分组密码的设计准则
分组密码 4.1分组密码设计原则和设计方法
便于实现是分组密码设计时应考虑的重要 因素。分组密码应符合简单、快速和成本低廉 的原则。
分组密码应适合硬件和(或)软件实现。硬件 实现速度快；软件实现灵活性强、成本低廉。
例: 对高速通信数据的加密----硬件实现; 嵌入到系统软件的加密程序----软件实现
二、分组密码基本设计原则
2.实现原则
硬件 实现原则
p :{1, 2, , lm} {1, 2, , lm} 实现 lm 比特的置换
即P盒
三、分组密码设计方法
S S
P
S
S
P
…… ……
S
S
P
S
S
……
S
k1
k2
kr
非线性代替S一般被称为混乱层，主要起混乱 的作用；线性置换P一般被称为扩散层，主要起扩
散的作用。
三、分组密码设计方法
三、分组密码设计方法
迭代密码的常见模型有 S-P 网络 ( 代
替-置换网络)、 Feistel网络等。
三、分组密码设计方法
（三）代替－置换网络（S-PN）
一个S-PN就是一类特殊的迭代密码。设l和m 都是正整数，明密文都是长为lm的二元向量，一 个S-PN包含两个变换，分别记为πs和πp。
s :{0,1}l {0,1}l 实现 l 比特的代替，即S盒
密钥形式为：K= ( K1，K2 )
三、分组密码设计方法
加密和解密规则定义如下：
EK ( x) E( K1 , K2 ) ( x) EK2 [EK1 ( x)] y DK ( y) D( K1 , K2 ) ( y) DK1 [DK2 ( y)] x
注意：解密次序与加密次序相反
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。
21
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）
16
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
17
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
分组密码和S盒
分组密码和S盒
本讲内容
第四章 分组密码 1.分组密码概念 2.分组密码的基本设计原则 3.混乱部件：S盒
分组密码概念
序列密码回顾
（公共信道）
发送方
密钥序列发生器 （KG）
（种子密钥）K
密钥源 （秘密信道）
密钥序列发生器 （KG）
（种子密钥）K
（秘密信道)
接收方
序列密码体制 通信模型
分组密码概念
5.扩散：要使每一位密钥数据影响一半以上的 密文数据，以防止对密钥进行逐段破译；而且 每一位明文数据也应该影响一半以上密文数据， 以便隐蔽明文数字的统计特性。
针对密码函数的攻击模式
已知明文攻击 已知密文攻击 选择明文攻击 选择密文攻击
针对分组密码现有的分析方法
朴素密码分析方法 穷尽密钥搜素攻击 字典攻击 查表攻击 时间存储折中攻击
于是，S(010011)= 0110
一个例子
一个例子
0 1001 1 0110
0 1011 1 1011
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7 1 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8 2 4 1 14 8 13 6 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0 3 15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13
1.分组长度n要足够大：防止查字典攻击。
常见的分组长度为64、128比特等。
2.密钥空间K要足够大：以防止穷密钥搜索攻击。
常见的密钥长度为128、192、256比特等。
3.安全强度的稳定性：部分密钥被破译后，分 组密码仍具有一定的抗攻击能力。
第5讲第6讲——分组密码的设计原则
k1
S S
k2
SP…… ……kt NhomakorabeaS
S
P
S
S
S
P
……
S
w0←x for r←1 to t-1 do { ur wr 1 kr //ur是该圈S盒的输入 for i←1 to m i i vr s (ur ) //vr是S盒的输出 {do }
wr p (vr )
法、乘法、移位 ）
三、分组密码的设计方法
如何设计分组密码算法才能保证其 实现足够的混乱和扩散？
Shannon提出的乘积密码的思想： 通过将一个弱的密码函数迭代若干次，
产生一个强的密码函数。
乘积密码指顺序地执行两个或多个基本密码系 统，使得最后结果的密码强度高于每个基本密 码系统产生的结果.
