S02-对称密钥加密

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对称密钥加密
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● RC4加密算法（四步操作）
设密钥K的长度为lB，0＜l≤256，输入明文为M，输出密文为C
⑪状态向量初始化
算法 初始化 阶段
设：状态向量S={S[0], S[1], S[2],…, S[255]} 令S[i]=i，i=0,1,…,255，即状态相邻的256个元素依次赋值0～255 设：临时向量T={T[0], T[1], T[2],…, T[255]} 将密钥K循环赋值给T，即T[i]=K[i mod l]，i=0,1,…,255，弃用K 用向量T产生S的初始置换，弃用T 根据T[i]的值，将S[i]与S中指定元素进行置换（即换位swap） j = 0; 根据密钥的值，改变原来S for (i = 0 to 255) do { 中呈升序排列的数值，使 j = ( j + S[i] + T[i] ) mod 256; 之成为比较随机的分布 swap( S[i], S[j] ); } 对于输入明文M，若长度为nB，其字节流为M[k]，0≤k＜n 输出密文C字节流为C[k]，0≤k＜n i = j = 0; RC4加密循环往复地使用状态向量S， for (k = 0 to n) do { 每个明文字节与S生成的数值进行异 i = ( i + 1 ) mod 256; 或操作，得到密文字节，同时S中的 j = ( j + S[i] ) mod 256; 元素不断换位。长度值n实际上不起 swap( S[i], S[j] ); 作用，加密可以不断进行下去 t = ( S[i] + S[j] ) mod 256; C[k] = M[k]⊕S[t]; }

一种特定的 映射关系对 应的变换表
4b分组加密，变换表共有24!张 nb分组加密，变换表共有2n!张 4b分组加密的每一种变换关系需要一个4×24=64b的密钥 nb分组加密的密钥长度为n×2nb 常用的64b分组，其密钥长度将达到约1021b
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密钥 过长
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● 解决理想分组加密密钥过长问题的方法
● 加密采用的i轮次运算又称为迭代（iteration）

● 分组长度和密钥长度越长，安全性能越好

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● 微型加密算法 Tiny Encryption Algorithm，TEA


一种轻量级的对称密钥分组加密算法，由剑桥大学的David Wheeler和Roger Needam提出，符合Feistel加密模型 TEA不是通过算法的复杂性来保证安全，而是依赖加密迭代的轮 次数（可选16、32或64轮） 算法执行速度快，简单易实现，并具有较强的抗差分攻击能力， 适合信息保密强度要求不高，但通信效率要求较高的应用，如即 时通信系统 TEA算法使用了一个神秘常数δ，以保证每一轮加密有所差异。而 δ来源于黄金比率φ：
近似理想 分组加密 是可行的
nb分组加密密钥长度缩短为n2b
原n×2nb
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● 香农加密理论

使用信息编码的混淆和扩散方法，从而有效抵抗基于统计方法的 密码分析（破解）
混淆 confusion 扩散 diffusion
一种扩散方法的例子
mj为明文字母，cn为密文字母
通过混淆， 尽可能使密 文和密钥间 的统计关系 复杂化，阻 止破译者发 现密钥
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⑪ 密钥准备（密钥扩展）部分

算法使用大量的子密钥（subkey） 在加密或解密过程开始前，先将密钥K转换为各迭代轮次所需的子 密钥，总长度为4168B 子密钥的生成分为4步，其中需要使用Blowfish加密算法 子密钥生成循环共需进行521轮 数据加密过程采用16轮Feistel迭代结构 解密过程与加密完全相同，只是逆序使用p-array[1..18]
密钥
明文 明文分组 明文分组 明文分组 ……
加密 加密 加密 加密 加密 加密
密文 密文分组 密文分组 密文分组 ……
明文分组
明文分组
密文分组
密文分组
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● 设分组加密的分组大小为nB ● 明文数据交付加密前，首先进行数据填充（填充数据可为任意 数值），使总长度为nB的整数倍 ● 最后分组的最后4B为长度字段，表示有效数据（原始数据）的 长度（分为两种情况）
混淆 confusion
扩散 diffusion
代换 substitution
置换 swap
函数 运算
交叉 换位
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● Feistel解密过程与加密完全一致（非逆向）， 但逆序使用各轮子密钥。证明——
○不失一般性，设加密算法执行16轮。并设：加密 时，明文为LE0|RE0，输出密文为RE16|LE16；解密 时，密文为LD0|RD0，输出密文为RD16|LD16 ①显然有：LD0=RE16；RD0=LE16 ②对于加密：LE16=RE15；RE16=LE15⊕f (RE15, K16) ③对于解密第1轮，输入为LD0|RD0 ，有： LD0=RE16；RD0=LE16；LD1=RD0=LE16=RE15； RD1=LD0⊕f (RD0, K16)=RE16⊕f (RE15, K16) =[LE15⊕f (RE15, K16)]⊕f (RE15, K16)= LE15 解密第1轮输出LE15|RE15，正是加密第16轮输入 左右互换的值 依此类推，解密第16轮：LD16=RE0；RD16= LE0； 最终换位输出为LE0|RE0，正是原始明文。证毕。

