第3章数据加密技术

随机乱序字母
单字母替换密码 重新排列26个字母顺序 有效防止用筛选的方法检验所有密码表
现代密码体制
现代密码学用密钥（key）解决了这个问题。 所有这些算法的安全性都基于密钥的安全性，而不是基于算法的安 全性。
加密 方案 明文 加密
解密 方案
密文
解密
原始明文
加密 算法 明文
加密 密钥
解密 算法 密文
DES算法
逆初始置换（IP-1）
逆初始置换表如右图所示。逆初始置换是初始置换的逆 过程
DES算法
乘积变换（F函数, Feistel function）
右图给出了16次迭代中的一次循环的内部结构。每个64 位的中间结果的左右两部分被当成两个独立32位数据处 理。每轮变换的逻辑如下
Li Ri 1
h a v e 7 0 21 4
h 7
a… 0
密文：ao wi vr isa tj fl tcea in xoe lysomvn
26 14 22 8 21 17 a o w i v r
维吉尼亚密码
明文： here is how it works 密钥：vector 请对明文进行加密
密文：citx wj csy bh njvml
Ri Li 1 F (Ri 1, Ki )
DES算法
乘积变换基本原理
DES算法
乘积变换（F函数）
输入的Ri-1是32位，被扩展变换E扩展到48位；得到结 果与48位密钥Ki进行异或，这样得到的48为结果经过 一个代替函数S（S变换）产生32位输出。 下面说明扩展变换E和S变换的具体操作。
概念及术语
加密算法：对明文进行加密时采用的一组数学变换 解密算法：对密文解密时采用的一组数学变换 密钥(key)：控制加密算法、解密算法的一组仅合法用户知道的保密信息 加密密钥：控制加密算法的密钥
解密密钥：控制解密算法的密钥
概念及术语
算法和密钥
密码算法（algorithm）也叫密码（cipher），适用于加密 和解密的数学函数。（通常情况下有两个函数，一个用 来加密，一个用来解密） 如果算法的保密性是基于保持算法的秘密，这种算法称 为受限制的（restricted）算法。受限制的算法不可能进 行质量控制或标准化。每个用户和组织必须有自己唯一 的排他性的确定算法。
DES算法
置换选择2
第i轮迭代的Ci-1和Di-1 通过置换选择2得 到48位密钥。
DES算法
循环左移位
每一轮迭代按照下面的表格规定的移位 数进行移位
轮 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
序
移 位 数 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1
密码学概述
密码学诞生于4000年前，古典密码学被认为是艺术 希伯来人（HeBrew）使用密码术将原始字母转化为另一个字母，这就是 典型的“替代密码”（substitution cipher） 单字母替代
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ ZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA
密码学概述
1975年1月15日，DES（数据加密标准）由美国国家标准局颁布为国家标 准，这是密码术历史上一个具有里程碑意义的事件。 1976年，当时在美国斯坦福大学的Diffie和Hellman两人在论文“New Direction in Cryptography”中提出了公开密钥密码的新思想，把密钥分为加 密的公钥和解密的私钥，这是密码学的一场革命。 1977年，美国的Ronald Rivest、Adi Shamir和Len Adleman提出第一个较完 善的公钥密码体制——RSA体制，这是一种建立在大数因子分解基础上的 算法。 ……
RSA密码体制
RSA算法是最广为使用的“非对称加密算 法”，它是第一个能同时用于加密和数字签 名的算法，同时也是理论非常完善的一个加 密算法。RSA在公开密钥加密和电子商业中 被广泛使用，普遍认为是目前三位数学家Rivest、 Shamir 和 Adleman 设计了一 种算法，可以实现非对称加密。 这种算法用他们三个人的名字命 名，叫做RSA算法。
解密 密钥 原始明文
加密
解密
现代密码体制
对称密钥密码（单钥密码） 流密码（序列密码）、分组密码 ——DES、FEAL 、IDEA、AES 非对称密钥密码（公钥密码/双钥密码） 分组密码 ——RSA
DES算法
数据加密标准（ Data Encryption Standard, DES ）
美国国家标准局 (NBS: National Bureau of Standards) 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（DES: Data Encryption Standard）
DES算法
扩展变换E Expansion
右图给出了扩展变换E将32位输入扩展为48位输出的过程， 实际上32位输入中有16位被重用了。