一、乘积密码
第3章 分组密码体制
3.1 分组密码概述及设计原则 3.2 数据加密标准 3.3 分组密码的运行模式 3.4 AES算法
3.1 分组密码概述及设计原则
主要内容：混乱原则、扩散原则，乘 积密码， S-P网络，Feistel模型 重点：乘积密码，迭代密码， SP网络， Feistel网络。 难点：混乱和扩散。
• 要求密文应当是明文和密钥的足够复杂 的函数，使得攻击者利用各种代数方法 都无法计算出密钥和明文的任何信息！ • 密文与其对应的明文和密钥之间不存在 任何形式的统计相关性 ！
扩散原则(Diffusion) 目的：在密文中隐蔽明文的统计特性！ 扩散原则要求每个明文比特和密钥比特影响 尽可能多的密文比特，或者说让密文中的每一 位都受到明文和密钥中的尽可能多位的影响， 以隐蔽明文的统计特性和结构规律，（即将明 文的统计特性散布到密文中去）。
应用密码学习题答案5
《应用密码学》习题和思考题答案第5章 对称密码体制5－1 画出分组密码算法的原理框图，并解释其基本工作原理。
答：图5-1 分组密码原理框图1210-t 1210-t )分组密码处理的单位是一组明文，即将明文消息编码后的数字序列im m m m ,,,,210 划分成长为L 位的组()0121,,,,L m m m m m -=,各个长为L 的分组分别在密钥()0121,,,,t k k k k k -= （密钥长为t ）的控制下变换成与明文组等长的一组密文输出数字序列()0121,,,,L c c c c c -= 。
L 通常为64或128。
解密过程是加密的逆过程。
5－2 为了保证分组密码算法的安全强度，对分组密码算法的要求有哪些？ 答：（1）分组长度足够大；（2）密钥量足够大；（3）密码变换足够复杂。
5－3 什么是SP 网络？答：SP 网络就是由多重S 变换和P 变换组合成的变换网络，即迭代密码，它是乘积密码的一种，由Shannon 提出。
其基本操作是S 变换（代替）和P 变换（换位），前者称为S 盒，后者被称为P 盒。
S 盒的作用是起到混乱作用，P 盒的作用是起到扩散的作用。
5－4 什么是雪崩效应？答：雪崩效应是指输入（明文或密钥）即使只有很小的变化，也会导致输出发生巨大变化的现象。
即明文的一个比特的变化应该引起密文许多比特的改变。
5－5 什么是Feistel 密码结构？Feistel 密码结构的实现依赖的主要参数有哪些？ 答：1K nK i密文明文图5－6 Feistel密码结构Feistel 密码结构如图5－6所示。
加密算法的输入是长为2w 位的明文和密钥K ，明文被均分为长度为w 位的0L 和0R 两部分。
这两部分经过n 轮迭代后交换位置组合在一起成为密文。
其运算逻辑关系为：1(1,2,,)i i L R i n -==11(,)(1,2,,)i i i i R L F R K i n --=⊕=每轮迭代都有相同的结构。
分组密码的设计
• （1）Zeros填充算法：需要填充的7个字节全部 填充为0，分组结果为：
• 第一个消息分组： • F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 • 第二个消息分组： • F9 00 00 00 00 00 00 00
– Zeros填充算法无法区分第二个消息分组中F9后的0序 列是否是明文中的原始序列，因此该填充算法不可逆。
2.1.1 Feistel分组密码的基本结构
Feistel密码结构是基于1949年Shannon提 出的交替使用代换和置换方式构造密码体 制的设想提出的。
–在设计密码体制的过程中，Shannon提出了能 够破坏对密码系统进行各种统计分析攻击的两 个基本操作：扩散(diffusion)和混淆 (confusion)。
2.1.2 函数的设计准则
• Feistel分组密码的核心是轮函数。
• 设计的函数应该满足
