第13讲 分组密码的整体结构
分组密码工作模式
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M1=Pay to J.Jones
K K
M2=$1000
K
M3=Pay to S.Smith
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更多的细化结构
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分组密码的整体结构
迭代分组密码 Feistel结构 SP结构 广义Feistel结构 MISTY结构 Lai-Massey结构 更多细化的结构 分组密码工作模式
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更多细化的结构
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更多的细化结构
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更多的细化结构
事实上，对前面提到的各种整体结构进行组合
可以得到许多细化的分组密码整体结构。 在算法设计时采用哪种结构，依赖于：
对算法性能的要求； 满足各种密码性能子模块的构造； 对整体结构的安全性研究成果。
与种子密钥进行一次异或运算。
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分组密码的整体结构
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整体结构是每个分组密码的重要特征，所用整
体结构对于分组密码的轮数选择、软硬件性能 都有非常大的影响。 整体结构的研究多采用可证明安全理论的方法， 研究它们对差分、线性等分析方法的抵抗力， 研究它们在一定假设下的伪随机性和超伪随机 性。
K
M4=$10000000
C1
C2 C1 K K C4
C3
C4
M1=Pay to J.Jones
M4=$10000000
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谢谢
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迭代分组密码
在加密算法中，通常有前期白化和后期白化，
原因是分组密码的安全性分析通常都是先猜测 部分密钥比特，然后剥去密码的第一轮或最后 一轮，再将攻击施加于剩下的中间轮上。 一般要对密码的第一轮或者最后一轮特殊对待， 给第一轮加一个密钥控制的前期变换，给最后 一轮加一个密钥控制的后期变换。
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作业
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分组密码的整体结构
迭代分组密码 Feistel结构 SP结构 广义Feistel结构 MISTY结构 Lai-Massey结构 更多细化的结构 分组密码工作模式
迭代分组密码
目前流行的分组密码均是迭代型密码
密钥扩展算法
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迭代分组密码
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迭代分组密码
迭代次数（或者轮数）是迭代分组密码的一个
主要参数。 影响分组密码轮数选择的因素很多，主要包括 以下几个因素：
算法采用的整体结构。 轮函数的性能。 应用环境 设计者对算法的安全性评估。
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伪随机置换和超伪随机置换
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伪随机置换和超伪随机置换
WORD 0
WORD 1
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伪随机置换和超伪随机置换
WORD 0
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密码学 第13讲
一口吃地球 2014年4月8日
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迭代分组密码
明 文
混 乱
扩 散
混 乱
扩 散 密钥
。。。
