分组密码设计的常用方法
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。
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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）
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
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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
分组密码算法工作模式
分组密码算法工作模式
分组密码算法工作模式是指将明文分成一个个的固定大小的数据块，并对每个数据块分别进行加密或解密的方式。
常用的分组密码算法工作模式有以下几种：
1. 电子密码本模式（Electronic Codebook, ECB）：将明文划分为固定长度的数据块，每个数据块独立地进行加密，密文块与明文块的对应关系不受前后顺序影响。
优点是简单、并行计算，但安全性较差。
2. 密码分组链接模式（Cipher Block Chaining, CBC）：明文数
据块与前一个密文块进行异或运算后再进行加密，增加了密文的随机性和安全性，但串行计算，不适合并行处理。
3. 密文反馈模式（Cipher Feedback, CFB）：可以实现明文和
密文的长度不一致，每次加密生成一个密文块，然后与明文进行异或，再返回密文块的最右边的一部分作为输出。
串行计算，对于流数据加密较适用。
4. 输出反馈模式（Output Feedback, OFB）：与密文反馈模式
类似，但将密文块反馈到加密算法的输入块，而不是输入明文，可以实现流数据的加密。
5. 计数器模式（Counter, CTR）：通过一个计数器产生一个与
明文相同长度的序列，与明文进行异或运算产生密文。
可以实现并行计算，适用于高速加密处理。
这些工作模式在实际应用中可以根据需要进行灵活选择，以满足不同的安全性和性能要求。
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。
SM4算法、AES算法、DES算法三种分组密码的基础分析
SM4算法、AES算法、DES算法三种分组密码的基础分析 分组密码当中代表性的SM4算法、AES算法、DES算法在计算机和通信系统中起着重要的实际作用，每一种的算法都会有其独有的一份结构，讲解起来其实每一种都有很大的一个篇幅。
在这里主要是把这几种密码算法放在一起做一个简单的分析，也可以通过了解每一种算法来比较一下三者之间的差别。
那么，我们就通过了解SM4算法、AES算法、DES算法这几种有代表性的近代分组密码来讨论一下分组密码的基本理论及其在计算机和通信系统中的实际应用。
1、SM4算法 SM4密码算法是一个分组算法，其算法设计简沽，结构有特点，安全高效。
数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。
加密算法与密钥扩展算法均采取32轮迭代结构。
SM4密码算法以字节8位和字节32位作为单位进行数据处理。
SM4密码算法是对合运算，因此解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
SM4密码算法结构 SM4算法的基本内容有以下几方面： 基本运算：SM4密码算法使用模2加和循环移位作为基本运算。
基本密码部件：SM4密码算法使用了S盒、非线性变换τ、线性变换部件L、合成变换T基本密码部件。
轮函数：SM4密码算法采用对基本轮函数进行迭代的结构。
利用上述基本密码部件，便可构成轮函数。
SM4密码算法的轮函数是一种以字为处理单位的密码函数。
加密算法：SM4密码算法是一个分组算法。
数据分组长度为128比特，密钥长度为128比特。
加密算法采用32轮迭代结构，每轮使用一个轮密钥。
解密算法：SM4密码算法是对合运算，因此解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密铝的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。
密钥扩展算法：SM4密码算法使用128位的加密密钥，并采用32轮法代加密结构，每一轮加密使用一个32位的轮密钥，共使用32个轮密钥。
因此需要使用密钥扩展算法，从加密密钥产生出32个轮密钥。
分组密码的分析和设计
二、分组密码实例分组密码(Block Cipher):一次处理一块输入，每个输入块生成一个输出块；将明文消息划分成固定长度的分组，各分组分别在密钥的控制下变换成等长度的密文分组。
数据加密标准DESDES 概述：DES 是分组长度为64bit 的分组加密算法，64bit 的明文分组从算法的一端输入，64bit 的密文分组从算法的另一端输出。
DES 的密钥长度是64bit(8Byte),但是每个字节的第8位都用作奇偶校验位，故实际密钥长度是56bit 。
简单的说，算法只不过是加密的两种基本技术----混乱和扩散的组合。
DES 基本组建分组是这些技术的一个组合（先代替后置换），它基于密钥，作用于明文，这就是众所周知的轮变换（round ）。
在DES 中有16轮，这就意味着要在明文上16次实施相同的组合技术。
DES 是对称加密算法，加密和解密用的是同一算法（密钥顺序及应用方向与加密过程相反）。
加密算法m 比特明文x 比特密钥n 比特密文 解密算法x 比特密钥m 比特明文加密过程和解密过程的区别：“方向和过程刚好相反”。
也就是说“解密过程是加密过程的反过程”，DES算法解密过程是加密过程的“逆”运算。
DES加密过程：算法的概要DES对64位的明文分组进行操作。
经过一个初始置换，将明文分组分成左，右两部分，各32位长，然后进行16轮完全相同的运算，也称为"函数f"，在运算的过程中数据与密钥结合。
