【文章內(nèi)容簡介】 27 19 11 3 61 53 45 37 29 21 13 5 63 55 47 39 31 23 15 7 密鑰變換 擴展置換 S 盒替換 P 盒替換 異或與交換 中北大學 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 11 頁 共 50 頁 （ 2）將上一步的每個 4位塊擴展為 6位塊，即每個 4位塊增加 2 位。這兩位實際上是重復(fù) 4 位塊的第一位和第四位。如圖 所示。 圖 右明文擴展置換過程 可以看出，密鑰變換將 56 位密鑰壓縮成 48位，而擴展置換將 32 位右明文擴展為 48 位?，F(xiàn)在， 48 位密鑰與 48位右明文進行異或運算，將結(jié)果傳遞到下一 步，即 S盒替換。 第 3步： S 盒替換 48 位輸入塊分為 8 個子塊（各有 6 位），每個子塊指定一個 S 盒， S 盒將 6位輸入變成 4位輸出。 8 個 S盒如圖所示： 14 4 13 1 2 15 11 8 3 10 6 12 5 9 0 7 0 15 7 4 14 2 13 1 10 6 12 11 9 5 3 8 4 1 14 8 13 16 2 11 15 12 9 7 3 10 5 0 15 12 8 2 4 9 1 7 5 11 3 14 10 0 6 13 圖 S盒 1 15 1 8 14 6 11 3 4 9 7 2 13 12 0 5 10 3 13 4 7 15 2 8 14 12 0 1 10 6 9 11 5 0 14 7 11 10 4 13 1 5 8 12 6 9 3 2 15 13 8 10 1 3 15 4 2 11 6 7 12 0 5 14 9 圖 S盒 2 10 0 9 14 6 3 15 5 1 13 12 7 11 4 2 8 13 7 0 9 3 4 6 10 2 8 5 14 12 11 15 1 中北大學 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 12 頁 共 50 頁 13 6 4 9 8 15 3 0 11 1 2 12 5 10 14 7 1 10 13 0 6 9 8 7 4 15 14 3 11 5 2 12 圖 S盒 3 7 13 14 3 0 6 9 10 1 2 8 5 11 12 4 15 13 8 11 5 6 15 0 3 4 7 2 12 1 10 14 9 10 6 9 0 12 11 7 13 15 1 3 14 5 2 8 4 3 15 0 6 10 1 13 8 9 4 5 11 12 7 2 14 圖 S盒 4 2 12 4 1 7 10 11 6 8 5 3 15 13 0 14 9 14 11 2 12 4 7 13 1 5 0 15 10 3 9 8 6 4 2 1 11 10 13 7 8 15 9 12 5 6 3 0 14 11 8 12 7 1 14 2 13 6 15 0 9 10 4 5 3 圖 S盒 5 12 1 10 15 9 2 6 8 0 13 3 4 14 7 5 11 10 15 4 2 7 12 9 5 6 1 13 14 0 11 3 8 9 14 15 5 2 8 12 3 7 0 4 10 1 13 11 6 4 3 2 12 9 5 15 10 11 14 1 7 6 0 8 13 圖 S盒 6 4 11 2 14 15 0 8 13 3 12 9 7 5 10 6 1 13 0 11 7 4 9 1 10 14 3 5 12 2 15 8 6 1 4 11 13 12 3 7 14 10 15 6 8 0 5 9 2 6 11 13 8 1 4 10 7 9 5 0 15 14 2 3 12 圖 S盒 7 13 2 8 4 6 15 11 1 10 9 3 14 5 0 12 7 1 15 1 8 10 3 7 4 12 5 6 11 0 14 9 2 7 11 4 1 9 12 14 2 0 6 10 13 15 3 5 8 2 1 14 7 4 10 8 13 15 12 9 0 3 5 6 11 圖 S盒 8 第 4步： P 盒置換 中北大學 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 13 頁 共 50 頁 所有 S 盒的輸出組成 32位塊，對該 32位要進行 P 盒置換。圖 顯示了 P盒置換。 16 7 20 21 29 12 28 17 1 15 23 26 5 18 31 10 2 8 24 14 32 27 3 9 19 13 30 6 22 11 4 25 圖 P盒置換 第 5步：異或與交換 上述所有操作只是處理了 64位明文的右邊 32 位（即右明文），還沒有處理左邊部分（左明文）。這時，最初 64 位明文的打本部分與 P盒置換的結(jié)果進行異或運算，成為新的右明文，并通過交換將舊的右明文變成新的左明文，如圖 所示。 圖 異或與交換 （ 4）最終置換 16 輪結(jié)束后，進行最終置換（只一次），即按圖 。最終置換的輸出就是 64 位加密塊。 40 8 48 16 56 24 64 32 39 7 47 15 55 23 63 31 38 6 46 14 54 22 62 30 37 5 45 13 53 21 61 29 XOR 32 位左明文塊 32 位右明文塊 32 位左明文塊 32 位右明文塊 盒置換 盒置換 下一輪 中北大學 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 14 頁 共 50 頁 36 4 44 12 52 2 60 28 35 3 43 11 51 19 59 27 34 2 42 10 50 18 58 26 33 1 41 9 49 17 57 25 圖 最終置換 DES 加密算法也適用于解密，各個表的值和操作及其順序是經(jīng)過精心選擇的，使這個算法可逆。加密與解密過程的唯一差別是密鑰部分倒過來。如果原先的密鑰 K分解為 K K K??、 K16，用于 16 輪 加密，則解密密鑰應(yīng)為 K1 K1K1??