分组密码和数据加密标准

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第三章分组密码和数据加密标准主讲人：王弈 Email:wangyi@

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内容提要 分组密码的原理 数据加密标准DES DES的强度 差分分析和线性分析 分组密码的设计原理

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分组密码的原理 分组密码–是一种加/解密算法，将输入的明文分组当 做一个整体处理，输出一个等长的密文分组。

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分组密码的原理 Feistel密码结构的设计动机– n比特明文M(n) → n比特密文C(n)

↑映射/代换的总数 2n! ≈n×2n 具有上述代换个数的分组密码称为理想分组密码 – 映射/ 代换本身就是密钥，当n的规模不大时(如n =4,密钥长度为64bit),密钥规模很大n×2n,在 实际中使用大规模分组的任意可逆代换密码是不可 行的(理想分组密码在实际中难以实现)。 – Feistel提出在实际中所需的分析密码体制应该是对 理想分组密码的一种近似体制。 – Feistel密码是对理想分组密码的近似。4

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图示：n=3时，一个n位到n位的分组密码BOX Sn=3 0 2n=8 0 1 2n=8 0 1 2 3 4 5 6 75

1

Transformer

Transformer

2 3 4 5 6 7

0

1

1

1

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Feistel密码 大多数传统分组加密算法都采用Feistel密 码结构，包括DES在内。 Feistel建议使用乘积密码来增强密码的强 度。

Feistel建议交替使用代换和置换，增强密 码的扩散和混淆性能。6

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香农理论 1949 混淆Confusion– 尽可能使密文和加密密钥之间的关系变得复杂，以 阻止攻击者发现密钥。

扩散Diffusion– 让每个明文数字尽可能地影响多个密文数字，使明 文的统计特性消散在密文中。

乘积密码Product Cipher– 在单个加密机制中依次使用两个或两个以上不同类 型的基本密码(如：代换和置换),所得结果的密 码强度将强于每个单个密码的强度。7

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代换-置换网络BOX Sn=3 0 2n=8 0 1 2n=8 0 1 2 3 4 5 6 7 1

1 0 0

BOX P

0 0 0 0 0 0 1 0

Transformer

Transformer

2 3 4 5 6 7

01

0

0 0 0

1

1

0

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代换-置换网络K1 S11 S 21 S 31 S 41

K2 S12 S 22 S 32 S 42

K3

……9

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Feistel密码结构 Feistel网络的实现依赖于以下参数的选择和特 征： 分组长度–分组越长意味着安全性越高(其他参数不变),但 是会降低加/解密的速度。 –安全性的增加来自于更好的扩散性能。

密钥长度–密钥越长意味着更高的安全性，但是会降低加/解 密的速度。 –安全性的l增加来自于更好的抗穷举攻击能力和更好 的混淆性能。

迭代轮数–单轮加密不能提供足够的安全性，而多轮加密可取 得很高的安全性10

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Feistel密码结构 子密钥生成算法–子密钥生成算法越复杂，密码分析攻击就越困难。

轮函数–轮函数越复杂，抗击密码分析的攻击能力就越强。

快速软件加/

解密–算法的执行速度是一个很受关注的指标。

简化分析难度–尽管希望设计的算法能提高密码分析攻击的难度， 但是算法本身的简洁明了有助于对其本身脆弱性的 分析，从而设计出更强的算法。11

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Feistel网络结构

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Feistel密码结构 加密Li = Ri-1 Ri = Li-1 ⊕ f(Ri-1, Ki)

解密Li-1 = Ri ⊕ f(Li, ki) Ri-1 = Li

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数据加密标准DESDES的产生 1973年5月15日, NBS开始公开征集标准加密算 法,并公布了它的设计要求: (1)算法必须提供高度的安全性 (2)算法必须有详细的说明,并易于理解 (3)算法的安全性取决于密钥,不依赖于算法 (4)算法适用于所有用户 (5)算法适用于不同应用场合 (6)算法必须高效、经济 (7)算法必须能被证实有效 (8)算法必须是可出口的15

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DES的产生(续) 1974年8月27日, NBS开始第二次征集,IBM 提交了算法LUCIFER,该算法由IBM的 工程师在1971~1972年研制。 1975年3月17日, NBS公开了全部细节 1976年,NBS指派了两个小组进行评价 1976年11月23日，采纳为联邦标准，批准 用于非军事场合的各种政府机构 1977年1月15日,“数据加密标准”FIPS PUB 46发布16

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DES的应用 1979年，美国银行协会批准使用 1980年，美国国家标准局(ANSI)赞同DES作 为私人使用的标准,称之为DEA(ANSI X.392) 1983年，国际化标准组织ISO赞同DES作为国 际标准，称之为DEA-1 该标准规定每五年审查一次，计划十年后采用 新标准 最近的一次评估是在1994年1月，已决定1998年 12月以后，DES将不再作为联邦加密标准。17

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示 意 图

DES

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DES描述 DES利用56比特串长度的密钥K来加密长度为 64位的明文，得到长度为64位的密文。