《網(wǎng)絡(luò)信息安全》第34講

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1、第 2章 密 碼 技 術(shù) 2.1 密 碼 學(xué) 基 本 概 念2.2 古 典 密 碼2.3 對(duì) 稱 密 碼 2.1 密 碼 學(xué) 基 本 概 念 1、 密 碼 學(xué) 密 碼 學(xué) 是 研 究 如 何 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 據(jù) 加 密 的 學(xué) 科 ， 密 碼 學(xué) 包 括 兩 方 面內(nèi) 容 ， 即 密 碼 編 碼 學(xué) 和 密 碼 分 析 學(xué) 。 將 數(shù) 據(jù) 保 密 的 技 術(shù) 和 科 學(xué) 叫做 密 碼 編 碼 學(xué) ， 與 此 對(duì) 應(yīng) 的 是 破 譯 密 文 的 技 術(shù) 和 科 學(xué) 叫 做 密 碼 分析 學(xué) 。 利 用 加 密 技 術(shù) 的 通 信 過(guò) 程 如 圖 2-1所 示 。 圖 2-1 加 密 和 解 密 2.

2、1 密 碼 學(xué) 基 本 概 念 2、 加 密 算 法 與 解 密 算 法 在 利 用 加 密 技 術(shù) 的 通 信 過(guò) 程 中 ， 消 息 m被 稱 為 明 文 (plaintext)。對(duì) 需 要 保 密 的 消 息 進(jìn) 行 編 碼 的 過(guò) 程 稱 為 加 密 ， 編 碼 的 規(guī) 則 稱 為 加密 算 法 ， 被 加 密 的 消 息 稱 為 密 文 (ciphertext)， 而 把 密 文 轉(zhuǎn) 變 為 明文 的 過(guò) 程 稱 為 解 密 ， 解 密 的 規(guī) 則 稱 為 解 密 算 法 。 圖 2-1 加 密 和 解 密 2.1 密 碼 學(xué) 基 本 概 念 2、 密 碼 算 法 密 碼 算 法 是

3、 用 于 加 密 和 解 密 的 數(shù) 學(xué) 函 數(shù) ， 如 果 密 碼 算 法 的 保密 性 是 基 于 算 法 的 保 密 ， 這 種 算 法 稱 為 受 限 制 的 算 法 ， 按 照 現(xiàn) 在的 安 全 標(biāo) 準(zhǔn) ， 它 們 的 保 密 性 已 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 不 夠 ， 現(xiàn) 代 密 碼 學(xué) 采 用 密 鑰 來(lái)解 決 這 個(gè) 問(wèn) 題 ， 密 鑰 用 K來(lái) 表 示 (如 圖 2-2所 示 )。 加 密 算 法 和 解 密算 法 通 常 在 一 對(duì) 密 鑰 (K)的 控 制 下 進(jìn) 行 ， 分 別 稱 為 加 密 密 鑰 和 解密 密 鑰 。 圖 2-2 有 密 鑰 的 加 密 和 解 密 2.1 密 碼

4、 學(xué) 基 本 概 念 3、 密 碼 系 統(tǒng) 一 個(gè) 現(xiàn) 代 密 碼 系 統(tǒng) (體 制 )包 括 所 有 可 能 的 明 文 、 密 文 、 密鑰 、 加 密 算 法 和 解 密 算 法 ， 所 有 這 些 算 法 的 安 全 性 都 基 于 密 鑰 的安 全 性 ， 而 不 是 基 于 算 法 的 細(xì) 節(jié) 的 安 全 性 。 這 就 意 味 著 算 法 可 以公 開(kāi) ， 即 使 竊 聽(tīng) 者 知 道 你 的 算 法 也 沒(méi) 有 關(guān) 系 ， 如 果 他 不 知 道 你 使用 的 具 體 密 鑰 ， 就 不 可 能 閱 讀 到 你 的 消 息 。 2.1 密 碼 學(xué) 基 本 概 念 3、 密 碼 系

5、 統(tǒng) 密 碼 系 統(tǒng) 根 據(jù) 密 鑰 可 以 分 為 兩 類(lèi) ， 即 為 對(duì) 稱 密 鑰 系 統(tǒng) 和 公 鑰系 統(tǒng) 。 對(duì) 稱 密 鑰 系 統(tǒng) 就 是 加 密 密 鑰 能 夠 從 解 密 密 鑰 中 推 算 出 來(lái) ，反 過(guò) 來(lái) 也 成 立 。 在 大 多 數(shù) 對(duì) 稱 算 法 中 ， 加 /解 密 密 鑰 是 相 同 的 。 公鑰 系 統(tǒng) 又 稱 公 開(kāi) 密 鑰 系 統(tǒng) 或 非 對(duì) 稱 密 鑰 系 統(tǒng) ， 有 兩 個(gè) 密 鑰 ， 一 個(gè)是 公 開(kāi) 的 ， 用 K1表 示 ， 誰(shuí) 都 可 以 使 用 ， 也 叫 加 密 密 鑰 ； 另 一 個(gè) 是私 人 密 鑰 ， 用 K2來(lái) 表 示 ， 只 能

