：对任何S盒，当它的任一输入比特位保持不变，其它5
1 58 50 42 34 26 18 7 62 54 46 38 30 22
10 2 59 51 43 35 27 14 6 61 53 45 37 29
19 11 3 60 52 44 36 21 13 5 28 20 12 4
③说明：矩阵中第一个数字47，表明原密钥中的第47位移到C0 中的第一位。
1 15 23 26 5 18 31 10
2 8 24 14 32 27 3 9
19 13 30 6 22 11 4 25
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八、DES的解密过程
DES的加密算法是对合运算，因此解密和加密可共 用同一个算法。
不同点：子密钥使用的顺序不同。 第一次解密迭代使用子密钥 K16 ，第二次解密迭代
密码学
第三讲 数据加密标准(DES)
张焕国 武汉大学计算机学院 空天信息安全与可信计算教育部重点实验室
内容简介
第一讲 信息安全概论 第二讲 密码学的基本概念 第三讲 数据加密标准（DES） 第四讲 高级数据加密标准（AES） 第五讲 中国商用密码（SMS4） 第六讲 分组密码的应用技术 第七讲 序列密码 第八讲 复习 第九讲 公钥密码（1）
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七、加密函数 f
④代替函数组S（S盒） zＳ盒的一般性质
S盒是DES中唯一的非线性变换，是DES安全的关键。 在保密性方面，起混淆作用。 共有8个S盒，并行作用。 每个S盒有6个输入，4个输出，是非线性压缩变换。 设输入为b1b2b3b4b5b6 ,则以b1b6组成的二进制数为行
号，b2b3b4b5组成的二进制数为列号。行列交点处的数 （二进制）为输出。
③、说明：从Ci中取出24位，从Di 中取出24位，形成 48位的子密钥K i
17
五、初始置换IP
①、作用
z 把64位明文打乱重排 z 左一半为L0 (左32位) ，右一半为R0 (右32位) 。
例如：把输入的第1位置换到第40位，把输入的第58位置 换到第1位。
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②、矩阵
五、初始置换IP
58 50 42 34 26 18 10 2 60 52 44 36 28 20 12 4 62 54 46 38 30 22 14 6 64 56 48 40 32 24 16 8 57 49 41 33 25 17 9 1 59 51 43 35 27 19 11 3 61 53 45 37 29 21 13 5 63 55 47 39 31 23 15 7
7
一、DES概况
4、应用
①在全世界范围得到广泛应用。 ②许多国际组织采用为标准。 ③产品形式：软件（嵌入式，应用软件）
硬件（芯片，插卡）
5、结论
z 用于其设计目标是安全的。 z 设计精巧、实现容易、使用方便，堪称典范。 z 为国际信息安全发挥了重要作用。
8
二、DES算法框图
64位明文
IP
L0
R0
25
七、加密函数 f
111010
10
1101
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7
1 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8
2 4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0
33 1 41 9 49 17 57 25
注意：
•由于IP中 的置换是规 律的
•所以IP-1中 的置换也是 规律的
•这对保密 是不利的
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①作用
七、加密函数 f
DES的轮函数，DES保密的核心。
②框图
32位输入
选择运算E
48位中间结果
48位子密钥
代替函数组
S1
S2
S7
S8
置换运算P
32位输出
22
24
七、加密函数 f
举例：
S1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7 1 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8 2 4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0 3 15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
L0⊕f（R0 ，K1 ) 以此作为第二次加密迭代的R1，以R0作为第二次加 密迭代的L1。
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三、DES加密过程
4、第二次加密迭代至第十六次加密迭代分别用子密 钥K2 ，...，K16进行，其过程与第一次加密迭代相 同。 5、第十六次加密迭代结束后，产生一个64位的数据 组。以其左边32位作为R16 ，以其右边32位作为L16 。 6、R 16与L16合并，再经过逆初始置换IP –1，将数据 重新排列，便得到64位密文。 7、DES加密过程的数学描述：