– 严格的雪崩准则SAC（Strict Avalanche Criterion）
对于任意的 ，当任何一个输入位 发生改变时，S－盒的任何输出位 的值发生改变的概率为
– 位独立准则BIG（Bit Independence Criterion）
• 用于产生性能良好的随机数
– 构造流密码。 – 构成其它密码协议的基本模块
• 如密钥管理协议，身份认证协议等
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• 在分组密码中，必须处理一个问题——填充。
– 在分组加密中，要求填充是可逆的
• 假定块长度为8字节，要加密的明文数据长度为9 字节。那么消息被切成两个块，第二块只有1个字 节，需要填充7个字节。如果把9字节的明文数据 记为：
L0(L) +
密码学基础知识（四）分组密码
密码学基础知识（四）分组密码⾸先再说说密码体制那点事，密码体制按密钥分为两派，对称和公钥，不过也可以分为分组密码和流密码（序列密码）。
刚才看了⼀眼，发现忘把图⽚传上来了，下次有功夫的。
说句废话，分组密码主要采⽤混淆原则和扩散原则来抵抗攻击者对该密码体制的统计分析。
那分组密码是什么东西呢？通俗讲就是将明⽂分块，然后分块加密。
分组密码设计的准则：①分组长度分组长度越长意味着安全性越⾼，但是会影响加密解密的速度。
1977年之后，由于计算速度和分析技术的提⾼，建议使⽤分组长度128位。
②密钥长度密钥越长同样意味着安全性越⾼，但会影响加密和解密的速度。
现在⼀般认为64位的密钥是不安全的，通常使⽤的密钥长度为128位。
③轮函数F轮函数F通常之迭代分组密码中单轮加密解密算法的实现部分，是分组密码结构的核⼼，由其实现数据的混乱和扩散。
在设计中，轮函数要遵循雪崩效应准则和位独⽴准则。
评价轮函数实际质量的指标有安全性，速度和灵活性。
④迭代的轮数迭代分组密码的本质是单轮不能提供⾜够的安全性⽽多伦迭代增强其安全性。
⼀般⽽⾔，迭代轮数越多，密码分析越困难，但过多的迭代会使输⼊和输出的关系复杂化，影响加解密速度，⽽安全性增强不明显，⼀般⽽⾔，决定迭代轮数的准则是：是密码分析的难度⼤于简单穷举攻击的难度。
⑤⼦密钥的⽣成⽅法理论设计⽬标是⼦密钥的统计独⽴性和密钥更换的有效性。
包括：实现简单，便于硬件实现，⼦密钥的⽣成不影响迭代轮函数的执⾏；不存在简单关系；种⼦密钥的所有⽐特对每个⼦密钥⽐特影响⼤致相同；没有弱密钥或弱密钥容易避开；保证密钥和密⽂符合位独⽴准则和雪崩效应。
分组密码的设计应满⾜的要求：①分组要⾜够长。
假设n为分组长度，则要使分组代换字母表中的元素个数2n⾜够⼤，以防⽌明⽂穷举攻击。
②密钥长度要⾜够长，以防⽌密钥穷举攻击。
但密钥⼜不能过长，这不利于密钥的管理且影响加解密的速度。
③由密钥确定的置换算法要⾜够复杂，⾜以抵抗各种已知的攻击，如查分攻击和线性攻击等，使攻击者除了利⽤穷举攻击外，⽆其他更好的攻击⽅法。
分组密码介绍
➢ 无法隐蔽数据模式，同一密钥下，密文相同必有明 文相同
➢ 不能抵抗组的重放、嵌入和删除攻击
通过引入记忆或采用不同的工作模式来克服
分组密码定义
分组密码定义：
➢ 一个私钥分组密码是一种满足下列条件的映射
E：F2m SK F2m 对每个k Sk , E(,k )是从F2m到F2m的一个置换。 一个分组密码简记为Y E( X , K ), 加密函数E (, k )，解密函数D(, k )
混乱：打乱密文、明文、密钥之间的依赖关系 扩散：密钥或明文的一个比特变化要引起密文许多比特的变化；
密文每个比特受多个明文比特影响
使明文的统计特征消散在密文中，例，y=m1+m2+… 雪崩效应：明文一个比特变化引起密文多个比特变化，且变化比
特未知
实现混乱扩散
➢ 多采用“乘积密码”： 交替使用代换(substitution)与置换 (permutation)
左右未交换，便于算法同时用于加解密
数据加密标准 DES
IP和IP-1
