对称可搜索加密SSE研究与实现课件

数据加密概念 密码体制 密码分类 算法分类 加密算法 数据加密标准DES 密码分组操作模式 其它分组加密算法 破译时间
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3.3 密码分类
古典密码
对称密钥密码 公开密钥密码
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3.1 数据加密概念 3.2 密码体制 3.3 密码分类 3.4 算法分类 3.5 加密算法 3.6 数据加密标准DES 3.7 密码分组操作模式 3.8 破译时间
第3章数据加密算法
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内容
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 数据加密概念 密码体制 密码分类 算法分类 加密算法 数据加密标准DES 密码分组操作模式 破译时间
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3.1数据加密概念

明文（plain text) ：作为加密输入的原始信息
加密算法：变换函数 密文（ciphertext)：:明文变换结果 密钥（key)：:参与变换的参数
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3.5.6换位密码



在换位密码中，明文的字母保持相同，但顺序 被打乱了。 由于密文字符与明文字符相同。密文中字母的 出现频率与明文中字母的出现频率相同。密码 分析者可以很容易地由此进行判别。 虽然，许多现代密码也使用换位，但由于它对 存储要求很大，有时，还要求消息为某个特定 的长度，因而比较少用。
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一个密码体制要是实际可用的必须满足如 下特性:



每一个加密函数ek和每一个解密函数dk都能有效地 计算 破译者取得密文后,将不能在有效的时间内破解出 密钥k或明文x 一个密码系统是安全的必要条件穷举密钥搜索将是 不可行的，即密钥空间非常大
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3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

加密算法的安全性 • 基于算法节的安全性 • 基于密钥的安全性，现代密码学要求
第2章 对称密码学
• 对称密钥算法：加密密钥K1<——>解密密钥K2 (K1= K2) – 1976年之前 – 最早的凯撒密码 – 目前使用最多的DES密码算法 – 2000年美国推出的下一代密码算法Rijndael
• 公开密钥算法：加密密钥和解密密钥不同 并且 其中一 个密钥不能通过另一个密钥推算出来时。
输出64位密文
40 8 48 16 56 24 64 32
第2章 对称密码学
2.2.3 DES算法描述： 加密过程：
1、64位明文分组@初始置换IP(置换表，表2-1) = 64位输出=32位L[0] + 32位R[0]
for (i == 1 to 64) {
j == T2-1[i]; out[i] == in[j]; }
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
– 流密码(Stream Cipher)
• 对输入元素进行逐个的连续处理，同时产生连续的单个输出元素
• 复杂的密钥产生算法 • 实例：A5
第2章 对称密码学
2.2.2 DES的历史 • 1973年，美国国家标准局(NBS)，征集联邦数据 加密标准的方案 • 1975年3月17日，NBS公布了IBM公司提供的密 码算法，以标准建议的形式在全国范围内征求意 见 • 1977年7月15日，NBS宣布接受这个建议，DES 正式颁布，供商业界和非国防性政府部门使用。 • 2000年美国推出AES，下一代密码算法Rijndael

} return null; }
第四章 3DES算法
public static void main(String[] args) { // 添加新安全算法，如果用JCE就要把它添加进去 Security.addProvider(new com.sun.crypto.provider.SunJCE()); // 24字节的密钥 final byte[] keyBytes = { 0x11, 0x22, 0x4F, 0x58, (byte) 0x88, 0x10, 0x40, 0x38, 0x28, 0x25, 0x79, 0x51, (byte) 0xCB, (byte) 0xDD, 0x55, 0x66, 0x77, 0x29, 0x74, (byte) 0x98, 0x30, 0x40, 0x36, (byte) 0xE2 };
第三章 DES算法
// 解密数据 return cipher.doFinal(src); } catch (Throwable e) { e.printStackTrace(); } return null; }
public static void main(String[] args) { String psw = "12345678"; String data = "hello Test symmetric encry"; byte[] encryData = encrypt(data.getBytes(), psw); System.out.println("encryData = " + new String(encryData)); byte[] decryData = decrypt(encryData, psw); System.out.println("decryData = " + new String(decryData));