f
64位密钥
子密钥产生
K1 … K16
K1
L1
R1
9
f
L2
R2
L15
R15
f
R16
L16
IP-1
64位密文
K2 K16
10
三、DES加密过程
1、64位密钥经子密钥产生算法产生出16个子密 钥：K1 ，K2 ，...，K16 ，分别供第一次，第二 次，...，第十六次加密迭代使用。 2、64位明文经初始置换IP，将数据打乱重排并分 成左右两半。左边为L0 ，右边为R0 。 3、第一次加密迭代： 在子密钥K1的控制下，由加密函数 f 对R0加密：
注意：
•IP中的置 换是规律的 •这对保密 是不利的
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六、逆初始置换IP-1
①、作用
把64位中间密文打乱重排。 形成最终的64位密文。
②、相逆性
IP与IP－1互逆。 例：在IP中把输入的第1位置换到第40位，而在IP－1中
把输入的第40位置换到第1位。
③、保密作用不大
由于没有密钥参与，在IP和IP-1公开的条件下，其保密 意义不大
使用子密钥 K15 ，第十六次解密迭代使用子密钥 K1 。 DES解密过程的数学描述：
Ri-1= Li Li-1= Ri ⊕f (Li,Ki) i =16,15,14，...，1
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九、DES的对合性和可逆性
1、可逆性证明
① 定义 变换T是把64位数据的左右两半交换位置：
T（L，R）＝（R，L） z 因为，T2 （L，R）＝（L，R）＝ I ，
所以，Fi ＝Fi –1 。
z 所以 Fi 变换也是对合运算。
32
九、DES的对合性和可逆性
1、可逆性证明
③ 结合①、②，便构成DES的轮运算 Hi ＝ FiT
其中 I为恒等变换，于是，
T =T –1 ，
所以 T 变换是对合运算。
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九、DES的对合性和可逆性
1、可逆性证明
②记 DES第 i 轮中的主要运算为，即 Fi（Li –1，Ri -1）＝（Li -1⊕f（Ri -1, Ki），R i -1）
z Fi 2＝Fi（Li -1⊕f（Ri -1, Ki），R i -1） ＝（Li -1⊕f（Ri -1, Ki）⊕f（Ri -1, Ki），R i -1） ＝（Li –1，Ri -1） ＝I
①、作用
z从Ci 和 Di (56位)中选择出一个48位的子密钥Ki
②、矩阵
Ki
14 17 11 24 1 5 3 28 15 6 21 10 Ci
23 19 12 4 26 8 16 7 27 20 13 2
41 52 31 37 47 55 30 40 51 45 33 48 Di 44 49 39 56 34 53 46 42 50 36 29 32
Li = Ri-1 Ri =Li-1⊕f (Ri-1, Ki) i = 1,2,…,16
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四、DES子密钥的产生
1、功能
64位密钥经过置换选择1、循环左移、置换选择2等 变换，产生16个子密钥
K1，K2，… K16
分别供各次加密迭代使用。
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2．子密钥 产生框图
64位密钥 置换选择1
C0 循环移位
七、加密函数 f
③选择运算E
把32位输入扩充为48位中间数据； 通过重复使用数据，实现数据扩充。 矩阵：
32 1 2 3 4 5 4 5 6 7 8 9 8 9 10 11 12 13 12 13 14 15 16 17 16 17 18 19 20 21 20 21 22 23 24 25 24 25 26 27 28 29 28 29 30 31 32 1
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四、DES子密钥的产生
4、循环移位
①、作用 z对C0 ，D0 分别循环左移位。
②、循环移位表
迭代次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 移位次数 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1
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四、DES子密钥的产生
5、置换选择2：
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一、DES概况
3、密码的整体特点
①分组密码
明文、密文和密钥的分组长度都是64位。
②面向二进制的密码算法 因而能够加解密任何形式的计算机数据。
③对合运算:
f = f-1 加密和解密共用同一算法，使工程实现的工作量减半。

