大连理工大学网络安全与密码学 chap4-对称密码

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第四章现代加密技术(一) 对称密钥密码

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对称密钥

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对称密码算法有时又叫传统密码算法，加密密钥能够从解密密钥中 推算出来，反过来也成立。在大多数对称算法中，加密解密密钥是 相同的。 它要求发送者和接收者在安全通信之前，商定一个密钥。对称算法 的安全性依赖于密钥，泄漏密钥就意味着任何人都能对消息进行加 密解密。 对称算法的加密和解密表示为： Ek(M)=C Dk(C)=M

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密码系统的模型密码分析者 明文 密文 明文

消息源

加密密钥 安全信道

解密密钥

目的地

密钥源2013-8-10 大连理工大学

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单钥体制(cont.)单钥体制中，加密密钥和解密密钥是相同的 (可互推算),系统的保密性取决于密钥的 安全性。有两大课题：

如何产生满足保密要求的密钥？ 如何将密钥安全可靠地分配给通信对方？ 包括密钥产生、分配、存储、销毁等多方面的问题， 统称密钥管理。2013-8-10 大连理工大学

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发送方与接收方用同一个随机对称密钥进行加密数据和解密数据 对称密钥在使用过一次后就被抛弃。 优点：速度比较快 缺点： 容易被黑客在中间拦截,并解密数据。 不适用于数字签名 密钥每用一次都被抛弃，需要重复的生成密钥，这样对密钥的 管理压力会很大

所有古典密码都属于对称密码

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对称算法可分为两类。 1,一次只对明文中的单个位(有时对字节)运算的算法称 为序列算法或序列密码，流密码。如， Vigenere密码也是流密 码。这种情况下，密钥流就是m值的重复，其中m表示关键字的 大小。 2,对明文的一组位进行运算，这些位组称为分组，相应的 算法称为分组算法或分组密码。现代计算机密码算法的典型分 组长度为64位――这个长度大到足以防止分析破译，但又小到足 以方便作用。

Dk(Ek(M))=M

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流密码模型密钥k

密钥流 产生器密文c流密码体制模型

异或运算

明文m

2013-8-10

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4.1 分组密码概述

分组密码是将明文消息编码表示后的数字(简称明 文数字)序列，划分成长度为n的组(可看成长度 为n的矢量),每组分别在密钥的控制下变换成等 长的输出数字(简称密文数字)序列，

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两个基本设计方法Shannon称之为理想密码系统中，密文的 所有统计特性都与所使用的密钥独立 扩散(Diffusion):明文的统计结构被扩散消失到密文中，,使得明文和密文之间的统计关系尽量复杂

混乱(confusion):使得密文的统计特性与密钥的取值之间的关系尽量复杂 .从而使统计分析攻击不能凑效，如代 替(凯撒密码).

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安全密码的特性

Shannon特性(1949)

所需的保

密程度决定了用于加密和解密过程的 相应的工作量 密钥的组或加密算法应该不受其复杂性的影响 处理的实现应尽可能简单 编码中的错误不应传播及影响后面的消息 加密后正文的尺寸不应大于明文的尺寸

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分组密码：软件实现的设计原则 使用子块和简单的运算 密码运算在子块上进行，要求子块的长度能自然地适应软件编程，如8、16、32比特等。

应尽量避免按比特置换，在子块上所进行的密码运算尽量采用易于软件实现的运算。

最好是用处理器的基本运算，如加法、乘法、移位等。

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分组密码：硬件实现的设计原则 加密和解密的相似性，即加密和解密过程的不同应仅仅在密钥使用方式上，以便采用同样的器件来实现加 密和解密，以节省费用和体积。

尽量采用标准的组件结构，以便能适应于在超大规模集成电路中实现。

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(Data Encryption Standard,DES)

4.2 数据加密标准

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背景 发明人：美国IBM公司 W. Tuchman 和 C. Meyer 1971-1972年研制成功 基础：1967年美国Horst Feistel提出的理论 产生：美国国家标准局(NBS)1973年5月到1974年8月两次发布通告， 公开征求用于电子计算机的加密算法。经评选从一大批算法中采纳 了IBM的LUCIFER方案 标准化：DES算法1975年3月公开发表，1977年1月15日由美国国家标 准局颁布为数据加密标准(Data Encryption Standard),于 1977年7月15日生效

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背景 美国国家安全局(NSA, National Security Agency)参与了美国国家标准局制定数据加密标准的过程。NBS接受了NSA 的某些建议，对算法做了修改，并将密钥长度从LUCIFER方 案中的128位压缩到56位

1979年，美国银行协会批准使用DES 1980年，DES成为美国标准化协会(ANSI)标准 1984年2月，ISO成立的数据加密技术委员会(SC20)在DES基础上制定数据加密的国际标准工作

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4.1 分组密码

4.1.1 Feistel密码结构是密码设计的一个主要原则，而不是一个特殊的 密码。 就是一种分组密码，一般分为64位一组，一组分 左右部分，进行一般为16轮的迭代运算，每次迭 代完后交换左右位置，可以自己进行设计的有: 分 组大小 密钥长度 轮次数 子密钥生成 轮函数

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Feistel加密过程

输入： 长为2w比特的明文分组 密钥k

输出： 长为2w比特的密文分组

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Feistel网络的特点

明文分组分为：L0 ,R0,数据的这两部分通过n次循 环处理后，再结合起来生成密文分组 每i次循环都以上一循环产生的Li-1和Ri-1和K产生的子 密钥Ki 作为输入。一般说来，子密钥Ki 与K不同，相 互之间也不同，它是用子密钥生成算法从密钥生成的

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