取不同映射关系的一个子集 以减少映射关系数为代价，换取密钥长度的缩短，具有实用性
例：4b分组加密，设：明文为(p1,p2,p3,p4)，密文为(C1,C2,C3,C4)，定义方程组：
（类似Hill密码）
以（k11, k12,…, k44）为密钥，4b分组加密成立，且支持逆变换（可解密） 密钥长度缩短为42=16b
思考：如果原始数据恰好是nB的整数倍应如何处理？
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● 分组加密映射关系解析

对nB的分组，有2n个不同的明文分组、2n个不同的密文分组，相 互间共有2n!个非奇异的对应（变换）关系
例：对于4b明文分组 M=(M3M2M1M0)共有24=16 种编码组合，编码器的16 个输出分别为X0～Xf。对 于一种特定的对应转换关 系，可一对一地映射为 Y0～Yf，进而可解码为4b， 输出C=(C3C2C1C0)，C即 为明文M加密后的密文
消散明文统 计特征，让 每个明文编 码单元尽可 能多地影响 多个密文编 码单元
每个mj都会影响 到k个密文字母
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● Feistel加密算法结构



设：明文和密文为2wb，密钥为K 模型由i轮加密运算组成，每轮具有相似 的运算方法，分别使用由密钥K生成的 该轮次的子密钥Ki 每轮的输入被分为wb的左半部分和右半 部分，进行代换运算，在输出前左、右 部分进行置换运算 算法结束前再进行一次左右置换运算， 最终合并成2wb的密文
t[0]
t[1]
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● Blowfish算法



1993年由布鲁斯•施 奈尔开发，属于对称 密钥分组加密算法， 符合Feistel加密模型 分组长度64b，密钥 长度从1至448b可变 具有非常紧凑、易于 实现、处理速度快、 无须授权即可使用等 特点，用于SSH、文 件加密软件等应用
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● Feistel加密模型是对称密钥加密算法的指导性 技术框架

TEA、Blowfish、DES等算法均符合这一模型
迭代轮数越多，密文信息的混淆和扩散越彻底，保密性就越 强，但加解密速度变慢，因此通常选择16轮迭代 较长的分组和密钥同样存在拖慢运算速度的问题，常见的分 组长度选择64b或128b 密钥长度则根据算法指标、密级要求来确定
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● RC4概述


一种流式对称加密方法，由RonRivest于1987年设计，以随机置换 原理为基础，计算方法简便、高效 密钥长度可在1～256B（8～2048b）之间随意选取，且与被加密的 信息长度无关，当密钥长度达到16B（128b）以上时，具有较强的 抗攻击能力 可对任意长度的明文（如按字节）实施加密和解密，满足流媒体 业务的需要 已应用于SSL/TLS、802.11/WEP等
凌力
● 对称密钥加密原理 ● 流式加密原理

RC4
● 分组加密原理 ● Feistel加密模型 ● 典型分组加密算法

TEA，Blowfish，SMS4，DES，AES，IDEA
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● 对称密钥加密Symmetric Key Cryptography

又称为私钥加密（Private Key Cryptography）、 单钥加密（One-Key Cryptography） 现代加密技术之一，同一个密钥既用于加密又用于解密 特点：
⑫ 数据加密（或解密）部分

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定义P数组为p-array[1..18]，S盒为二维数组s-box[1..4] [0..255]， 数组元素均为32b类型，用于存放子密钥 ⑪ 用固定的值初始化p-array和s-box数组