常规加密的现代技术.ppt

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1、第3章 常规加密的现代技术,内容要点：加密分类分组密码的设计原则和操作方式常规加密的现代技术常规加密算法,第3章 常规加密的现代技术,3.1 流密码3.2 分组密码3.3 数据加密标准3.4 常规加密的算法,第3章 常规加密的现代技术,3.1 流密码3.2 分组密码3.3 数据加密标准3.4 常规加密的算法,3.1 流密码,按对明文的处理方法，加密可分为：流密码（stream cipher）分组密码（block cipher）,3.1 流密码,流密码的概念又称序列密码。每次加密一位或一字节的明文。流密码是手工和机械时代的主流 序列密码主要应用于军事和外交场合。序列密码的优点是错误扩展小、速度快

2、、利于同步、安全程度高,3.1 流密码,流密码和分组密码的区别在于记忆性,无记忆元件加密器,K,yj=EKj(xj)，kj=f（k，sj）分组密码,y=Ek(x)流密码,有记忆元件加密器,K,图3-1 分组密码和流密码的加密方式,3.1 流密码,图3-2 流密码框图,Ci=Pi Ki,+,Pi=Ci Ki,+,3.1 分组密码,分组密码的概念将明文分为固定长度的组，用同一密钥和算法对每一块加密，输出也是固定长度的密文。优点：易标准化，容易实现同步缺点：不能隐蔽数据模式，不能抵抗组的重放、嵌入和删除等攻击,3.2.1 分组密码的设计原则,针对安全性的一般设计原则 混乱 扩散针对实现的设计原则软件

3、设计原则硬件设计原则,3.2.2 分组密码的操作方式,电子密码本ECB(electronic codebook mode)密码分组链接CBC(cipher block chaining)密码反馈CFB(cipher feedback)输出反馈OFB(output feedback),3.2.2 分组密码的操作方式,电子密码本ECB,ECB的特点,简单和有效可以并行实现不能隐藏明文的模式信息 相同明文生成相同密文，同样信息多次出现造成泄漏对明文的主动攻击是可能的 信息块可被替换、重排、删除、重放误差传递：密文块损坏仅对应明文块损坏适合于传输短信息,密码分组链接CBC,CBC的特点,没有已知的并行

4、实现算法能隐藏明文的模式信息 需要共同的初始化向量IV 相同明文生成不同密文 初始化向量IV可以用来改变第一块对明文的主动攻击是不容易的 信息块不容易被替换、重排、删除、重放 误差传递：密文块损坏两明文块损坏安全性好于ECB适合于传输长度大于64位的报文，还可以进行用户鉴别,是大多系统的标准如 SSL、IPSec,密码反馈CFB,CFB:分组密码流密码假定：Si 为移位寄存器,传输单位为jbit 加密:Ci=Pi(EK(Si)的高j位)Si+1=(Sij)|Ci 解密:Pi=Ci(EK(Si)的高j位)Si+1=(Sij)|Ci,密码反馈CFB加密,Ci=Pi(EK(Si)的高j位);Si+1

5、=(Sij)|Ci,密码反馈CFB解密,Pi=Ci(EK(Si)的高j位);Si+1=(Sij)|Ci,DESDecrypt,DESDecrypt,DESDecrypt,CFB的特点,没有已知的并行实现算法隐藏了明文模式需要共同的移位寄存器初始值IV对于不同的消息，IV必须唯一误差传递：一个单元损坏影响多个单元,输出反馈OFB,OFB:分组密码流密码假定：Si 为移位寄存器,传输单位为jbit 加密:Ci=Pi(EK(Si)的高j位)Si+1=(Sij)|(EK(Si)的高j位)解密:Pi=Ci(EK(Si)的高j位)Si+1=(Sij)|(EK(Si)的高j位),输出反馈OFB加密,Ci=P

6、i(EK(Si)的高j位);Si+1=(Sij)|(EK(Si)的高j位),输出反馈OFB解密,Pi=Ci(DK(Si)的高j位);Si+1=(Sij)|(DK(Si)的高j位),DESDecrypt,DESDecrypt,DESDecrypt,0FB的特点,没有已知的并行实现算法隐藏了明文模式需要共同的移位寄存器初始值IV对于不同的消息，IV必须唯一误差传递：一个单元损坏只影响对应单元对明文的主动攻击是可能的 信息块可被替换、重排、删除、重放安全性较CFB差,3.3 数据加密标准(DES),提供高质量的数据保护具有相当高的复杂性不依赖于算法的保密，其安全性仅以加密密钥的保密位基础实现经济，运

7、行有效，适用于多种不同的应用,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,背景,美国国家安全局（NSA,National Security Agency

8、)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DES1980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,DES概述,分组加密算法：明文和密文为64位分组长度对称算法：加密和解密除密钥编排不同外，使用同一算法密钥长度：56位，但每个第8位为奇偶校验位，可忽略密钥可为任意的56位数，但存在弱密钥，容易避开采用混乱和扩散的组合，每个组合先替代后置换，共16轮只使用了标准

