第02章 对称密钥密码体系

50
59 3 47 54 61 5
42
51 60 39 46 53 28
34
43 52 31 38 45 20
26
35 44 23 30 37 12
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27 36 15 22 29 4
获得这16个子密钥。
首先，将64位密钥去掉8个校验位， 用密钥置换 PC–1置换剩下的56 位 密钥；再将 56 位分成前 28 位 C0 和 后 28 位 D0 两 部 分 ， 即 PC– 1(K56)=C0D0。
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先行案例——Enigma密码机
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先行案例——图灵
阿兰〃麦席森〃图灵（Alan Mathison Turing，1912.6.23— 1954.6.7），英国数学家、逻辑学家，被称为计算机科学之父、 人工智能之父。 1931年图灵进入剑桥大学国王学院，毕业后到 美国普林斯顿大学攻读博士学位，二战爆发后回到剑桥，后曾 协助军方破解德国的著名密码系统Enigma，帮助盟军取得了二 战的胜利。 阿兰〃图灵，是计算机逻辑的奠基者，许多人工智能的重要方 法也源自于这位伟大的科学家。他对计算机的重要贡献在于提 出的有限状态自动机也就是图灵机的概念，对于人工智能，它 提出了重要的衡量标准“图灵测试”，如果有机器能够通过图 灵测试，那它就是一个完全意义上的智能机，和人没有区别了。 他杰出的贡献使他成为计算机界的第一人，现在人们为了纪念 这位伟大的科学家将计算机界的最高奖定名为“图灵奖”。
L 16 = L 15 F(R 15 ,K 16 )
R 16 = R 15
IP -1
信息安全技术 64比特密文输出
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DES 加密过程
1. 初始置换函数IP DES对64位明文分组进行操作。首先，64位明文 分组x经过一个初始置换函数IP，产生64位的输 出 x0 ，再将分组 x0 分成左半部分 L0 和右半部分 R0，即： x0=IP(x)=L0R0
所有算法的安全性都基于密钥的安 全性，而不是基于算法细节的安全 性 只有公开的算法才是安全的
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2.1.3 对称密钥密码和非对称密钥密码
基于密钥的算法通常有两类：对称算法和非对称 算法。
对称算法有时又叫传统密码算法，就是加密密钥 能够从解密密钥中容易地推算出来，反过来也成 立。
EK(M) = C
高卢战争使罗马获得面积两倍于意大利的肥沃土地和800多 座城镇，凯撒个人则获得大量财富和政治资本，为其建立 独裁统治奠定了基础。 将替换密码用于军事用途的第一个文件记载是恺撒著的 《高卢记》。恺撒描述了他如何将密信送到正处在被围困、 濒临投降的西塞罗，使得敌人根本无法看懂信息。
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先行案例——凯撒密码
IBM 公司，70年代初提出，80年代成为国 家标准 DES是一种对称密钥算法，密钥长度为 56bits (加上奇偶校验，通常写成64bits) 是一种分组加密算法，64 bits为一个分组 基本思想：
混乱（Confusion） 和扩散（Diffusion ）
使用标准的算术和逻辑运算
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meet me after the class
meet me after the class
E = (M + k1) mod (26)
（其中，M表示明文中小写英文字母从0～25的序号，E表示密文中 字母的序号）
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先行案例——齐默尔曼电报
我们计划于2月1日开始实施无限制潜艇战。与此 同时，我们将竭力使美国保持中立。 如计划失败，我们建议在下列基础上同墨西哥结 盟：协同作战；共同缔结和平。我们将会向贵国 提供大量资金援助：墨西哥也会重新收复在新墨 西哥州、得克萨斯州，和亚利桑那州失去的国土。 建议书的细节将由你们草拟。 请务必于得知将会与美国开战时（把此计划）以 最高机密告知贵国总统，并鼓励他邀请日本立刻 参与此计划；同时为我们与日本的谈判进行斡旋。 请转告贵总统，我们强大的潜水艇队的参与将可 能逼使英国在几个月内求和。
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加密解密公式
明文用M（消息）或P（明文）表示，密文用C表示。加 密函数E作用于M得到密文C，用数学式子表示为： E（M）=C 相反地，解密函数D作用于C产生M D（C）=M 先加密后再解密消息，原始的明文将恢复出来，下面的 等式必须成立： D（E（M））=M
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2.1.2 安全密码准则
第二章
对称秘钥密码体系
主讲人：任凯 联系方式：renkai_jlxy@
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本章提要 2.1 密码体系的原理和基本概念 2.2 数据加密标准(DES) 2.3 IDEA 2.4 AES 2.5 序列密码
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先行案例——凯撒密码