在每一轮中，密钥为移位，然后在从密钥的56位中选出48位，通过一个扩散置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作与48位密钥结合，通过8个S-盒将这48位替代为新的32位数据，再将其置换一次，这四步运算构成了f函数。
然后再通过另一个异或运算，使f函数的输出与左半部分结合，其结果就形成了新的右半部分，原来的右半部分变成新的左半部分，即对于第i次迭代，用L和R表示第（i-1）次迭代后的左右两部分(各32bit），则Li = Ri-1Ri= Li-1⊕f( Ri-1,Ki ) （i=2，3， (16)这里ki是64bit密钥k产生的子密钥，ki是48bit。
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）。
分组密码的工作模式及其特点
分组密码的工作模式及其特点第一章分组密码1.1节分组密码的简述分组密码是将明文编码表示后的数字序列划分成长为m组，各组分别在密码的控制下加密成密文。
在相同的密钥下，通常得到的是与明文等长的密文分组，所以只需要研究任一祖的明文数字的变换规则。
这种密码实质上是字长为m的数字序列的代换密码。
1.2节分组密码简单模型1.3节分组密码的工作模型分类根据不同的应用环境，需要对分组密码的加密方式做一些修改，用来增强密码的安全性和适应性。
常见的工作模式包括：分组模式：电码本模式（EBC）密码分组连接模式（CBC）序列模式：输出反馈模式（OFB）密码反馈模式（CFB）计数器模式（CTR）1.4节分组密码的特点分组密码加解密速度较快。
明文，密文组长度为m，密文长度为t，密钥量为2 。
密文中的任意一位数字与该组明文所有数字均有关。
每组明文使用相同的密钥加密。
1.5节分组密码算法的问题和对策分组长度足够大问题：代换网络十分复杂，难以控制与实现。
对策：将分组划分为几个小段，分别设计这些小段的代换网络。
密钥量足够大问题：密码系统十分复杂，同样难以控制与实现。
对策：概率加权法：设计多个子系统，使用时随机抽取。
乘积密码法：设计多个子系统，对明文进行多次加密。
密码变换足够复杂问题：抗统计破译法的要求，难以简单实现。
对策：扩散法：将每一位明文和密钥数字的影响扩散到每一位密文数字。
混淆法：使明文与密文、密钥的统计特性复杂化。
第二章分组密码的工作模式2.1节分组密码的工作模式的简述分组模式的工作模式是指以某个分组密码算法为基础，来解决任意长度的明文的加密问题的方法。
从本质上来说，为了使算法更适应具体的应用的一种技术。
分组密码的工作模式：电码本模式（EBC）;密码分组连接模式（CBC）;输出反馈模式（OFB）;密码反馈模式（CFB）;计数器模式（CTR）这五种工作模式适用于不同的应用需求。
电码本模式（EBC）1.定义：ECB模式是将明文的各个分组独立地使用同一密钥加密，互不影响，最后统一拼接在一起，2.优点：（1）最简单，最直接的分组密码工作模式。
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分组密码设计的常用方法
分组密码是一种广泛应用于信息安全领域的密码学方法。
它将明文分成固定长度的块，并在每个块上执行相同的加密算法。
常用的分组密码设计方法包括替代密码、置换密码、Feistel密码以及现代分组密码算法等。
以下将详细介绍这些方法。
一、替代密码：
替代密码是最简单、最早被应用的分组密码。
它使用一个代替规则，将明文中的字符替换为密文字符。
常见的替代密码包括凯撒密码和单表替代密码。
凯撒密码是最为简单的替代密码，它通过将明文中的字母按指定的偏移量进行替换来加密数据。
例如，将明文中的每个字母都向右移动3位。
凯撒密码存在明显的弱点，因为密钥空间小且易于被暴力破解。
单表替代密码则使用一个单表来进行替换操作。
例如，密钥可以是一个包含26个字母的随机排列方式。
每个明文字符都会映射到密文字符，这种映射关系称为替代。
二、置换密码：
置换密码是将明文中的字符进行重新排序的密码方法。
它通过改
变字符的位置来加密数据。
常见的置换密码包括栅栏密码和换位密码。
栅栏密码是一种简单的置换密码，它将明文按照一定规则排列在
不同的行和列中来加密数据。
例如，将明文以固定的行数写成矩阵形式，然后按照列的顺序读取得到密文。
换位密码则改变字符的顺序来加密数据。
例如，通过将明文字符
按照指定规则进行重新排序，然后按照新的顺序读取得到密文。
三、Feistel密码：
Feistel密码是一种高度安全且广泛使用的分组密码算法。
它将明文分成两个等长的部分，然后使用相同的加密算法对每个部分进行多
轮操作。
每轮操作对两部分进行替代和置换操作，然后将它们重新组合。
最后一轮只进行替代操作，不进行置换操作。
Feistel密码中的替代和置换操作通常包括S盒替代和P盒置换。
S盒替代将输入映射到另一组值，而P盒置换对输入进行重新排列。
通过多轮的迭代操作，Feistel密码可以提供较高的安全性和抗攻击能力。
四、现代分组密码算法：
除了传统的替代密码、置换密码和Feistel密码之外，现代分组密码算法采用了更复杂和高级的设计方法，以提高安全性和性能。
其中最著名的分组密码算法包括DES（数据加密标准）和AES（高级加密标准）。
DES是一种对称分组密码，使用了Feistel密码结构。
它将明文分成64位的块，密钥长度为56位。
DES使用了16轮操作进行加密和解密，其中包括S盒替代和P盒置换。
AES是目前广泛使用的分组密码算法，它使用迭代替代置换网络（Substitution-Permutation Network，SPN）结构。
AES将明文分成128位的块，密钥长度可以是128位、192位或256位。
AES使用了多轮迭代操作，包括字节替代、行位移、列混淆和轮密钥加。
总结：
分组密码设计的常用方法包括替代密码、置换密码、Feistel密码以及现代分组密码算法。
这些方法各有特点，应用在不同的场景中。
而设计一个安全且高效的分组密码算法需要综合考虑安全性、性能和
实际应用等因素，确保在加密和解密过程中能够提供足够的安全性和可靠性。