[精选]信息安全基础4.pptx
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1、4 对称密钥算法4.1 概述概述4.2 数据加密标准算法数据加密标准算法DES4.3 高级数据加密标准高级数据加密标准AES4.4 联合分组密码联合分组密码4.1 概述n分组密码:向量分组密码:向量x到向量到向量y上的一个映射上的一个映射:x xy y=xx=x0,x1,xN-1,y=y0,y1,yN-1n乘积密码:乘积密码:t个函数密码个函数密码F1,Ft的复合,其的复合,其中每个中每个Fi是一个换位或代替。如转轮机。是一个换位或代替。如转轮机。nLucifer密码的代替密码的代替-移位变换移位变换n乘积密码:代替和简单线性变换来实现混合变换。乘积密码:代替和简单线性变换来实现混合变换。n例
2、:例:ADFGVX乘积密码乘积密码1.先造一个先造一个6*6方阵方阵 A D F G V X A K 2 W R 1 F D 9 B 6 C L 5 F Q 7 J P G X G E V Y 3 A N V 8 O D H 0 2 X U 4 I S T M n明文:明文:P R O D U C T C I P H E R Sn变换代替:变换代替:行标,列标行标,列标 明文明文 P FG 把原来明文的一个字母用把原来明文的一个字母用 R AG 两个字母行、列来代替两个字母行、列来代替n第一次加密密文:第一次加密密文:FG AG VD VF XA DG XV DG XF FG VG GA AG
3、 XG2.移位变换:构造一个移位矩阵移位变换:构造一个移位矩阵,约定一个密钥约定一个密钥n密钥:密钥:DEUTSCHn把第一次加密的密文按行写入把第一次加密的密文按行写入4*7矩阵,前边加上密钥,密钥字母按其在字矩阵,前边加上密钥,密钥字母按其在字母表中出现的次序编号。母表中出现的次序编号。D E U T S C H 2 3 7 6 5 1 4 F G A G V D V F X A D G X V D G X F F G V G G A A G X Gn第二次加密移位法:按密钥字母在字母表中的顺序一列一列写出。第二次加密移位法:按密钥字母在字母表中的顺序一列一列写出。n密文:密文:DXGX
4、FFDG GXGG VVVG VGFG GDFA AAXA 4.2 数据加密标准算法DESn背景背景n算法描述算法描述n算法概述:算法概述:Li=Ri-1Ri=Li-1 fRi-1,KinF函数:函数:nE变换变换n按位异或按位异或nS盒代替盒代替nP变换变换密钥PC-1C0D0循环左移循环左移C1D1PC-2循环左移循环左移C2D2PC-2PC-2循环左移循环左移C16D16K1K2K16密钥变换:n初始变换初始变换IP:在第一圈之前对明文移位:在第一圈之前对明文移位n密钥变换:密钥变换:nPC-1:64位密钥去掉位密钥去掉8的倍数位的倍数位n循环左移:循环左移:56位分成各位分成各28位的
5、两局部,分别循环左移位的两局部,分别循环左移1或或2位位nPC-2:从:从56位中选出位中选出48位,为本圈子密钥位,为本圈子密钥n扩展变换扩展变换E:将右半局部从:将右半局部从32位扩展到位扩展到48位位nS盒代替:对盒代替:对48位中间结果做代替操作。位中间结果做代替操作。n8个小个小S盒,每个有盒,每个有6位输入和位输入和4位输出位输出n设输入为设输入为b1b2b3b4b5b6,则,则b1b6为行号,为行号,b2b3b4b5为列号为列号n例:例:S6的输入的输入110011,行,行113,列,列10019处为处为14,输出为,输出为1110nP变换:换位操作,变换:换位操作,P变换的结果
6、与上一圈的左半变换的结果与上一圈的左半局部异或,成为新的右半局部,开始下一圈局部异或,成为新的右半局部,开始下一圈n逆初始变换逆初始变换IP-1移位移位举例:设M=0 x0123456789abcdef,K=0 xfedcba9876543210,求L1和R1。K:1111111011011100101110101001100001110110010101000011001000010000 64位PC-1K:00001111001100110101010111110101010100110011000011111111 表4.2 56位循环左移:00011110011001101010101
7、111101010101001100110000111111110 56位K1PC-2:111101001111110110011000011001001011011001011010 表4.4 48位M:0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111IPM:1100110000000000110011001111111111110000101010101111000010101010ER0 011110100001010101010101011110100001010101010101ER0K1 1000111