混 乱
扩 散
密 文
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迭代分组密码 Feistel结构 SP结构 广义Feistel结构 MISTY结构 Lai-Massey结构 更多细化的结构 分组密码工作模式
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… … 扩散层
… … 扩散层
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一型结构
二型结构
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三型结构
四型结构
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分组密码的整体结构
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分组密码体制简介
分组密码体制简介分组密码体制也具有简捷、快速的特点，并且容易标准化，使其成为软硬件加密的主流算法。
目前主流的分组密码有：DES、IDEA…… .1．分组密码的特点与序列密码不同，分组密码是将明文序列划分成等长的分组（Block），对每一组用同一加密算法和同一密钥进行加密。
分组密码有其自身的优点，首先分组密码容易被标准化，因为在今天的数据网络通信中，信息通常是被成块的处理和传输的。
其次，使用分组赌东道密码容易实现同步，因为一个密码组的传输错误不会影响到其它的分组，丢失一个密文组不会对随后组的解密产生影响。
这就是说，传输错误不会扩散。
而这些方面恰恰是序列密码的最大缺点。
分组密码与序列密码相比的一个缺点就是算法庞大一些，需要更多的计算资源。
分组密码的另一大缺点是其安全性很难被证明。
尽管“可证明安全性”的研究发展很快，但目前的分组密码大多是“看来安全的”，还没有一个分组密码被证明是真正安全的，至多证明了局部安全性。
这其中的原因是：因商业化而要求分组密码算法的细节全部暴露，因此对分组密码的攻击类型很多，安全性概念也就很多，有人为了统一这些安全性概念，甚至引入了伪随机性和超伪随机性，它们是用概率图灵机来描述的，在实际设计和分析中很难应用。
2．分组密码的设计准则一、安全性准则对以下的安全性的描述总是基于以下的假设：加密体制（包括算法的细节）是公开的；安全性完全依赖于密钥；信道是不安全的，即攻击者可以任意的截取密文；攻击者有时也可以截取一些“废弃”的明文。
（1）分组长度和密钥长度：当明文分组长度为n比特时，至多需要2n个明文-密文对就可以彻底破解密钥。
同理当密钥长度为n比特时，对一个截获的密文，至多需要试验2n个密钥就可以破解了密文。
因此从安全性角度来考虑，明文分组长度的密钥长度因尽可能的大。
（2）混淆性：所设计的密码应使得明文、密文、密钥之间的依赖关系相当复杂，以至于这种依赖关系对密码分析者来说是无法利用的。
分组密码
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DES分组密码算法 DES分组密码算法
一、背景简介
该算法是在美国NSA（国家安全局）资助下由IBM公 （国家安全局）资助下由 该算法是在美国 公 司开发的密码算法， 司开发的密码算法，其初衷是为政府非机密的敏感信息提 供较强的加密保护。它是美国政府担保的第一种加密算法， 供较强的加密保护。它是美国政府担保的第一种加密算法， 并在1977年被正式作为美国联邦信息处理标准。DES主要 年被正式作为美国联邦信息处理标准。 并在 年被正式作为美国联邦信息处理标准 主要 提供非军事性质的联邦政府机构和私营部门使用，并迅速 提供非军事性质的联邦政府机构和私营部门使用， 成为名声最大，使用最广的商用密码算法。 成为名声最大，使用最广的商用密码算法。
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③ P盒置换 将S-盒变换后的32比特数据再进行P盒置换，置 换后得到的32比特即为 f 函数的输出。
P
16 29 1 5 2 32 19 22 7 12 15 18 8 27 13 11 20 28 23 31 24 3 30 4 21 17 26 10 14 9 6 25
含义:P盒输出的第 个元是输入的第 个元。 含义 盒输出的第1个元是输入的第 个元。 盒输出的第 个元是输入的第16个元
DES的第 DES的第 i 圈加密结构图 Li-1（32位） f Ri-1（32位）
Ki
Li（32位）
Ri（32位）