6、 由 采 用 此 系 統(tǒng) 的 人 自 己 掌 握 ， 也 叫解 密 密 鑰 。 從 公 開(kāi) 的 密 鑰 推 不 出 私 人 密 鑰 。 2.2 古 典 密 碼 1 代 替 密 碼 (1) 單 表 代 替 密 碼 又 可 以 稱 為 單 字 母 密 碼 ： 就 是 明 文 的 一 個(gè) 字 符 用 相 應(yīng) 的 一 個(gè) 密 文 字 符 代 替 。 著 名 的 愷撒 密 碼 就 是 一 種 簡(jiǎn) 單 的 代 替 密 碼 。 其 加 密 原 理 就 是 每 一 個(gè) 明 文 字符 都 由 其 右 邊 第 3個(gè) 字 符 代 替 ， 那 么 3就 是 這 個(gè) 算 法 的 密 鑰 ， 即 A由 D代 替 ， B由

7、 E代 替 ， ， W由 Z代 替 ， X由 A代 替 ， Y由 B代 替 ，Z由 C代 替 。 若 明 文 為 student， 則 對(duì) 應(yīng) 的 密 文 為 VWXGHQW(此 時(shí)密 鑰 為 3)。 愷 撒 密 碼 僅 有 26個(gè) 可 能 的 密 鑰 ， 非 常 的 不 安 全 。 2.2 古 典 密 碼 1 代 替 密 碼 (1) 單 表 代 替 密 碼 又 可 以 稱 為 單 字 母 密 碼 ： 由 于 英 文 字 母 中 各 字 母 出 現(xiàn) 的 頻 率 有 明 顯 的 固 有 特 征 ， 而 單表 代 替 密 碼 沒(méi) 有 把 明 文 中 的 不 同 字 母 的 出 現(xiàn) 頻 率 掩 蓋

8、起 來(lái) ， 因 此根 據(jù) 字 母 頻 率 表 可 以 很 容 易 對(duì) 替 換 密 碼 進(jìn) 行 破 譯 。 代 替 密 碼 是 對(duì)所 有 的 明 文 字 母 都 用 一 個(gè) 固 定 的 代 替 密 碼 進(jìn) 行 加 密 ， 故 也 叫 單 表代 替 密 碼 。 為 了 防 止 字 母 頻 率 分 析 攻 擊 ， 隨 后 產(chǎn) 生 了 多 表 代 替 密碼 和 多 字 母 代 替 密 碼 。 2.2 古 典 密 碼 1 代 替 密 碼 (2) 多 表 代 替 密 碼 ： 由 Leon Battista在 1568年 發(fā) 明 ， 在 美 國(guó) 南北 戰(zhàn) 爭(zhēng) 中 由 聯(lián) 軍 使 用 。 比 較 著 名 的

9、多 表 代 替 密 碼 是 1858年 法 國(guó) 密碼 學(xué) 家 維 吉 尼 亞 設(shè) 計(jì) 的 以 移 位 替 代 為 基 礎(chǔ) 的 一 種 周 期 替 代 密 碼 ， 稱 為 維 吉 尼 亞 密 碼 （ Vigenre） 。 維 吉 尼 亞 密 碼 有 多 個(gè) 單 字 母 密鑰 ， 每 一 個(gè) 密 鑰 被 用 來(lái) 加 密 一 個(gè) 明 文 字 母 。 第 一 個(gè) 密 鑰 加 密 明 文的 第 一 個(gè) 字 母 ， 第 二 個(gè) 密 鑰 加 密 明 文 的 第 二 個(gè) 字 母 ， 等 等 。 在 所有 密 鑰 用 完 后 ， 密 鑰 又 再 循 環(huán) 使 用 ， 其 中 密 鑰 的 長(zhǎng) 度 就 是 密 碼 的