➢ 没有密码意义，打乱输入x的ASCII码字划分的关系 ，将明文校验位变为IP的输出的一个字节 L0 m58m50 m8, R0 m57m49 m7
数据加密标准 DES
轮函数f(Ri-1, Ki)
数据加密标准 DES
E：固定的扩展函数， 32 bits->48 bits
迭代分组密码：一个内部函数（轮函数）的连续重复。参数 包括轮数r 、分组的比特长度n 和输入密钥K 的比特长度k ， r 个轮密钥Ki 由K 生成。为满足可逆性，对每个Ki ， 轮函数在轮输入上是一个双射
Feistel结构
Feistel结构
r轮迭代
将2t比特明文 L0, R0 映射成密文 Rr , Lr 。
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• DES加密原理
➢初始置换
➢每个循环的详细过程
➢密钥的产生
➢DES算法的安全强度
➢3DES
应用密ห้องสมุดไป่ตู้技术
3.3 高级加密标准
• Rijndael算法：本质上是一种对称分组密码
体制，采用替代/置换网络，每轮由三层组 成。它是一个迭代分组密码，分组长度和 密钥长度都是可变的。
应用密码技术
3.1.3 分组密码的设计准则
• S盒的设计准则 • P盒的设计准则 • 轮函数F的设计准则 • 迭代的轮数 • 子密钥的生成方法
应用密码技术
3.2 数据加密标准
• DES处理的明文长度是64位，密文分组长度
也是64位，密钥长度位56位(要求输入64位)
• DES的一般设计原则：随机性、雪崩效应、
➢扩散：每一位明文的影响尽可能迅速地作用到 较多的输出密文位中去。主要使用换位算法。
➢混乱：密文和明文之间的统计特性关系尽可能 地复杂化。主要使用替代算法。
➢乘积密码：是指依次使用两个或两个以上的基 本密码，所得结果的密码强度将强于所有单个 密码的强度，即是扩散和混乱两种基本密码操 作的组合变换。
应用密码技术
• AES：处理的分组大小为128位，密钥长度
为128位、192位或256位，相应的迭代轮数 为10、12、和14轮。
应用密码技术
3.4 其他分组密码
• DES变形、RC系列分组密码、IDEA密码等。 • KASUMI密码。
应用密码技术
分组密码的操作模式（补充）
• 电子密码本模式（ECB） • 密码分组链接模式（CBC） • 计数器模式（CTR模式） • 输出反馈模式（OFB） • 密码反馈模式（CFB）
注：雪崩效应：输入（明文或密钥）即使只 有很小的变换，也会导致输出发生巨大的 变化现象。
应用密码技术
• Feistel结构的实现依赖的参数和特征：
➢分组长度：要求长，一般64位和128位。 ➢密码长度：要求长，一般128位。 ➢迭代轮数：要求多，一般16轮。 ➢子密钥生成算法：要求复杂。 ➢轮函数：要求复杂。
第3章 分组密码体制
3.1 分组密码 3.2 数据加密标准（DES） 3.3 高级加密标准（AES） 3.4 其他分组密码
应用密码技术
3.1.1 分组密码概述
• 分组密码算法：在密码的控制下，通过某
个置换来实现对明文的加密变换。
• 分组密码的算法要求：
➢ 分组长度足够大； ➢ 密钥量足够大； ➢ 密码变换足够复杂。
• SP网络：由多重S变换和P变换组合成的变
换网络，即迭代密码，是乘积密码的一种。
➢S盒：S变换（替代），混乱作用。 ➢P盒：P变换（换位），扩散作用。
• Lucifer算法：使用S盒和P盒交替在密钥控
制下组成复杂的、分组长度足够大的密码 设计方法。（输入128位明文和512位密钥， 输出128位密文）
应用密码技术
• 分组变换常使用的方法：
➢ 将大明文分组成几个小段，分别完成各个小段的加密 置换，最后进行合并操作，达到使总的分组长度足够 大；
➢ 采用乘积密码，即以某种方式连续执行两个和多个密 码变换。
应用密码技术
3.1.2 分组密码原理
• 扩散和混乱是分组密码最本质的操作，多
数使用Feistel分组密码结构