8、01110100011001101000111101010001100001111S盒代替:11000001101000001100100010000100P变换:00010001100001001100000100100101R1:11011101100001000000110111011010L1:n加密过程:加密过程:L0R0IPFOR i=1 TO 16Li Ri-1Ri Li-1 fRi-1,Ki IP-1R16L16n解密过程:解密过程:R16L16 IPFOR i=16 TO 1Ri-1 LiLi-1 Ri fLi,Ki IP-1L0R0nDES的安全性的安全性n弱密钥弱密钥n弱
9、密钥:每一圈的子密钥都相同。共弱密钥:每一圈的子密钥都相同。共4个。个。n半弱密钥:只产生半弱密钥:只产生2种不同的子密钥,每种出现种不同的子密钥,每种出现8次。共次。共12个。个。n可能弱密钥:只产生可能弱密钥:只产生4种不同的子密钥,每种出现种不同的子密钥,每种出现4次。共次。共48个。个。n互补密钥互补密钥n代数结构代数结构n密钥长度密钥长度n圈数圈数nS盒的设计盒的设计练习n1.DES算法中算法中S盒的输入为盒的输入为0 x010101010102,求经过,求经过S盒代盒代替后的输出结果。替后的输出结果。n答案:答案:1110 1001 1001 1101 0010 0000 0010
10、 0010n输入输入:000000 010000 000100 000001 000000 010000 000100 000010S1:0行行0列:列:141110S2:0行行8列:列:91001S3:0行行2列:列:91001S4:1行行0列:列:131101S5:0行行0列:列:20010S6:0行行8列:列:00000S7:0行行2列:列:20010S8:0行行1列:列:200104.3 高级数据加密标准AESn背景背景nAES的数学基础的数学基础nAES加密算法描述加密算法描述nAES解密算法解密算法n算法评价算法评价n结论结论背景n现代计算机速度的迅速提高,使得只有现代计算机速度的
11、迅速提高,使得只有56bit密钥的密钥的DES算法的安全性面临着极大的挑战。算法的安全性面临着极大的挑战。n1997年,年,NIST公开征求公开征求AESAdvanced Encryption Standard作为作为2001年以后的数据加密标准。年以后的数据加密标准。n1998年年8月,月,AES召开第一次候选会,确定召开第一次候选会,确定15个算法入围。个算法入围。n1999年年3月,月,AES召开第二次候选会,有召开第二次候选会,有5个算法入围个算法入围MARS,RC6,Rijndael,Serpent和和Twofish。n2000年年10月,月,NIST选出由比利时的选出由比利时的Jo
12、an Daemen和和Vincent Rijmen提交的提交的Rijndael算法作为算法作为AES。n2001年夏天,年夏天,NIST公布新的信息处理标准公布新的信息处理标准FIPS,将,将Rijndael算法作为算法作为AES。AES的数学基础1n有限域有限域GF28上定义了上定义了4种运算:种运算:“+、“、“X和带系数的多项式乘运算和带系数的多项式乘运算“。n对字节对字节b,用多项式表示为:,用多项式表示为:b7x7+b6x6+b5x5+b4x4+b3x3+b2x2+b1x+b0n“+运算:两个字节相加,相当于字节的每一位简单异运算:两个字节相加,相当于字节的每一位简单异或。或。n例:
13、例:5783d45716=010101112x6+x4+x2+x+18316=100000112 x7+x+15783 x6+x4+x2+x+1+x7+x+1=x7+x6+x4+x2 110101002 d416AES的数学基础2n“运算:选择一个不可约多项式:运算:选择一个不可约多项式:mx=x8+x4+x3+x+1,“运算为两多项式相乘后进行模运算为两多项式相乘后进行模mx的运算。的运算。n例:例:57 83c15716=010101112x6+x4+x2+x+18316=100000112 x7+x+157 83 x6+x4+x2+x+1 x7+x+1 mod x8+x4+x3+x+1=