高卢是罗马共和国北部的一大片土地，包括今天的意大利 北部、法国、卢森堡、比 利时、德国以及荷兰和瑞士的一 部分。 高卢战争是罗马共和国为征服高卢、扩大疆土而进行的侵 略性远征，是恺撒为壮大自己的实力进而确立独裁统治而 进行的一场建功扬威、扩 军备战、掠夺财富的残酷战争， 高卢战争包括8次军事远征。
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初始换位（IP）
58 60 62 64 57 59 50 52 54 56 49 51 42 44 46 48 41 43 34 36 38 40 33 35 26 28 30 32 25 27 18 20 22 24 17 19 10 12 14 16 9 11 2 4 6 8 1 3
密码学更关心在计算上不可破译的密码系统。如
果一个算法用（现在或将来）可得到的资源在可
接受的时间内都不能破译，这个算法则被认为在
计算上是安全的。 (1) 数据复杂性：用作攻击输入所需要的
数据量 (2) 时间复杂性：完成攻击所需要的时间 (3) 存储复杂性：进行攻击所需要的存储 量
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2.2 数据加密标准(DES)
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2．获取子密钥Ki
循环左移：根据迭代的轮数，分别左移一位或两位
1 1 2 1 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 1 10 2 11 2 12 2 13 2 14 2 15 2 16 1
1 0 1 0 1 0 …… 1 0 0 1 0 1 0 …… 1 0 1
•
9,18,22,25,35,38,4 压缩置换（置换选择）：从56bits中选择 48bits 3,54被置换掉
密钥流生成器 密钥流生成器
mbit 明文
加密算法
nbit 密文
解密算法
mbit 明文
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2.1.3 对称密钥密码和非对称密钥密码
非对称算法是这样设计的：用作加密的密钥不同
于用作解密的密钥，而且解密密钥不能根据加密
密钥计算出来（至少在合理假定的有限时间内）。
非对称算法也叫做公开密钥算法，是因为加密密 钥能够公开，即陌生者能用加密密钥加密信息， 但只有用相应的解密密钥才能解密信息。
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2.1.4 密码分析
根据被破译的难易程度，不同的密码算 法具有不同的安全等级 如果破译算法的代价大于加密数据的 价值 或者如果破译算法所需的时间比加密 数据保密的时间更长 或者如果用单密钥加密的数据量比破 译算法需要的数据量少得多 那么可能是安全的。
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可以用不同方式衡量攻击方法的复杂性：
改变明文中符号的排列方式，或按照某种规律置换明 文中的符号，使得只有通过数据解密才能读懂接收到 的信息
K1=3 将文本中每 个英文字母 替换为字母 表中排列在 其后的第k1 个字母 K2=3 phhw ph 将文本中每 diwhu wkh 个英文字母 fodvv 替换为字母 表中排列在 其前的第k2 个字母 M = (E - k2) mod (26)
DES 加密算法的密钥长度为 56 位，
但一般表示为 64 位，其中，每个 第 8位用于奇偶校验。在 DES加密 算法中，将用户提供的 64 位初始 密钥经过一系列的处理得到 K1 ， K2，…，K16，分别作为1～16轮运 算的 16 个子密钥。现在来看如何
1
10 19 63 7 14 21
58
2 11 55 62 6 13
32 bit L0 + F
32 bit R0 K 1 ( 48 )
DES加密算法
L 1= R 0 + F
R 1 = L 0 F(R 0 ,K 1 ) K 2 ( 48 )
L 2= R 1
R 2 = L 1 F(R 1 ,K 2 )
L 15 = R 14 + F
R 15 = L 14 F( R 14 ,K 15 ) K 16 (48 )
DES 加密过程
首先把明文分成以64 bit为单位的块m， 对于每个m, 执行如下操作
DES(m)=IP-1 • T16 • T15 •..... T2 • T1 • IP(m) 初始置换， IP 16轮迭代，Ti , i=1,2,…16 末置换，IP-1
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64比特明文输入
IP
乙用私钥加密的消息，甲也只有用乙的公钥才能解密
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2.1.4 密码分析
唯密文攻击
几乎所有密码系统在唯密文攻击中都是可破的， 只要简单地一个接一个地去试每种可能的密钥， 并且检查所得明文是否有意义。这种方法叫做蛮 力攻击。
已知明文攻击：基于对算法的研究 选择明文攻击：密码数据库，很多场合无法 奏效 自适应选择明文攻击
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先行案例——Enigma密码机
恩尼格玛加密机宣告了手工编码技术的结束，与 Enigma相关的历史人物有三个人。 首先是德国人亚瑟.谢尔比乌斯(Arthur Scherbius)，德国人发明了ENIGMA； 其次是波兰人马里安.雷杰夫斯基(Marian Rejewski)，波兰人初步解破了简单的ENIGMA； 第三个就是英国人阿兰.图灵(Alan Turing)，英国 人彻底终结了最高难度的ENIGMA。