对称加密和消息认证码

其中
Ci=E（M-i，K） i=1，2，…，n -
电子密码本模式ECB
电子密码本模式（Electronic Codebook Mode，ECB）
它将明文分割成独立大小b比特的分组，最后一组在必要时需要 填充，一次处理b比特的明文，每次使用相同的密钥加密。每一个分组 一次独立加密，产生独立的密文组。
优点
1. 2. 3. 计算量小 加密速度快 加密效率高 交易双方使用同样密钥，安全性难以保证 使用其他人不知道的唯一密钥，使密钥数量呈几何级 数增长，密钥管理困难 不适于分布式网络系统，密钥管理困难，成本高 提供加密和认证，但缺乏签名功能，使用范围有所缩 小
缺点
1. 2. 3. 4.
分组密码
基本概念 工作模式

电子密码本模式ECB 密码分组链接模式CBC 密码反馈模式CFB 输出反馈模式OFB 计算器模式CTR
分组密码的基本概念
定义
分组密码又称块密码，它将明文M划分为 一系列的明文块Mi，通常每块包含若干字符， 并且对每一块Mi都用同一个密钥K进行加密。 即
M=（M1，M2，…，Mn ） C=（C1，C2，…， Cn）
加密：Ci=Ek（Pi）
解密：Pi=Dk（Ci）
ECB加解密如右图 所示
电子密码本模式ECB
优点
1. 简单，有效； 2. 有利于并行计算； 3. 误差不会被传递。
缺点
1. 不能隐藏明文的模式 2. 可能对明文进行主动攻击
应用
ECB模式特别适合较短、随机的数据加密（如 加密密钥）。
输出反馈模式OFB
优点
1. 2. 3. 4. 隐藏了明文模式； 分组密码转化为同步流密码； 可以及时加密传送小于分组的数据； 没有误差传递：一个单元损坏只影响对应单元。
缺点
1. 2. 3. 4. 5. 不利于并行计算； 不具有自同步能力，要求系统要保持严格的同步； 重新同步时需要新的IV； 对明文的主动攻击是可能的； 安全性较CFB差。
假设它的输出是s位，s位的大小可以是1位
、8位、64位或者其他大小，表示为CFB-1， CFB-8，CFB-64等。
密码反馈模式CFB
CFB加密如下图所示
密码反馈模式CFB
优点
1. 隐藏了明文模式； 2. 分组密码转化为自同步流密码； 3. 可以及时加密传送小于分组的数据。
缺点
1. 不利于并行计算； 2. 误差传送：一个明文单元损坏影响多个单元； 3. 对于不同的消息，IV必须唯一。
应用
该模式适应于数据库加密、无线通信加密等对数据格 式有特殊要求或密文信号容易丢失或出错的应用环境。
输出反馈模式OFB
输出反馈模式（Output Feedback，OFB）
OFB将分组密码转化为同步流密码。 类似于密码反馈模式，不同的地方是输出反馈模式是将 加密算法的输出反馈到移位寄存器，而密码反馈模式是 将密文单元反馈到移位寄存器。OFB加密如下图所示。