10、周 期 ， 在 古 典 密 碼 學(xué) 中 ， 密 碼 周 期 越 長(zhǎng) 越 難 破 譯 。 2.2 古 典 密 碼 1 代 替 密 碼 (2) 多 表 代 替 密 碼 ： 例 如 ， 明 文 為 system， 密 鑰 為 dog， 加 密過(guò) 程 如 下 ： 其 中 ， 密 鑰 字 母 a、 b、 c、 d、 .、 x、 y、 z對(duì) 應(yīng) 的 數(shù) 字 為 ： 0、 1、2、 3、 .、 24、 25。 密 鑰 字 母 d對(duì) 應(yīng) 數(shù) 字 3， 所 以 明 文 字 母 s在 d作 用 下右 移 3位 ， 得 到 密 文 字 母 v， 明 文 字 母 y在 o作 用 下 右 移 14位 可 以 得 到 密

11、文 字 母 m， 依 次 類(lèi) 推 。 解 密 時(shí) ， 密 文 字 母 在 密 鑰 字 母 的 作 用 下 向 前 移 位即 可 得 到 對(duì) 應(yīng) 的 明 文 字 符 。明 文 ： s y s t e m密 鑰 ： d o g d o g密 文 ： v m g w r s 多 表 代 替 密 碼 結(jié) 果 將 使 得 對(duì) 單 表 代 替 用 的 字 母 簡(jiǎn) 單 頻 率 分 析 方 法 失 效 ， 但使 用 計(jì) 算 機(jī) 可 以 輕 易 破 譯 具 有 很 長(zhǎng) 周 期 的 代 替 密 碼 。 2.2 古 典 密 碼 1 代 替 密 碼 (3) 多 字 母 代 替 密 碼 ： 在 前 面 介 紹 的 兩

12、種 算 法 中 ， 明 文 中 的每 一 個(gè) 字 符 都 是 以 單 個(gè) 字 母 作 為 代 替 的 對(duì) 象 ， 如 果 用 多 于 一 個(gè) 字母 代 替 明 文 字 符 就 是 多 字 母 代 替 密 碼 ， 它 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 容 易 將 字 母 的頻 率 隱 藏 ， 從 而 抗 擊 字 母 統(tǒng) 計(jì) 分 析 。 這 種 密 碼 首 先 是 由 Playfair在1854年 發(fā) 明 的 ， 另 外 一 個(gè) 使 用 相 對(duì) 較 多 的 多 字 母 代 替 密 碼 例 子 是Hill密 碼 ， 但 這 類(lèi) 密 碼 由 于 加 密 過(guò) 于 復(fù) 雜 而 且 不 是 非 常 安 全 ， 因此 未 能

13、廣 泛 應(yīng) 用 。 2.2 古 典 密 碼 2 換 位 密 碼 在 換 位 密 碼 中 ， 明 文 的 字 母 數(shù) 保 持 相 同 ， 但 相 互 之 間 的 順 序被 打 亂 了 。 在 簡(jiǎn) 單 的 縱 行 換 位 密 碼 中 ， 明 文 以 固 定 的 寬 度 水 平 寫(xiě)在 一 張 圖 表 紙 上 ， 密 文 按 垂 直 方 向 讀 出 ， 解 密 就 是 將 密 文 按 相 同的 寬 度 垂 直 地 寫(xiě) 在 圖 表 紙 上 ， 然 后 水 平 地 讀 出 明 文 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 1 對(duì) 稱 密 碼 簡(jiǎn) 介 如 果 一 個(gè) 加 密 系 統(tǒng) 的 加 密 密 鑰 和 解 密 密 鑰

14、 相 同 ， 或 者 雖 然 不相 同 ， 但 是 由 其 中 的 任 意 一 個(gè) 可 以 很 容 易 地 推 導(dǎo) 出 另 一 個(gè) ， 則 該系 統(tǒng) 所 采 用 的 就 是 對(duì) 稱 密 碼 體 制 。 對(duì) 稱 密 碼 體 制 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 具 有 很高 的 保 密 強(qiáng) 度 ， 可 以 達(dá) 到 經(jīng) 受 較 高 級(jí) 破 譯 力 量 的 分 析 和 攻 擊 。 但它 的 密 鑰 必 須 通 過(guò) 安 全 可 靠 的 途 徑 傳 遞 ， 密 鑰 管 理 成 為 影 響 系 統(tǒng)安 全 的 關(guān) 鍵 性 因 素 ， 使 它 難 以 滿 足 系 統(tǒng) 的 開(kāi) 放 性 要 求 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 1 對(duì)