9、的算术和逻辑运算，易于实现,DES加密算法的一般描述,DES加密过程,DES的一轮迭代,DES加密过程,令i表示迭代次数，表示逐位模2求和，f为加密函数,DES解密过程,令i表示迭代次数，表示逐位模2求和，f为加密函数,DES中的各种置换、扩展和替代,初始置换IP和初始逆置换IP1,IP和IP1,IP,IP1,扩展置换-盒32位扩展到48位,扩展,压缩替代S-盒48位压缩到32位,共8个S盒,S-盒1,S-盒2,S-盒3,S-盒4,S-盒5,S-盒6,S-盒7,S-盒8,S-盒的构造,S-盒的构造,DES中其它算法都是线性的，而S-盒运算则是非线性的S-盒不易于分析，它提供了更好的安全性所以S

10、-盒是算法的关键所在,DES中的子密钥的生成,DES的一轮迭代,两重DES,解密,解密,双重DES解密逻辑,三重DES,解密,解密,解密,密钥长度的争论 DES的破译,DES的安全性,DES密钥长度,关于DES算法的另一个最有争议的问题就是担心实际56比特的密钥长度不足以抵御穷举式攻击，因为密钥量只有 256（1017）个 早在1977年，Diffie和Hellman已建议制造一个每秒能测试100万个密钥的VLSI芯片。每秒测试100万个密钥的机器大约需要一天就可以搜索整个密钥空间。他们估计制造这样的机器大约需要2000万美元,DES密钥长度,在CRYPTO93上，Session和Wiener

11、给出了一个非常详细的密钥搜索机器的设计方案，这个机器基于并行运算的密钥搜索芯片，所以16次加密能同时完成。花费10万美元，平均用1.5天左右就可找到DES密钥美国克罗拉多洲的程序员Verser从1997年2月18日起，用了96天时间，在Internet上数万名志愿者的协同工作下，成功地找到了DES的密钥，赢得了悬赏的1万美元,DES密钥长度,1998年7月电子前沿基金会（EFF）使用一台25万美圆的电脑在56小时内破译了56比特密钥的DES1999年1月RSA数据安全会议期间，电子前沿基金会用22小时15分钟就宣告破解了一个DES的密钥,破译DES,1990年，以色列密码学家Eli Biham

12、和Adi Shamir提出了差分密码分析法，可对DES进行选择明文攻击线性密码分析比差分密码分析更有效,DES软硬件实现的速度,硬件实现商业DES芯片或者FPGA实现目前可支持1.5Gbps以上的加解密速度软件实现80486,CPU 66Hz,每秒加密43000个DES分组,336K Bytes/sHP 9000/887,CPU 125 Hz,每秒加密196,000个分组,1.53M Bytes/s,IDEA算法,1990年，Xuejia Lai（赖学家）,James Massey,International Data Encryption Algorithm设计原则：不同代数群的混合运算“依

13、我看来，该算法是目前一公开的最好和最安全的分组密码算法”应用密码学，p226目前已经最为PGP的一部分加密算法由8轮迭代运算和最后的变换函数组成首先将64位,IDEA算法,分组长度64bits,密钥长度128bits同一算法即可以加密，也可用于解密只需要简单的混合运算异或模216加模2161乘（可以看出IDEA的S-盒）软件实现IDEA比DES快两倍安全性：弱密钥有251,1/277 赢得彩票头等奖并在同一天被闪电杀死的可能性1/255,IDEA的概略步骤,3.4.2.4 IDEA子密钥的产生过程,密钥长度为128位，共使用53组16位长的子密钥。方法：移位。,IDEA子密钥的产生过程,例如：

14、密钥K=10010011 01010001 10010011 10101110 01010001 0100100111001001 10010011 01001011 11100111 01100110 1010011111100101 10100101 00110100 10001011第一轮K1（1）=10010011 01010001 K2（1）=10010011 10101110 K3（1）=01010001 01001001 K4（1）=11001001 10010011 K5（1）=01001011 11100111 K6（1）=01100110 10100111K1（2）=111

15、00101 10100101 K2（2）=00110100 10001011,IDEA子密钥的产生过程,第二轮K3（2）=01011100 10100010 K4（2）=10011011 10010011 K5（2）=00100110 10010111 K6（2）=11001110 11001101 K1（3）=01001111 11001011 K2（3）=01001010 01101001K3（3）=00010111 00100110 K4（3）=10100011 00100111,3.4.2.5 IDEA解密算法,与加密过程基本一样，使用相同的运算逻辑，但每轮迭代使用的子密钥不同解密子密

16、钥是加密子密钥的乘法逆或加法逆,表3-2 IDEA加、解密子密钥,3.4.3 RC5算法,RSA公司的Rivest于1994年提出的新型分组密码可变的字长、可变的加密轮数、可变的密钥长度使用处理器上初等操作，适合于硬件和软件实现没有复杂运算，加密速度快对不同字长的处理器具有较好的适应性,3.4.3.1 RC5的参数,例如 RC5-32/12/16 表示一个特定的RC5算法，具有32比特的字长、加密和解密运算包含12轮运算，密钥的长度为16字节。RC5的安全性与参数的选择有很重要的关系（参数的选择决定了算法的复杂程度），Rivest建议把RC5-32/12/16作为“指定”版本使用。,3.4.3.2 RC5的算法过程,组成：加密过程、解密过程、密钥扩展过程基本运算：模2w加法运算，用“+”表示；,