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DES算法(共60张)

DES算法(共60张)


DES算法的总体过程
输入64位明文数据，并进
行初始置换IP；
L0
在初始置换IP后，明文组 +
再被分为左右两部分，每
64位明文 初始置换IP
DES算 法(suàn fǎ) 描述
R0
k1
部分32位，以L0，R0表示。
L1=R0
R1=L0 (RO,K1)
在密钥的控制下，经过16 轮运算()；
16轮后，左、右两部分交
第23页，共60页。
DES简介(jiǎn jiè)
分组加密算法：明文和密文为64位分组长度。 对称算法：加密和解密除密钥编排不同外，
使用同一算法。 密钥长度：56位。看起来是64位，但每个第
8位为奇偶校验位，可忽略。 采用混乱和扩散的组合，每个组合先替代后
置换，共16轮。 只使用了标准的算术和逻辑运算，易于实现。
➢公钥 ➢私钥
一个用于加密，另一个则用作解密 不能根据一个密钥来推算得出另一个密钥 公钥对外公开，私钥只有其持有人才知道 RSA，DSA，Diffie-Hellman
第7页，共60页。
非对称加密(jiā mì)
发送方
多个用户加密的信息只能由一个用户解读
传送
接收方
明文
密文 接收方的公钥加密
公钥
1949年，信息论的创始人香农（C. E. Shannon）发表了一篇著名的文章， 论证了一般经典加密方法都是可以破解的。到了20世纪60年代，随着电子技术、 信息技术的发展及结构代数、可计算性理论和复杂度理论的研究，密码学又进入 了一个新的时期。
第3页，共60页。
概述
加密算法是加密技术的核心以及重点研究 对象，算法的优良与否直接影响系统的安全性 能，其主要是指对机密信息进行加密或解密的 方法。
现代密码学-第3.2章-分组密码DES

现代密码学-第3.2章-分组密码DES

Biblioteka 2021/4/212
二、分组密码DES
DES扮演的突出角色 首先，DES的结构闪烁着人类设计思想的精华，其
优点和缺点被密码学界淋漓尽致地讨论，供后 人借鉴。举例如下： （1）DES 使用了S盒，而S盒现在已经是几乎所有 分组密码算法不可缺少的部件。 （2）迭代分组密码是分组密码的主流设计。 （3）DES 轮函数结构是Feistel网络，这种结构现 在已经是轮函数的经典结构之一。
2021/4/21
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二、分组密码DES
其次，对DES的各种攻击方法纷纷被提出。穷举搜索仍然 是对分组密码实用攻击的主角。但进入90年代后，基于 数学分析的攻击方法逐渐兴起，如以色列密码专家 Shamir等人提出了差分密码分析，日本密码学家Matsui 等人提出了线性密码分析，这些数学攻击方法都首先被 用于破译DES，并且可以说取得了局部的成功。
对应关系，其中E(m)的下标按顺序排列。 （注意：下表的中间4列恰好是m的第1~第32比
特）
2021/4/21
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二、分组密码DES
E： 32 1 2 3 4 5
456789 8 9 10 11 12 13 12 13 14 15 16 17 16 17 18 19 20 21 20 21 22 23 24 25 24 25 26 27 28 29 28 29 30 31 32 1
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二、分组密码DES
8个S盒S1、S2、…、S8 每个S盒Sj都是将6比特的课文缩减为4比特；8个S
盒总共将48比特的课文缩减为32比特。（请不要 忘记S盒的作用是获得高度的非线性）
设一个S盒的输入为6比特串m=(m1, m2, m3, m4, m5, m6)，输出为4比特串c=(c1, c2, c3, c4)。将比特串 m1m6、m2m3m4m5、c1c2c3c4都用10进制数来表示， 则在表中位于m1m6行m2m3m4m5列的数就是S盒的 输出c1c2c3c4 。
DES