15、稱 密 碼 簡(jiǎn) 介 對(duì) 稱 密 碼 體 制 根 據(jù) 對(duì) 明 文 加 密 方 式 的 不 同 而 分 為 分 組 密 碼 和流 密 碼 (又 叫 序 列 密 碼 )。 序 列 密 碼 一 次 只 對(duì) 明 文 中 的 單 個(gè) 位 (有 時(shí)也 對(duì) 字 節(jié) )加 /解 密 ， 對(duì) 輸 入 元 素 進(jìn) 行 連 續(xù) 處 理 ， 同 時(shí) 產(chǎn) 生 連 續(xù) 單個(gè) 輸 出 元 素 。 而 分 組 密 碼 是 先 按 一 定 長(zhǎng) 度 如 64字 節(jié) 、 128字 節(jié) 等對(duì) 明 文 進(jìn) 行 分 組 ， 然 后 以 組 為 單 位 進(jìn) 行 加 /解 密 ， 一 次 處 理 一 塊 輸入 明 文 ， 每 個(gè) 輸 入 塊

16、生 成 一 個(gè) 輸 出 塊 ， 各 分 組 分 別 在 密 鑰 的 控 制下 變 換 成 等 長(zhǎng) 度 的 密 文 分 組 。 現(xiàn) 代 計(jì) 算 機(jī) 加 /解 密 典 型 分 組 長(zhǎng) 度 為64位 ， 這 個(gè) 分 組 不 僅 有 防 止 分 析 破 譯 的 足 夠 強(qiáng) 度 ， 又 可 以 方 便 使用 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 數(shù) 據(jù) 加 密 標(biāo) 準(zhǔn) (DES， Data Encryption Standard)是 一 種 最 通 用的 計(jì) 算 機(jī) 加 密 算 法 ， 屬 于 分 組 密 碼 的 一 種 。 1973年 5月 美 國(guó) 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) 局 (NBS， Nation

17、al Bureau of Standyards)公 布 了 一 則 公 告 ， 征 求 國(guó) 家 密 碼 標(biāo) 準(zhǔn) 方 案 。 1975年 3月 NBS公 布了 IBM公 司 提 供 的 密 碼 算 法 ， 以 標(biāo) 準(zhǔn) 建 議 的 形 式 在 全 國(guó) 范 圍 內(nèi) 征求 意 見(jiàn) 。 在 經(jīng) 過(guò) 大 量 公 開(kāi) 討 論 之 后 ， 該 密 碼 算 法 于 1977年 1月 15日 正 式 被 批 準(zhǔn) 為 美 國(guó) 聯(lián) 邦 信 息 處 理 標(biāo) 準(zhǔn) ， 并 授 權(quán) 在 非 密 級(jí) 的 政 府通 信 中 使 用 ， 同 年 7月 15日 生 效 。 發(fā) 明 人 ： IBM公 司 W. Tuchman 和 C.

18、 Meyer 1971-72年 研 制 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 在 1977年 ， 人 們 估 計(jì) 要 耗 資 兩 千 萬(wàn) 美 元 才 能 建 成 一 個(gè) 專 門(mén) 計(jì)算 機(jī) 用 于 DES的 解 密 ， 而 且 需 要 12個(gè) 小 時(shí) 的 破 解 才 能 得 到 結(jié) 果 。 1997年 開(kāi) 始 ， RSA公 司 發(fā) 起 了 一 個(gè) 稱 作 “ 向 DES挑 戰(zhàn) ” 的 競(jìng)技 賽 。 1997年 1月 ， 用 了 96天 時(shí) 間 ， 成 功 地 破 解 了 用 DES加 密 的 一段 信 息 ； 一 年 之 后 ， 在 第 二 屆 賽 事 上 ， 這 一 記 錄 41天 ；

19、 1998年 7月 ， “ 第 2-2屆 DES挑 戰(zhàn) 賽 （ DES Challenge II-2） ” 把 破 解 DES的時(shí) 間 縮 短 到 了 只 需 56個(gè) 小 時(shí) ； “ 第 三 屆 DES挑 戰(zhàn) 賽 （ DES Challenge III） ”把 破 解 DES的 時(shí) 間 縮 短 到 了 只 需 22.5小 時(shí) 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 DES是 一 個(gè) 分 組 加 密 算 法 ， 以 64位為 分 組 對(duì) 數(shù) 據(jù) 加 密 。 64位 一 組 的 明 文 從算 法 的 一 端 輸 入 ， 64位 的 密 文 從 另 一 端輸 出 。 DES是 一 個(gè) 對(duì) 稱