DES算法
S变换
如下图所示，F中的代替由8个S盒完成，其中每一个S盒都接受6位输入,记为B[j]， 并产生4位输出,记为S[j]。
DES算法
密钥的产生 (Key Schedule)
右图给出了DES算法密钥的产生过程； 置换选择1将输入的64位变换为两个 28位的C0、D0，随后是16次循环迭代。 在每次循环中，Ci-1和Di-1进行循环左 移，这个结果作为下一次迭代的输入， 同时作为置换选择2的输入，产生48 位子密钥（轮密钥）。
DES算法
置换选择1
输入的64位密钥按照下图进行置换，得到C0和D0
例如： 密文 hvxfirgb —— 明文 security
密码学概述
公元前400年Spatans
“轴棒密码”（Scytable cipher)
密码学概述
著名的凯撒（Caesar）密码 加密时它的每一个明文字符都又起右边三个字符代替，即A油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。
64位明文
初始置换IP
乘积变换
逆初始置换IP-1 64位密文
DES加密流程
这一过程是对同
一个函数进行16 次循环组成的。 16次迭代称为乘 积变换或函数F。
DES算法
初始置换（Initial Permutation, IP）
初始置换表如右图所示。表中的数字代表初始置换时64 位输入分组的位序号，表中的位置代表置换后输出的位 顺序。


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。
1975年3月17日DES首次被公布在联邦记录中。
DES算法
DES密钥密码的历史
1977年1月15日美国政府决定采纳IBM公司设计的方案作为非机密数据的正式数据加密标 准DES，被正式批准并作为美国联邦信息处理标准，即FIPS-46，同年7月15日开始生效。 该方案是在1971年，由Horst Feistel领导的IBM密码研究项目组研究出的LUCIFER算法，并 已应用于商业领域。 DES是世界上最被研究的加密算法 DES并不安全，密钥太短，但是3DES （168 bits, 112 bits）非常安全
Standard Alphabet： ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ Cryptographic Alphabet： DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
凯撒密码
加密时它的每一个明文字符都又起右边三个字符代替，即A油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。
教学目标
密码学概述 密码系统的基本概念和术语 古典密码算法 现代密码体制 DES算法 RSA公开密钥密码体制 AES简介
古典密码算法
凯撒密码 频率分析法 维吉尼亚密码 随机乱序字母
凯撒密码
加密时它的每一个明文字符都用右边三个字符代替，即A由D代替， 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。 B
DES算法
DES的基本
Input: 8 Bytes, 64 bits
Output: 8 Bytes, 64 bits
DES
Key: 56 bits
流加密
异或运算XOR
DES加密原理
DES首先对64位的明文数据分组进行操作，通过一个初 始置换，将明文分组等分成左、右两半部分，然后进 行16轮完全相同的运算，在每一轮运算中，对密钥位 进行移位，再从56位密钥中选出48位；同时通过一个 扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，再通过异或 操作与计算得到的48位子密钥结合，并通过8个S盒将 这48位替代成新的32位数据，再将其置换一次。 然后，通过另一个异或运算，将运算函数F的输出与左 半部分结合，其结果成为新的右半部分，旧的右半部 分成为新的左半部分。将该操作重复16次，便实现了 DES的16轮运算。经过16轮后，左、右半部分合在一起， 最后再通过一个逆初始置换（初始置换的逆置换）， 这样就完成DES加密算法 详细的加密计算流程参见下图：
现代密码学依赖于计算机科学
密码学概述
第一阶段：1949年之前，密码学还不是科学。出现一些密码算法和加密设 备；密码算法的基本手段出现，针对的是字符；简单的密码分析手段出现； 这个分阶段的主要特点：数据的安全基于算法的保密。 第二阶段：1949～1975年，密码学成为科学。计算机使得基于复杂计算的 密码成为可能，这个阶段密码学的主要特点是：数据的安全基于密钥的 保密而不是算法的保密。 第三阶段：1976年以后，密码学的新方向——公钥密码学。主要特点是： 公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输的保密通信成为可能。