DES


z 结论：S盒的密码学特性确保了DES的安全！
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五、加密函数 f
⑤置换运算P
z 把数据打乱重排。 z 在保密性方面，起扩散作用： 因为S盒是6位输入，4位输出，其非线性作用是局部的 因此，需要把S盒的混淆作用扩散开来 z S盒与P置换的互相配合，共同确保DES的安全。 z 矩阵： 16 1 2 19 7 20 21 29 12 28 15 23 26 5 18 31 8 24 14 32 27 3 13 30 6 22 11 4 17 10 9 25
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二、DES加密过程
⑷ 第二次加密迭代至第十六次加密迭代分别用子密 钥K2 ，...，K16进行，其过程与第一次加密迭代相同。 ⑸ 第十六次加密迭代结束后，产生一个64位的数据 组。以其左边32位作为R16 ，以其右边32位作为L16 。 ⑹ R 16与L16合并，再经过逆初始置换IP –1，将数据重 新排列，便得到64位密文。 ⑺ DES加密过程的数学描述： Li = Ri-1 Ri =Li-1⊕f (Ri-1, Ki) i = 1,2,…,16
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五、加密函数 f
10 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 14 4 13 1 2 15 0 15 7 4 14 2 4 1 14 8 13 6 15 12 8 2 4 9
111010
6 7 8 9 10 11 8 3 10 6 13 1 10 6 12 2 11 15 12 9 1 7 5 11 3 11 12 11 7 14 12 5 9 3 10
注意：
•IP中的置 换是规律的 •这对保密 是不利的
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四、初始置换IP和IP-1
2、逆初始置换IP-1
①、作用
把64位中间密文打乱重排。 形成最终的64位密文。
ch 03 分组密码与DES(中文) PPT课件

ch 03 分组密码与DES(中文) PPT课件

网络密码第3章分组密码与DESBlock Ciphers and theData Encryption Standard主讲：康绯11111第3章分组密码与DES▪分组密码设计原理▪数据加密标准▪DES的安全性分析▪分组密码的工作模式▪本章小结11111分组密码和流密码▪分组密码（块密码）：将消息（明文或密文）分成“组”，对“组”进行加密和解密的操作。

▪流密码（序列密码）：加解密时对消息的一个比特或一个字节进行操作。

11111现代分组密码▪使用最广泛的密码算法之一–速度快、易于标准化和便于软硬件实现–是信息与网络安全中实现数据加密的核心机制▪研究现状–始于20世纪70年代–是密码学研究的热点之一▪研究成果–分组密码的设计原理–分组密码的安全性分析–分组密码的统计性能测试111113.1 分组密码的设计原则▪针对安全性的设计原则–混乱：密文对密钥和明文的依赖关系相当复杂。

–扩散：密钥、明文的每一位数字影响密文的许多数字▪针对实现的设计原则–速度快：尽可能使用简单快速的指令如加法、移位。

–算法可逆：加密和解密的流程基本近似。

▪重要的设计原理:必须能抵抗现有的攻击方法11111Claude Shannon 和代换置换网络▪1949年 Claude Shannon 提出代换置换网络（SPN）▪代换置换网络基于两种基本操作：–代换（substitution）–置换（permutation）11111分组密码的整体结构▪Feistel 网络▪SP网络11111Feistel密码结构▪Horst Feistel 设计的feistel密码–基于可逆的乘积密码的概念▪明文输入分为两部分–多轮处理–代换：数据的左半部分–轮函数F：数据的右半部分和子密钥–置换：交换数据的左右两部分11111Feistel密码结构Feistel 结构图11111Feistel 密码设计参数▪分组长度–分组越长，安全性越高，加解密速度越慢▪密钥长度–密钥越长，安全性越高，加解密速度越慢▪迭代轮数–轮数越多，安全性越高，加解密速度越慢▪子密钥产生算法–算法越复杂，安全性越高，加解密速度越慢▪轮函数–算法越复杂，安全性越高，加解密速度越慢111113.2 数据加密标准 (DES)▪产生：美国国家标准局（NBS)1973年5月到1974年8月两次发布通告，公开征求用于电子计算机的加密算法。