20、算 法 ： 加 密 和 解 密都 用 同 一 個(gè) 算 法 (除 密 鑰 編 排 不 同 )。 密 鑰長(zhǎng) 度 也 是 64位 ， 其 中 每 個(gè) 第 8位 都 用 作 奇 偶校 驗(yàn) ， 因 此 實(shí) 際 有 效 密 鑰 長(zhǎng) 度 為 56位 ， 是 可以 任 意 改 變 的 56位 數(shù) 。 DES算 法 是 公 開(kāi) 的 ，其 安 全 性 依 賴 于 密 鑰 的 保 密 程 度 。 64位 碼 64位 碼初 始 變 換逆 初 始 變 換乘 積 變 換16次 迭 代明 文密 文 輸 入輸 出IPIP-1 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 先 進(jìn) 行 64位 的 明 文 分 組 操 作 ， 將 該

21、分 組 用 初 始 置 換 IP進(jìn) 行 置 換 ， 得 到 一 個(gè)亂 序 的 64位 明 文 分 組 ， 然 后 將 分 組 分 成左 、 右 等 長(zhǎng) 的 兩 邊 ， 各 為 32位 長(zhǎng) ， 記 作L0和 R0。 在 進(jìn) 行 16輪 完 全 類(lèi) 似 的 迭 代 運(yùn)算 后 (其 中 F是 在 運(yùn) 算 過(guò) 程 中 將 數(shù) 據(jù) 與 密鑰 結(jié) 合 在 一 起 的 函 數(shù) )， 把 所 得 到 的 左 、右 長(zhǎng) 度 相 等 的 兩 半 L 16和 R16交 換 ， 從 而得 到 64位 數(shù) 據(jù) R16L16， 最 后 再 用 初 始 逆置 換 (IP 1)進(jìn) 行 置 換 ， 可 以 得 到 64位 密文

22、 分 組 。 加 密 算 法 過(guò) 程 如 圖 2-3所 示 。 圖 2-3 加 密 算 法 過(guò) 程 1） DES算 法 描 述 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 初 始 置 換 是 在 第 一 輪 迭代 前 執(zhí) 行 ， 對(duì) 輸 入 64位 分 組實(shí) 現(xiàn) 如 圖 所 示 變 換 。 此 圖 順序 為 從 上 到 下 ， 從 左 到 右 。例 如 ， 初 始 置 換 把 明 文 的 第58位 換 到 第 一 位 ， 把 50位 換 到 第 二 位 ， 以 次 類(lèi) 推 。 2） 初 始 置 換 IP 輸 入 （ 64位 ）58 50 42 34 26 18 10 260 52 44 36 2

23、8 20 12 462 54 46 38 30 22 14 664 56 48 40 32 24 16 857 49 41 33 25 17 9 159 51 43 35 27 19 11 361 53 45 37 29 21 13 563 55 47 39 31 23 15 7輸 出 （ 64位 ）L0（ 32位 ） R0（ 32位 ） 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 產(chǎn) 生 子 密 鑰 Ki， 如 果 不 考 慮 每 一 個(gè) 字節(jié) 的 第 八 位 (即 校 驗(yàn) 位 )， DES的 密 鑰可 以 由 64位 減 少 到 56位 。 在 DES加 密算 法 中 ， 將 用 戶 提 供

24、 的 64位 初 始 密 鑰經(jīng) 過(guò) 一 系 列 的 處 理 得 到 K 1、 K2、 、K16， 分 別 作 為 1 16輪 運(yùn) 算 的 16個(gè) 子密 鑰 。 先 將 64位 密 鑰 去 掉 8個(gè) 校 驗(yàn) 位 ，用 密 鑰 置 換 (圖 2-5)剩 下 的 56位 密 鑰 ； 圖 2-5 密 鑰 置 換 表 3） 密 鑰 處 理 密 鑰 置 換 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 再 將 56位 分 成 兩 個(gè) 部 分 ， 各 28位 ， 然 后 根 據(jù) 輪 數(shù) (圖 2-6)， 這兩 部 分 分 別 循 環(huán) 左 移 1位 或 2位 。 圖 2-6 密 鑰 每 輪 移 動(dòng) 的 位 數(shù) 3

25、） 密 鑰 處 理 每 輪 移 動(dòng) 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 移 動(dòng) 后 ， 將 兩 部 分 合 并 成 56位 再 通 過(guò) 壓 縮 置 換 (如 圖 2-7所 示 )，從 而 得 到 48位 子 密 鑰 。 這 樣 經(jīng) 過(guò) 16次 運(yùn) 算 就 可 以 得 到 迭 代 運(yùn) 算 所 需 的 16個(gè) 48位 子 密 鑰 。 圖 2-7 壓 縮 置 換 3） 密 鑰 處 理 合 并 與 壓 縮 置 換 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 F函 數(shù) 是 由 數(shù) 據(jù) 擴(kuò) 展 、 與 子 密 鑰 的 異 或 運(yùn) 算 、 S盒 代 替 、 P盒置 換 組 成 ， 輸 入 是 由 32位