3 混合加密
采用对称和非对称加密相结合的方活中。
哈希函数
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什么是哈希函数
哈希函数是一种常见的密码学方法，它可以将任意长度的消息转换为固定长度的 哈希值。
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哈希函数的特点
哈希函数将数据压缩为一个简短的固定长度的哈希值，可以防止篡改数据。同一 个输入一定会得到相同的输出。不同的输入可以得到不同的输出。
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哈希函数应用
哈希函数被广泛应用于文件校验、数据完整性验证、密码存储等场景。
数字证书
数字证书的定义
数字证书是加密学中一个重要 的概念。它包含了信息的加密 证书，用于确认信息的来源并 验证其完整性。常见的数字证 书标准包括X.509、PGP等
数字证书的应用
数字证书被用于保护网站交易 安全、保护社交网络的隐私与 安全等。
公钥加密需要比对方知道自己的公 钥，私钥加密则需要自己持有私钥， 就好比是一个锁，只有拥有钥匙的 人才能打开它。
对称和非对称加密
1 对称加密
使用同一密钥进行加密和解密，密钥需要在发送方和接收方间安全传输，安全性较弱。
2 非对称加密
使用一对密钥（公钥和私钥）进行加密和解密，公钥可公开，但私钥需要保持保密，安 全性较高。
哈希函数
用于将任意长度的数据映射到固定 长度的算法，常见的哈希函数有 MD5、SHA等。
应用举例及安全性分析
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H TTPS
是一种用于加密和认证网络通信的安全协议，比较常见的应用是电子邮件、登录、 在线支付等。
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加密病毒
指在攻击系统前，将重要文件或信息加密，破坏重要应用程序或系统，从而威胁 用户系统安全。
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密码攻击
密码攻击是指对使用加密算法的机密性进行突破的尝试，可以通过密码破译、中 间人攻击、彩虹表攻击等手段。

2019/7/29
西安电子科技大学计算机学院
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The AES Cipher - Rijndael
designed by Rijmen-Daemen in Belgium has 128/192/256 bit keys, 128 bit data an iterative rather than feistel cipher
Chapter 4
对称密码
DES？
继续加强DES：2DES、3DES 寻找替代性算法
2019/7/29
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三重DES算法
2DES 3DES
2019/7/29
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2DES？
2DES？
C = EK2(EK1(P))＝ EK3(P)？
说明：第二步用解密运算，可适应单DES，即 当k2 ＝ k1时，3DES＝1DES
安全性：目前无可行攻击方法
应用：较多，如密钥管理标准ANSI X9.17和ISO 8732。
2019/7/29
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2019/7/29
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使用三个密钥的3DES
2019/7/29
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AES Shortlist
after testing and evaluation, shortlist in Aug-99:
MARS (IBM) - complex, fast, high security margin RC6 (USA) - v. simple, v. fast, low security margin Rijndael (Belgium) - clean, fast, good security margin Serpent (Euro) - slow, clean, v. high security margin Twofish (USA) - complex, v. fast, high security margin

“轴棒密码”（scytale cipher）
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密码学历史
❖ 著名的恺撒（Caesar）密码 ➢加密时它的每一个明文字符都由其右边第3个字符代替, 即A由D代替，B由E代替,W由Z代替,X由A代替，Y由B代替， Z由C代替； ➢解密就是逆代换。
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密码学历史
16世纪，法国人 Vigenere为亨利三世发 明了多字母替代密码
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一次性密码本（One-Time Pad)
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Running Key Ciphers(运动密钥加密)
❖ 没有复杂的算法 ❖ 利用双方约定的某个秘密
例如 双方约定使用某本书的某页、某行、某列作为秘密消息； 14916C7. 299L3C7 . 911L5C8 表示：
➢第一个字符是第1本书、第49页、第16行、第7列； ➢第二个字符是第2本书、第99页、第3行、第7列； ➢第三个字符是第9本书、第11页、第5行、第8列。
➢ “密码系统中唯一需要保密的是密钥” ➢ “算法应该公开” ➢ “太多的秘密成分会引入更多的弱点”
❖ 密码系统组成
软件、协议、算法、密钥 赞成
算法公开意味着更多 的人可以分析密码系 统，有助于发现其弱 点，并进一步改进。
反对
政府、军 队使用不 公开的算 法
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密码系统的强度
❖ 密码系统强度取决于：
unintelligible to all except recipient ❖ 解密（Decipher/Decrypt/Decode）：to undo cipherment
process ❖ 数学表示
➢ 加密函数E作用于M得到密文C：E（M）= C ➢ 相反地，解密函数D作用于C产生M： D（C）= M ➢ 先加密后再解密消息：D（E（M））= M