14、x13+x11+x9+x8+x7+x7+x5+x3+x2+x+x6+x4+x2+x+1 mod x8+x4+x3+x+1=x13+x11+x9+x8+x6+x5+x4+x3+1 mod x8+x4+x3+x+1 x7+x6+1 110000012 c116x13+x11+x9+x8+x6+x5+x4+x3+1 modx8+x4+x3+x+1:x5+x3x8+x4+x3+x+1x13+x11+x9+x8+x6+x5+x4+x3+1x13 +x9+x8+x6+x5x7+x6+1x11+x4+x3+1x11+x7+x6+x4+x3AES的数学基础3n“X运算:运算:b X=b7x8+b6x7+b5x
15、6+b4x5+b3x4+b2x3+b1x2+b0 xn求乘法逆元:因为求乘法逆元:因为mx是是GF28上的不可约多项式,上的不可约多项式,所以对于任意所以对于任意bx,都可以用扩展的,都可以用扩展的Euclid算法求算法求ax,使得,使得 ax bx+cx mx=1 因而因而 ax bx mod mx=1 即即 b1x mod mx=ax,mx=x8+x4+x3+x+1例:求x7+x6+1关于模mxx8+x4+x3+x+1的乘法逆元。辗转相除:辗转相除:x8+x4+x3+x+1 x 7+x 6+1x+1+x 6+x 4+x 3 x 7+x 6+1=x 6+x 4+x 3x+1+x 5+x 3+
16、1x 6+x 4+x 3=x 5+x 3+1 x+x 3+xx 5+x 3+1=x 3+x x 2+1扩展的扩展的Euclid算法:算法:1=x 5+x 3+1 x 3+x x 2 x 5+x 3+1 x 6+x 4+x 3+x 5+x 3+1 x x 2 =x 5+x 3+1 1+x 3+x 6+x 4+x 3 x 2 =x 7+x 6+1+x 6+x 4+x 3x+1 1+x 3+x 6+x 4+x 3 x 2 =x 7+x 6+1 1+x 3+x 6+x 4+x 3 x 4+x 3+x 2+x+1 =x 7+x 6+1 1+x 3+x 8+x 4+x 3+x+1+x 7+x 6+1x+1
17、 x 4+x 3+x 2+x+1 =x 7+x 6+1x 5+x 3 +x 8+x 4+x 3+x+1 x 4+x 3+x 2+x+1 因此,因此,x 7+x 6+11 mod x 8+x 4+x 3+x+1 x 5+x 3 AES的数学基础4n带系数的多项式乘运算带系数的多项式乘运算“:令令ax=a3x3+a2x2+a1x+a0,bx=b3x3+b2x2+b1x+b0,其乘积其乘积 cx=axbx=c6x6+c5x5+c4x4+c3x3+c2x2+c1x+c0其中,其中,c0=a0 b0 c1=a1 b0 a0 b1 c2=a2 b0 a1 b1 a0 b2 c3=a3 b0 a2 b1 a
18、1 b2 a0 b3 c4=a3 b1 a2 b2 a1 b3 c5=a3 b2 a2 b3 c6=a3 b3对对x4+1取模得取模得dx:dx=ax bx=d3x3+d2x2+d1x+d0其中,其中,d0=a0 b0 a3 b1 a2 b2 a1 b3 d1=a1 b0 a0 b1 a3 b2 a2 b3 d2=a2 b0 a1 b1 a0 b2 a3 b3 d3=a3 b0 a2 b1 a1 b2 a0 b3注意:注意:xi mod x4+1=xi mod 4AES加密算法描述n加密算法概述加密算法概述n一圈变换一圈变换n密钥扩展密钥扩展n加密算法描述加密算法描述加密算法概述1nAES算法
19、与以往的基于算法与以往的基于Feistel网的密码如网的密码如DES不同,不同,算法的每一步都是可逆的。算法的每一步都是可逆的。n算法的明文块长可以为算法的明文块长可以为128bit,192bit或或256bit,密钥也,密钥也可以分别为可以分别为128bit,192bit或或256bit。n算法有多圈相同的运算,每一圈包括算法有多圈相同的运算,每一圈包括4个步骤:个步骤:n非线性代替非线性代替S-盒盒n行循环左移行循环左移ShiftRown列混合变换列混合变换MixColumn与扩展密钥相异或与扩展密钥相异或n每一圈的子密钥从扩展密钥中取出每一圈的子密钥从扩展密钥中取出n密钥扩展过程同时应用
20、了非线性变换和循环左移密钥扩展过程同时应用了非线性变换和循环左移n算法定义的所有运算都是在有限域算法定义的所有运算都是在有限域GF28上进行的上进行的加密算法概述2n算法中进行运算的单位包括:算法中进行运算的单位包括:n1个字节个字节n1列列n1行行n用字节数组表示的整个加密块用字节数组表示的整个加密块n加密块数组中,加密块数组中,n可以是可以是3,5,7,所代表的加密块分别表示,所代表的加密块分别表示128bit,192bit和和256bit。ai,ja0,ja1,ja2,ja3,jai,0ai,1ai,3a0,2a0,3a1,2a1,3a2,2a2,3a0,0a0,1a1,0a1,1a2,
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