26、 數(shù) 據(jù) 和 48位 的 子 密 鑰 組 成 ， 下 面 分 別 介紹 這 幾 種 運(yùn) 算 。 4） F函 數(shù) 簡(jiǎn) 介 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 數(shù) 據(jù) 擴(kuò) 展 也 可 以 稱 為 E盒 擴(kuò) 展 (如 圖 2-8)， 此 運(yùn) 算 將 數(shù) 據(jù) 的 右 半 部 分Ri從 32位 擴(kuò) 展 到 48位 ， 可 以 產(chǎn) 生 與 密 鑰 同 長(zhǎng) 度 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 異 或 運(yùn) 算 ，同 時(shí) 也 可 以 使 輸 入 的 一 位 影 響 兩 個(gè) 替 換 ， 從 而 使 輸 出 對(duì) 輸 入 的 依 賴 性傳 播 得 更 快 。 圖 2-8 擴(kuò) 展 置 換 E 4） F函 數(shù) 簡(jiǎn) 介 數(shù) 據(jù)

27、擴(kuò) 展 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 異 或 ， 就 是 將 擴(kuò) 展 后 的 48位 輸 出 數(shù) 據(jù) E(Ri)和 壓 縮 后 的 子 密鑰 Ki作 異 或 運(yùn) 算 。 4） F函 數(shù) 簡(jiǎn) 介 擴(kuò) 展 后 的 48位 數(shù) 據(jù) E(Ri) 壓 縮 后 的 子 密 鑰 Ki 異 或 運(yùn) 算 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 S盒 代 替 ， 就 是 將 異 或 得 到的 48位 結(jié) 果 分 成 八 個(gè) 6位 的 塊 ，每 一 塊 作 為 每 個(gè) S盒 的 輸 入 ， 同時(shí) 每 個(gè) S盒 產(chǎn) 生 一 個(gè) 4位 的 輸 出 ，這 樣 8個(gè) S盒 就 可 以 產(chǎn) 生 32位 的 輸出

28、 (如 圖 2-9所 示 )。 對(duì) 于 每 一 個(gè) S i， 由 6位 輸 入中 的 第 1和 第 6位 組 成 的 二 進(jìn) 制 數(shù)確 定 Si的 行 ， 中 間 其 余 的 4位 二進(jìn) 制 數(shù) 用 來(lái) 確 定 Si的 列 。 Si中 相應(yīng) 的 行 、 列 位 置 的 十 進(jìn) 制 數(shù) 的 4位 二 進(jìn) 制 數(shù) 用 來(lái) 作 為 輸 出 。 4） F函 數(shù) 簡(jiǎn) 介 S盒 代 替 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 例 如 ， 右 圖 中 S2的 輸 入 為101001， 則 行 數(shù) 和 列 數(shù) 的 二 進(jìn) 制數(shù) 分 別 表 示 11和 0100， 即 十 進(jìn) 制數(shù) 下 的 第 3行 和 第

29、4列 ， 而 在 S盒 2中 第 3行 第 4列 的 十 進(jìn) 制 數(shù) 為 11，用 4位 二 進(jìn) 制 數(shù) 表 示 為 1011， 所以 S2的 輸 出 為 1011， 從 而 可 以 用 值 1011代 替 101001。4） F函 數(shù) 簡(jiǎn) 介 S盒 代 替 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 P置 換 ， 即 將 S盒 代 替 運(yùn) 算 后 的 32位 輸 出 按 照 P盒 表 (如 圖 2-10)進(jìn) 行 置 換 ， 該 置 換 把 每 輸 入 位 對(duì) 應(yīng) 到 輸 出 位 上 ， 任 何 一 位 不 能 被置 換 二 次 ， 也 不 能 被 忽 略 。 例 如 ， 將 第 29位 移 動(dòng)

30、 到 第 5位 處 ， 而把 第 5位 移 動(dòng) 到 第 13位 處 ， 以 次 類(lèi) 推 。 圖 2-10 P盒 置 換 4） F函 數(shù) 簡(jiǎn) 介 P盒 置 換 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密 初 始 逆 置 換 是 初 始 置 換 的 逆 過(guò) 程 ， 就 是 將 最 后 一 輪 迭 代 所 得 64位數(shù) 據(jù) R16L16用 初 始 逆 置 換 IP 1(如 圖 2-11)進(jìn) 行 置 換 ， 產(chǎn) 生 64位 密 文 分 組 。 圖 2-11 初 始 逆 置 換 IP-1 5） 初 始 逆 置 換 IP 1 圖 2-4 初 始 置 換 表 IP 例 如 ， 第 58位 經(jīng) 過(guò) 初 始 置