DES Algorithm
DES算法很容易用硬件实现，用软件实现相 对困难。现在计算机技术的发展已经使得用软 件实现起来也易如反掌。DES中有四种基本运 算：替换、置换、异或与Mangler函数运算。 替换是对单个元素的运算，将一个元素换成 另一个元素。 置换是对一个集合的运算。集合{3, 1, 4, 5, 2} 就是集合｛1, 2, 3, 4, 5｝的一个置换。
一 对称加密算法
信息的保密问题是信息安全科学中
最早提出的问题，也是最重要的问题。
本章主要研究保密问题的解决方案： 对称加密算法
内容
1 2 3 4 5 6 历史与分类 数据加密标准-DES 先进加密标准-AES 密码运算模式 对称密码算法的应用 对称加密算法的优缺点
第1节 密码系统的历史与分类
在Introduction部分，我们介绍过信息 安全的历史(主要是密码学的历史)。现代 密码学产生以前的历史都是对称密码学的 历史。现代密码学诞生以后密码学的历史 则较为复杂。 对于密码系统基本上有三种分类方法： (1) 根据将明文变换成密文的方法分为：替 换密码：将明文的每个单位替换成密文的 一个单位；换位密码：将明文内容的顺序 进行重新排列。
分组密码算法示例
分组密码算法是将一组明文转换成一组密 文的算法。这里有一个密钥长度的选择问题， 密钥长度太短，显然不安全。类似地分组的长 度也不能太小。太小时，一旦有明文／密文对 就很容易解密。分组长度太长，可能影响加密 算法的效率，而密码学界公认64比特是比较合 理的长度，因为当分组长度大于64比特时，不 容易获得足够的用于分析的明文／密文对，即 使获得也没有足够的空间存储这样的明文／密 文对，或者没有足够的时间进行搜索。
AES算法以32比特为一个基本单元，如 果分组包含4个32比特，就说Nb =4，AES 的分组大小可以为128、192或256。特别是 密钥长度和分组长度可以不同。AES强制 分组大小为128比特，密钥长度可以为128、 192或256比特，分别记作AES-128、AES192、AES-256，相应的分组长度为4、6或8。 密钥长度 Nk 的定义与分组长度相同。

2015521ch31对称加密技术攻击者接收方发送方密钥源安全通道图32对称密码系统模型2015521ch31对称加密技术10对明文m用密钥k使用加密算法e进行加密常常表示为em同样用密钥k使用解密算法d对密文c进行解密表示为d2015521ch31对称加密技术11在不知道解密密钥k时由密文c计算出明文m是不可行的由于对称密码系统双方使用相同的密钥因此还必须保证能够安全地产生密钥并且能够以安全的形式将密钥分发给双方对称密码系统的安全只依赖于密钥的保密不依赖于加密和解密算法的保2015521ch31对称加密技术12古典加密技术主要使用代换或者置换技术代换是将明文字母替换成其他字母数字或者符号置换则保持明文的所有字母不变只是打乱明文字母的位置和次序2015521ch31对称加密技术13维吉尼亚密码维吉尼亚vigenre密码是一种周期多表代换密码由1858年法国密码学家维吉尼亚提出维吉尼亚密码常常使用英文单词作为密钥字密钥则是密钥字的重复比如密钥字是computer用它加密明文senderrecipientsharecommonkey
2013-8-11 Ch3(1)-对称加密技术 4
被伪装的原始的消息 (Message)称为明文 （Plaintext） 将明文转换为密文过程称为加密 （Encryption） 加了密的消息称为密文（Ciphertext） 把密文转变为明文的过程称为解密 （Decryption）
从明文到密文转换的算法称为密码(Cipher) 一个加密系统采用的基本工作方式叫做密 码体制(Cryptosystem) 加密和解密算法通常是在一组密钥（Key） 控制下进行的,分别称为加密密钥和解密密 钥 如果加密密钥和解密密钥相同，则密码系 统为对称密码系统
2013-8-11 Ch3(1)-对称加密技术 19

Pw = Odd ((e-2)2w) Qw= Odd ((φ-2)2w) • 其中，e = 2.7182818284…(自然对数)， φ= 1.61803398874…(黄金分割)，Odd(x) 是离x最近的奇数
2020/4/19
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• 密钥扩展时，首先将密钥K[0,…, b-1]放入c 个w位字的另一个数组L[0,…, c-1]中，其中 c为b/u的整数部分，u = w/8，即L数组上的 元素大小为uw位
• 用二次函数变换的寄存器B和D的值来修改寄存器 A和C的值,增加了密码的非线性.因此RC6有很好 的抗差分攻击和线性攻击的能力
• 另外RC6的加密和解密的时间都与数据无关,可以 有效地避免计时攻击。
• RC6也没有存在类似DES中的弱密钥 • RC6算法在加密过程中不需要查找表,加之算法中
的乘法运算也可以用平方代替，所以该算法对内 存的要求很低 • RC6特别适合在单片机上实现。
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Hale Waihona Puke 152020/4/19
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同步流密码
• 只要通信双方的密钥流产生器具有相同的种子密 钥和相同的初始状态，就能产生相同的密钥流
• 在保密通信过程中,通信的双方必须保持精确的同 步,收方才能正确解密
• 如果通信中丢失或增加了一个密文字符，则收方 将一直错误，直到重新同步为止
• 加密算法和解密算法分别如图3.32，图3.33 所示
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密钥扩展