唯密文攻击（仅知密文攻击）（Ciphertext-only attck） 已知明文攻击（Known-plaintext attck） 选择明文攻击（Chosen-plaintext attck） 选择密文攻击（Chosen-ciphertext attck） 选择文本攻击（Chosen Text Attck）
1. DES：明文、密文和密钥的分组长度都是64位。
2. AES：数据分组的长度是128位，密钥的长度可分别指定
为128位、192位或256位。 3. IDEA：明文和密文的分组长度为64位，密钥长度为128 位。
消息认证码
基本概念 基本作用 基本性质 使用方式 与加密函数的异同 HMAC CBC-MAC
2. 与加密相比，MAC函数更不易被攻破。（抗攻击性）
3. 加密函数用于确保数据的保密性，阻止对手的被动攻击。而消 息认证码用以确保报文发送者和接受者的真实性以及报文的完
整性，阻止对手的主动攻击。（作用）
HMAC
HMAC是基于带密钥的hash函数的MAC，基本思想是 将某个hash函数嵌入到消息认证码的构造过程中。 HMAC(K,M)=H[(K++opad) ||H[(K++ipad)||M]]
MAC的基本概念
定义
消息认证码MAC（Message Authentication Code） 是在密钥的控制下将任意长的消息映射到一个简短的定 长数据分组，并将它附加在消息后。通常表示为： MAC=C(M,K) 其中：M是长度可变的消息；K是收、发双方共享的密 钥；函数值C(M,K)是定长的认证码，也称为密码校验和 。
应用
计数器模式比较适合对实时性和速度要求比较高的场合。
序列密码
定义
序列密码又称为流密码，它将明文和密钥都划分为位（bit）或字
符的序列，并且对于明文序列中的每一位或字符都用密钥序列中的对
应分量来加密，即 M=（m1，m2，…，mn ） K=（k1，k2，…，kn） C=（c1，c2，…， cn） 其中 Ci=E（m- i，ki） i=1，2，…，n -
密码分析
目前比较流行的密码分析方法是
线性密码分析
线性分析是一种已知明文攻击。它以求线性近似为基
础，通过寻找现代密码算法变换的线性近似来攻击。
差分密码分析
差分分析是一种选择明文攻击。它通过分析特定明文差 分对相对应密文差分影响来获得尽可能大的密钥。它可以 攻击任何由迭代一个固定的轮函数的结构的密码以及很多 分组密码。
穷举攻击
穷举攻击是试遍所有可能的密钥对所获密文 进行解密，直至得到正确的明文；或者用一个 确定的密钥对所有可能的明文进行加密，直至 得到所获得的密文。
可以通过增大密钥位数或加大解密（加密）
算法的复杂性来抗穷举攻击。
代表算法
常见的对称加密算法
分组密码：DES，3DES，AES，IDEA，RC2，RC5 ，RC6等。 流密码：RC4等。
号），则接受方可以相信消息M的顺序是正确的。
MAC的基本性质
一个安全的MAC函数应该具有下列性质： 性质1：若攻击者知道 M和C(K,M)，则他构造满足 C(K,M＇)= C(K,M)的消息M＇在计算上是不可行的。 性质2：C(K.M)应是均匀分布的，即对任何随机选择 的消息M和M ＇，C(K,M)= C(K,M＇)的概率是2-n，其 中n是MAC的位数。 性质3：设M＇是M的某个已知的变换，即M＇=f(M)
分类
按照密钥流的产生是否与明文或密文有关，可将序列密码分为
同步序列密码 自同步序列密码
密码攻击
密码分析 穷举攻击
密码分析
密码分析是依赖加密算法的性质和明文的一般 特征等试图破译密文得到明文或试图获得密钥 的过程。 根据密码分析者可利用的数据资源，可将对密 码的攻击分为以下几种：
特点
1. 处理效率：由于下一块数据不需要前一块数据的运算结 果，所以CTR能够并行加密（解密）。 2. 预处理：基本加密算法的执行不依赖明文或者密文的输 入，因此可以事先处理。 3. 随机访问：由于对某一密文分组的处理与其他密文分组 无关，因此可以随机地对任一个密文分组进行解密处理 。 4. 简单性：加密阶段和解密阶段都使用相同的加密算法。
HMAC
改进的HMAC 适用于产生MAC的消息都较短的情况
CBC-MAC
CBC-MAC其实就是对消息M使用分组密码中的CBC 模式进行加密，取密文的最后一块作为认证标记。
基于DES的CBC-MAC如下图所示
，则C(K,M)= C(K,M＇)的概率为2-n。
MAC的使用方式
1. 消息认证 2. 消息认证和保密性：与明文有关的认证 3. 消息认证和保密性：与密文有关的认证
与加密函数的异同
相同 MAC函数与加密函数类似，都需要明文、密钥和算法的参与。
区别
1. MAC函数不要求可逆性而加密函数必须是可逆的。一般而言 ，MAC函数是多对一函数。（可逆性）
密码分组链接模式CBC
密码分组链接模式（Cipher Block Chaining，CBC）
将明文分成b位的一串分组，最后一组不足b位要进行填充 。CBC将这些分组链接在一起进行加密操作。加密输入是当前明 文分组和前一密文分组的异或，它们形成一条链。 ECB加解密如 右下图所示 加密：Ci=Ek(Ci-1⊕Pi) 解密：Pi-=Dk(Ci)⊕ Ci-1
对称加密和消息认证码
张立红
对称加密
基本概念
基本特点
分组密码
序列密码
密码攻击
代表算法
对称加密的基本概念
定义
如果加密与解密的密钥相同，或者由其中一 个密钥很容易推出另一个密钥，则称这种加密方 法为对称加密。 又称为单密钥加密，密钥加密，常规加密，传 统加密。 3
4
对称加密的基本特点
应用
该模式适合传输语音图像。
计数器模式CTR
计数器模式（Counter，CTR）
计数器采用与明文分组相同的长度。加密不同的明文组，计数器对 应的值不同。 计数器首先被初始化为一个值，然后随着消息块的增加，计数器的 值依次递增1。计数器加1加密后与明文分组异或得到密文分组。
计数器模式CTR
密码分组链接模式CBC
优点
1. 可隐藏明文的数据模式； 2. 不容易产生主动攻击； 3. 安全性好于ECB。
缺点
1. 不利于并行计算； 2. 误差传递； 3. 需要初始化向量IV。
应用
CBC适合传输长度长的报文；还可以用于数 据完整性认证。
密码反馈模式CFB
密码反馈模式（Cipher Feedback，CFB） 将加密的明文按照一个字节或者一位进行处 理，即将分组密码转换为流密码，且为自同 步流密码。