31、換 后 ， 處 于 第 1位 ， 而 通 過(guò)逆 置 換 ， 又 將 第 1位 換 回 到 第 58位 ?？?見(jiàn) 輸 入 組 m和 IP (IP-1 (m) 是 一 樣 的 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 2 DES加 密6） DES解 密 ， 明 文 雖 然 經(jīng) 過(guò) 許 多 輪 的 代 替 、 置 換 、 異 或 和 循 環(huán) 移 動(dòng)之 后 ， 產(chǎn) 生 對(duì) 應(yīng) 的 密 文 ， 但 由 于 經(jīng) 過(guò) 精 心 選 擇 各 種 操 作 ， 因 此 加 密和 解 密 可 以 使 用 相 同 的 算 法 ， 惟 一 不 同 的 是 各 輪 密 鑰 使 用 的 次 序 相反 ， 比 如 各 輪 加 密 密 鑰 分

32、 別 是 K1、 K2、 K3、 K16， 那 么 ， 解 密 密 鑰就 是 K16、 K15、 K3、 K2、 K1。7） DES工 作 模 式 有 四 種 ： 電 子 密 本 (ECB)， 密 碼 分 組 鏈 接 (CBC)，密 文 反 饋 (CFB)和 輸 出 反 饋 (OFB)。 這 四 種 模 式 中 ECB方 式 比 較 簡(jiǎn) 單 ，也 最 容 易 受 到 攻 擊 ， 但 在 流 行 的 商 業(yè) 軟 件 中 ， 仍 然 是 最 常 用 的 方 式 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 3 DES算 法 中 的 關(guān) 鍵 函 數(shù) 設(shè) 計(jì) 1) 函 數(shù) F的 設(shè) 計(jì) 函 數(shù) F的 基 本 功 能 就

33、 是 “ 擾 亂 (confusion)”輸 入 ， 因 此 ， 對(duì) 于 F來(lái) 說(shuō) ， 其非 線 性 越 高 越 好 ， 也 就 是 說(shuō) ， 要 恢 復(fù) F所 做 的 “ 擾 亂 ” 操 作 越 難 越 好 。 其 他 的 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 還 包 括 嚴(yán) 格 雪 崩 準(zhǔn) 則 (SAC)和 比 特 獨(dú) 立 準(zhǔn) 則 (BIC)。 所 謂SAC， 就 是 要 求 算 法 具 有 良 好 的 雪 崩 效 應(yīng) ， 輸 入 當(dāng) 中 的 一 個(gè) 比 特 發(fā) 生 變 化 都 應(yīng)當(dāng) 使 輸 出 產(chǎn) 生 盡 可 能 多 的 比 特 變 化 。 嚴(yán) 格 地 說(shuō) ， 就 是 當(dāng) 任 何 單 個(gè) 輸 入 比 特 位 i

34、發(fā) 生 變 換 時(shí) ， 一 個(gè) S盒 的 第 j比 特 輸 出 位 發(fā) 生 變 換 的 概 率 應(yīng) 為 1/2， 且 對(duì) 任 意 的i, j都 應(yīng) 成 立 。 BIC的 意 思 是 當(dāng) 單 個(gè) 輸 入 比 特 位 i發(fā) 生 變 化 時(shí) ， 輸 出 比 特 位 j, k的 變 化 應(yīng) 當(dāng) 互 相 獨(dú) 立 ， 且 對(duì) 任 意 的 i, j, k均 應(yīng) 成 立 。 SAC和 BIC可 以 有 效 地增 強(qiáng) F函 數(shù) 的 “ 擾 亂 ” 功 能 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 3 DES算 法 中 的 關(guān) 鍵 函 數(shù) 設(shè) 計(jì) 2) S盒 設(shè) 計(jì) S盒 的 設(shè) 計(jì) 在 對(duì) 稱 分 組 密 碼 研 究 領(lǐng) 域

35、 中 起 著 舉 足 輕 重 的 作 用 。 本 質(zhì) 上 ， S盒 的 作 用 就 是 對(duì) 輸 入 向 量 進(jìn) 行 處 理 ， 使 得 輸 出 看 起 來(lái) 更 具 隨 機(jī) 性 ， 輸 入 和 輸出 之 間 應(yīng) 當(dāng) 是 非 線 性 的 ， 很 難 用 線 性 函 數(shù) 來(lái) 逼 近 。 顯 然 ， S盒 的 尺 寸 是 一 個(gè) 很重 要 的 特 性 。 S盒 越 大 ， 越 容 易 抵 制 差 分 和 線 性 密 碼 分 析 。 在 實(shí) 踐 當(dāng) 中 ， 通 常選 擇 n在 8 10之 間 。 P盒 用 P盒 構(gòu) 成 的 S盒譯碼器 編碼器 2.3 對(duì) 稱 密 碼 3 DES算 法 中 的 關(guān) 鍵 函