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DES的 变形函数 的 变形函数F
32位
E
48位
48位子密钥
⊕
S1 S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
P
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① E盒扩展 盒扩展 扩展变换的作用是将输入的32比特数据扩展为48比特 数据
《分组密码理论》课件
分组密码的工作模式
ECB模式
电子密码本模式，是最简单的分组密码工作模式。它将明 文分成固定长度的块，然后对每个块进行加密。
CBC模式
密码块链接模式，将前一块的密文作为下一块的加密密钥 ，使得明文中的重复内容在密文中也呈现规律性变化。
CFB模式
密码反馈模式，将前一块的密文作为下一块的加密密钥， 同时将加密后的密文反馈回来与明文进行异或操作，以实 现加密和解密过程。
介绍量子密码学的基本原理， 包括量子态的叠加性和纠缠性 ，以及量子不可克隆定理等。 这些原理为抗量子计算攻击的 分组密码提供了理论基础。
列举一些已经提出的抗量子计 算攻击的分组密码算法，如基 于多线性映射、基于哈希函数 、基于编码理论的算法等。
分析抗量子计算攻击分组密码 研究中面临的挑战，如算法效 率、实现难度和安全性证明等 ，并对未来的研究方向进行展 望。
分组密码的应用场景
通信安全
01
分组密码广泛应用于通信加密领域，如TLS/SSL协议中的AES加
密算法。
存储安全
02
在存储加密中，分组密码也扮演着重要的角色，用于保护数据
的机密性和完整性。
身份认证
03
分组密码还可以用于身份认证，通过加密和验证消息的完整性
来确保通信双方的身份安全。
2023
PART 02
2023
REPORTING
THANKS
感谢观看
基于云计算的分组密码
ห้องสมุดไป่ตู้云计算环境下的 安全需求
随着云计算技术的普及，数 据安全和隐私保护成为重要 需求。因此，研究基于云计 算的分组密码是必要的。
基于云计算的分 组密码算法原理
介绍基于云计算的分组密码 算法的基本原理，包括如何 利用云计算的分布式处理能 力提高加密和解密的速度， 以及如何利用云计算的存储 能力实现密钥的分布式存储 等。
分组密码加密算法的常见算法结构
分组密码加密算法的常见算法结构随着计算机技术的不断发展，信息安全问题也越来越受到关注。
在信息传输过程中，数据的加密是保障信息安全的重要手段之一。
分组密码加密算法是一种常见的加密算法，它将明文数据分成若干个固定长度的分组，通过对每个分组进行加密来实现整个消息的加密。
本文将介绍分组密码加密算法的常见算法结构，以及它们的优缺点和应用场景。
1. 基本结构分组密码加密算法的基本结构由两个部分组成：明文分组和密文分组。
明文分组是指明文数据被分割成固定长度的块，每个块长度通常为64位或128位。
密文分组是指加密后的明文分组，长度与明文分组一致。
加密算法的核心是将明文分组转换为密文分组，这个过程称为加密。
解密的过程是将密文分组转换为明文分组。
分组密码加密算法的常见算法结构包括：ECB、CBC、CFB和OFB。
这些算法结构在加密和解密过程中采用不同的方式来处理明文和密文分组。
2. ECB模式ECB（Electronic Codebook）模式是最简单的分组密码加密算法结构，它将每个明文分组单独加密，得到对应的密文分组。
每个明文分组之间是独立的，因此ECB模式无法处理明文分组之间的关系。
这种模式的缺点是，它容易受到重放攻击，即攻击者可以拦截并重复发送相同的密文分组，从而获得明文数据。
ECB模式的优点是加密和解密过程简单，可以并行处理多个分组。
它适用于每个明文分组的安全性要求不高的情况，例如对称密钥的传输和存储。
3. CBC模式CBC（Cipher Block Chaining）模式是一种常见的分组密码加密算法结构，它采用前一个密文分组来加密当前的明文分组。
具体地，在加密过程中，首先将前一个密文分组和当前明文分组进行异或运算，得到一个新的数据块，然后对这个新数据块进行加密。
解密过程与加密过程相反，将密文分组解密后再与前一个密文分组进行异或运算，得到对应的明文分组。
CBC模式的优点是可以处理明文分组之间的关系，提高安全性。
分组密码体制
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图3.1 分组密码框图