36、 數(shù) 設(shè) 計(jì) 2) S盒 設(shè) 計(jì) S 盒 是 DES 的 最 敏 感 部 分 ， 其 原 理 至 今 未 公 開(kāi) 。 人 們 擔(dān) 心 S 盒 隱 藏陷 門(mén) ， 使 得 只 有 他 們 才 可 以 破 譯 算 法 ， 但 研 究 中 并 沒(méi) 有 找 到 弱 點(diǎn) 。 美國(guó) 國(guó) 家 安 全 局 透 露 了 S 盒 的 幾 條 設(shè) 計(jì) 準(zhǔn) 則 ：u所 有 的 S 盒 都 不 是 它 輸 入 的 線 性 仿 射 函 數(shù) 。 就 是 沒(méi) 有 一 個(gè) 線 性 方 程 能將 四 個(gè) 輸 出 比 特 表 示 成 六 個(gè) 比 特 輸 入 的 函 數(shù) 。u改 變 S 盒 的 1 位 輸 入 ， 輸 出 至 少 改

37、變 2 位 。 這 意 味 著 S 盒 是 經(jīng) 過(guò) 精 心設(shè) 計(jì) 的 ， 它 最 大 程 度 上 增 大 了 擴(kuò) 散 量 。uS 盒 的 任 意 一 位 輸 出 保 持 不 變 時(shí) ， 0 和 1 個(gè) 數(shù) 之 差 極 小 。 即 如 果 保 持 一 位 不 變 而 改 變 其 它 五 位 ， 那 么 其 輸 出 0 和 1 的 個(gè) 數(shù) 不 應(yīng) 相 差 太 多 。 2.3 對(duì) 稱 密 碼 3 DES算 法 中 的 關(guān) 鍵 函 數(shù) 設(shè) 計(jì) 2) S盒 設(shè) 計(jì) Mister和 Adams提 出 了 很 多 的 S盒 設(shè) 計(jì) 原 則 ， 其 中 包 括 要 求 S盒 滿 足 SAC和BIC的 原 則

38、， 以 及 S盒 的 所 有 列 的 全 部 線 性 組 合 應(yīng) 當(dāng) 滿 足 一 類(lèi) 稱 為 Bent函 數(shù) 的高 度 非 線 性 布 爾 函 數(shù) 的 原 則 。 Bent函 數(shù) 具 有 很 多 有 趣 的 特 性 ， 其 中 ， 高 度 非 線性 和 最 高 階 的 嚴(yán) 格 雪 崩 準(zhǔn) 則 對(duì) 于 S盒 的 設(shè) 計(jì) 尤 為 重 要 。 Nyberg提 出 了 以 下 幾 種 S盒 的 設(shè) 計(jì) 和 實(shí) 踐 原 則 ： (1) 隨 機(jī) 性 ： 采 用 某 些 偽 隨 機(jī) 數(shù) 發(fā) 生 器 或 隨 機(jī) 數(shù) 表 格 來(lái) 產(chǎn) 生 S盒 的 各 個(gè) 項(xiàng) 。 (2) 隨 機(jī) 測(cè) 試 ： 隨 機(jī) 選 擇 S盒 各 個(gè) 項(xiàng) ， 然 后 按 照 不 同 準(zhǔn) 則 測(cè) 試 其 結(jié) 果 。 (3) 數(shù) 學(xué) 構(gòu) 造 ： 根 據(jù) 某 些 數(shù) 學(xué) 原 理 來(lái) 產(chǎn) 生 S盒 。 其 好 處 就 是 可 以 根 據(jù) 數(shù) 學(xué)上 的 嚴(yán) 格 證 明 來(lái) 抵 御 差 分 和 線 性 密 碼 分 析 ， 并 且 可 以 獲 得 很 好 的 擴(kuò) 散 特 性 。 習(xí) 題 2.1 簡(jiǎn) 述 密 鑰 加 密 的 基 本 原 理 。 2.2 比 較 對(duì) 稱 加 密 和 公 鑰 加 密 的 異 同 。 2.3 將 字 符 串 “ network and information security” 用 愷撒 密 碼 加 密 。