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• 与流密码不同之处在于输出的每一位数字不是 只与相应时刻输入的明文数字有关，而是与一 组长为n的明文数字有关。 • 在相同密钥下，分组密码对长为n的输入明文组 所实施的变换是等同的，所以只需研究对任一 组明文数字的变换规则 • 这种密码实质上是字长为n的数字序列的代换密 码
– 在以软件实现时，应选用简单的运算，使作用于 子段上的密码运算易于以标准处理器的基本运算， 如加、乘、移位等实现，避免用以软件难于实现 的逐比特置换。 – 为了便于硬件实现，加密和解密过程之间的差别 应仅在于由秘密密钥所生成的密钥表不同而已。 这样，加密和解密就可用同一器件实现。 – 设计的算法采用规则的模块结构，如多轮迭代等， 以便于软件和VLSI（超大规模集成电路）快速实 现。
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• 如果分组长度太小，系统则等价于古典的 代换密码，容易通过对明文的统计分析而 被攻破。
– 这个弱点不是代换结构固有的，只是因为分 组长度太小。如果分组长度n足够大，而且从 明文到密文可有任意可逆的代换，那么明文 的统计特性将被隐藏而使以上的攻击不能奏 效
• 从实现的角度来看，分组长度很大的可逆 代换结构是不实际的。
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⑤ 数据扩展尽可能地小。一般无数据扩展， 在采用同态置换和随机化加密技术时可引 入数据扩展。 ⑥ 差错传播尽可能地小。 • 要实现上述几点要求：
– 首先要在理论上研究有效而可靠的设计方法 – 而后进行严格的安全性检验 – 要易于实现
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§3.1.1 代换
• 如果明文和密文的分组长都为n比特，则明文 的每一个分组都有2n个可能的取值。为使加密 运算可逆（使解密运算可行），明文的每一个 分组都应产生惟一的一个密文分组，这样的变 换是可逆的， • 称明文分组到密文分组的可逆变换为代换。
分组密码体制
两个基本设计方法
由于对称分组密码的缺点是不善于隐藏明文的 统计特性，因而对“统计分析”攻击方式的抵御能 力不强，故Shannon提出了两个抵抗“统计分析” 的方法：混淆和扩散。
◆混淆：目的是为了隐藏明文和密文之间的关系，增加密 钥和密文之间关系的复杂性。可以使用“代替”的方法 来实现。
◆扩散：目的是让密文没有统计特征，也就是将明文中的 统计信息散布到整个密文中，增加密文与明文之间关系 的复杂性，以挫败推测出密钥的尝试。可以使用“置换” 的方法来实现。
对于给定的64位的明文p，通过初始置换IP获得64位的 p320，位并记将为pR00分，为即左p0右=I两P(部p)=分L，0R前0。面IP32置位换记如为图L所0，示后。面
置换表中的数字1～64代表的仅仅是明文 分组中元素所处的位置，而非元素的值！
• 第四步：初始逆置换IP-1 应用初始逆置换IP-1对最后一轮迭代之后得到 的R16L16进行置换，得到密文C。
• 分组加密算法本质上体现了n位明文分组和n位密文分组的一一 映射。
• 分组大小n的选择
1“）统如计果分n较析一码小”般，，方的不则法，同得的对变到攻于换的击的n明。位总文分数空组为间的(和2对n密)!称，文分也空组就间密是有限，容易受到 2）如果n充说分，大密，钥则的由个于数得为到(的2n明)!个文。空间和密文空间足够大， 明文的统计特征将被掩盖，可以抵抗“统计分析”方法的攻击 ；但同时也将导致密钥数目的急剧增加和密钥空间的急剧增大 ，这会给密钥的分配、管理和存储带来很大的困难。
Feistel 密码结构
DES算法的整体结构 ——Feistel密码结构
• 每一轮的迭代算法 加密：对于每一轮 i=1,2,...,n,新 的左右部分根据如下规则重新
分组加密算法课件
密钥k=（k0，… ,kn-1） 密钥k=（k0，… ,kn-1）
明文
加密算法
（x0，… ,xn-1）
原来的明文 密文 解密算法 （x0，… ,xn-1）
（y0，… ,yn-1）
分组加密算法
分组密码的一般设计原理
设计目标
在密钥控制下，从一个足够大、足够好的置换 子集中简单迅速地选出一个置换，对当前输入 的明文数字组进行加密变换；
输入的第58位作为第1位 输入的第50位作为第1位 输入的第42位作为第1位
分组加密算法
输入的第40位作为第1位 输入的第8位作为第1位 输入的第42位作为第1位
IP与IP-1互逆
M=(m1 , m2 ,…..)
1 2 34 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56
发明人：
IBM公司 W.Tuchman和C.Meyer.
基础：
1967年美国Horst Feistel提出的理论；
产生：
美国国家标准局1973年开始研究除国防部外的其它部门 的计算机系统的数据加密标准，于1973年5月15日和 1974年8月27日先后两次向公众发出了征求加密算法的 公告，最终选定DES。
S7盒
13 0 11 7 4 9 1 10 14 3 5 12 2 15 8 6 1 4 11 13 12 3 7 14 10 15 6 8 0 5 9 2
6 11 13 8 1 4 10 7 9 5 0 15 14 2 3 12
分组密码
• …（省略）... 00401AB0 |MOV DL,BYTE PTR DS:[ECX+417D9F] 00401AB6 |MOV BYTE PTR DS:[EAX+417BA3],DL 00401ABC |ADD EAX,4 00401ABF |CMP EAX,38这里进行密钥变换 …（省略）... 00401BFF ||MOVSX ECX,BYTE PTR DS:[EAX+412215] 00401C06 ||MOV CL,BYTE PTR DS:[ECX+417D9F] 00401C0C ||MOV BYTE PTR DS:[EAX+417BA5],CL 00401C12 ||ADD EAX,6 00401C15 ||CMP EAX,30这里产生48位的子密钥 00401C18 |\JL SHORT Crackme1.00401BA0 00401C1A |MOV EAX,DWORD PTR SS:[ESP+14] 00401C1E |MOV EDI,EAX 00401C20 |MOV ECX,0C 00401C25 |MOV ESI,Crackme1.00417BA0 00401C2A |REP MOVS DWORD PTR ES:[EDI],DWORD PTR D> 00401C2C |MOV EDI,DWORD PTR SS:[ESP+10] 00401C30 |ADD EAX,30下一组子密钥 00401C33 |INC EDI 00401C34 |CMP EAX,Crackme1.00417B90这里进行16次的生成子密钥过程 00401C39 |MOV DWORD PTR SS:[ESP+10],EDI …（省略）... 可以看到8位密钥为：1,9,8,0,9,1,7,0
分组密码的基本的工作模式
分组密码的基本的工作模式
分组密码是一种将明文数据按照固定大小的分组进行加密的密码算法。
其基本的工作模式包括以下几种：
1. 电子密码本模式（Electronic Codebook, ECB）：将每个明文分组独立地加密成密文分组。
这种模式简单直接，但如果相同的明文分组使用相同的密钥进行加密，将得到相同的密文分组，存在安全性问题。
2. 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining, CBC）：在加密之前，将前一个密文分组与当前明文分组进行异或运算，然后再进行加密。
这种模式避免了ECB模式下相同明文分组产生相同密文分组的问题，并增加了一定的安全性。
3. 输出反馈模式（Output Feedback, OFB）：将前一个密文分组作为输入，经过加密算法生成伪随机数流，然后再与当前明文分组进行异或运算得到密文分组。
这种模式具有自同步的特性，但可能受到伪随机数流的影响。
4. 密码反馈模式（Cipher Feedback, CFB）：将前一个密文分组作为输入，经过加密算法生成伪随机数流，再与当前明文分组进行异或运算得到密文分组。
与OFB模式类似，但伪随机数流的生成方式不同。
5. 计数器模式（Counter, CTR）：使用一个计数器作为输入，经过加密算法生成伪随机数流，再与当前明文分组进行异或运算得到密文分组。
这种模式可以并行地加密多个
分组，具有高效性和安全性。
以上是常见的分组密码的基本工作模式，每种模式都有其特点和适用场景。
在实际使用时，需要根据具体的需求和安全要求选择合适的工作模式。
分 组 密 码
主要内容
AES 的 解密过程
密钥 扩展
1.5. 1 AES的数学基础
有系限数域在
中的多项式
中的所有元素为所有系数在GF(2) 中并且 次数小于8 的多项式。
两个元素的加法与两个字节的按位模2 加是一 致的。两个字节的按位模2 加用 表示。
两个元素的乘法为模二元域GF(2) 上的一个8 次不可约多项式的多项式乘法, 乘法用 表示。
置换
扩展和混淆
点击各项查看详细说明
1.2 分组密码的结构
Feistel 网络
SP 网络
1.2. 1 Feistel 网络
平 衡
1) 将明文一分为二，设 是右边的m比特。
网 2) 对于
, 计算
络
3) 密文为
是左边的m 比特,
点击查看圈变换图示
1) 将明文一分为二，设
是右边的 比特，
非 平
2) 对于
钥有关的圈变换进行16 次迭代; 最后, 经过逆初
始置换 的处理得到密文
其
中
其中 和 的长度都是32 比特, f 是一个加密函数,
钥k 产生的一个48 比特的子密钥。
是由密
1.3. 2 DES的解密算法
DES 的解密过程和加密过程使用同一算法, 只不过在16 次迭 代中使用子密钥的次序正好相反. 解密时, 第1 次迭代使用子 密钥 第2 次迭代使用子密钥 依次类推, 第16 次迭代 使用子密钥 解密时的16 次迭代可以形式化地表示为
实ES 加密
双重
DES 解密
1.4.2 三重DES
三重DES 可以抵抗中途相遇攻击，被广泛采用的三重DES 如 下图所示。
设 文为
是三个长度为56 比特的密钥. 给定明文x, 则密