、 K1。 (3)DES 算法的優(yōu)缺點 對于 DES 而言，人們所熟知的是它的長度不夠長，雖說它的密碼號稱 64位，實際上起作用的只有 56位，這在人們的印象中密鑰長度是短了些。隨著計算機技術(shù)的蓬勃發(fā)展，專用芯片的速度越來越快，造價也越來越便宜，專用設(shè)備的造價也大大地降低。這些都對 DES 算法造成了嚴重的威脅。與此同時，這些新技術(shù)的出現(xiàn)也大大地提高了 DES 算法的運算速度，對大數(shù)據(jù)量信息的處理帶來了許多的便捷。事實上，目前對 DES 算法最有效的攻擊仍然是窮舉搜索法，對于大數(shù)信息而言，就算是有第三者花費大量的人力物力財力對 DES 算法進行攻擊，仍然需要相當長的時間才能破譯，而大部分信息也僅僅是在某段時間范圍內(nèi)才是有效的。總而言之， DES 算法以及同類的對稱加密算法，缺點是密鑰相對較短，優(yōu)點是加密速度相當?shù)目臁Ｋ赃@類對稱加密算法依然在數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域具有重要的地位。 非對稱密鑰加密算法 非 對稱密鑰加密算法 簡介 1976 年，美國學者 Dime 和 Henman 為解決信息密鑰公開傳送和管理問題，提出一種新的密鑰交換協(xié)議，允許在不安全的媒體上的通訊雙方交換信息，安全地達成一致的 密鑰，這就是“公開密鑰系統(tǒng)”。相對于“對稱加密算法”這種方法也叫做“非對稱加密算法”。與對稱加密算法不同，非對稱加密算法需要兩個密鑰：公開密鑰（ publickey）和私有密鑰（ privatekey）。公開密鑰與私有密鑰是一對，如果用公開密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，只有用對應(yīng)的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對數(shù)據(jù)進行加密，那么只有用對應(yīng)的公開密鑰才能解密。因為加密和解密使用的是兩個不同的密鑰，所以這種算法叫做非對稱加密算法 [20]。 非對稱加密算法實現(xiàn)機密信息交換的基本過程是：甲方生成一對密鑰并將其中北大學 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 15 頁 共 50 頁 中的一把作為公用 密鑰向其它方公開；得到該公用密鑰的乙方使用該密鑰對機密信息進行加密后再發(fā)送給甲方；甲方再用自己保存的另一把專用密鑰對加密后的信息進行解密。甲方只能用其專用密鑰解密由其公用密鑰加密后的任何信息。 非對稱加密算法的保密性比較好，它消除了最終用戶交換密鑰的需要，但加密和解密花費時間長、速度慢，它不適合于對文件加密而只適用于對少量數(shù)據(jù)進行加密。經(jīng)典的非對稱加密算法如 RSA算法安全性都相當高。非對稱加密的典型應(yīng)用是數(shù)字簽名。 RSA 算法 （ 1） RSA 算法簡介 RSA 公鑰加密算法是 1977 年由 Ron Rivest、 Adi Shamirh 和 LenAdleman 在（美國麻省理工學院）開發(fā)的。 RSA 取名來自開發(fā)他們?nèi)叩拿帧?RSA 是目前最有影響力的公鑰加密算法，它能夠抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊，已被 ISO推薦為公鑰數(shù)據(jù)加密標準。 RSA 算法基于一個十分簡單的數(shù)論事實：將兩個大素數(shù)相乘十分容易，但那時想要對其乘積進行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰 [21]。 （ 2） RSA 加密原理 下面是 RSA 生成私鑰和公鑰，并用其進行加密和解密的過程。 ① 選擇兩個大素數(shù) P、Q。 ② 計算QPN ??。 ③ 選擇一個公鑰（即加密密鑰） E，使其不是? ?1P與? ?1Q的因子。 ④ 選擇私鑰（即解密密鑰） D，滿足下列條件： ? ? ? ? ? ? 111m o d ????? QPED ⑤ 加密時，從明文 PT計算密文CT如下： NPTCT E m od? ⑥將密文 發(fā)送給接收方。 ⑦解密時，從密文CT計算明文 PT如下： NCTPT D m od? 中北大學 2020 屆畢業(yè) 設(shè)計說明書 第 16 頁 共 50 頁 下面是一個示例： ① 取71Q,47P ?? ② 得33377147QPN ????? ③ 求出? ? ? ? ? ? ? ? 32201711471Q1P ???? 3220 的因子為 23 因此， E不能有因子 ，不能選擇 4（因為 2是它的因子），15（因為 5 是它的因子）， 14（因為 2與 7是它的因子）， 63（因為 3是它的因子） 假設(shè)選擇 為 79（也可以選擇其他值，只要沒有因子 23） ④ 將 E、 P與Q的值代入公式， 得到? ? ? ? ? ? 1171147mod79D ??? 即? ? ? ? 13220mod79D ?? 經(jīng)過計算，取1019D?則： ? ? ? ? 12080501mod323220mod791019 ???，滿足要求。 ⑤ 假 設(shè)要加密明文 688，則157079688mod3 337CT ?? ⑥ 將密文 1570 發(fā)送給接收方 ⑦ 解密時，計算如下： NCTPT D m od? 即 6883337m od1570 1 0 1 9 ??PT RSA 算法中的計算問題： ① RSA 的加密與解密過程 RSA 的加密、解密過程都為求一 個整數(shù)的整數(shù)次冪，再取模。如果按其含義直接計算，則中間結(jié)果非常大，有可能超出計算機所允許的整數(shù)取值范圍。而用模運算的性質(zhì)：n n)]mod mod (bn) mod [(an b)mod(a ??? 就可減小中間結(jié)果再者，考慮如何提高加、解密運算中指數(shù)運算的有效性。例如求 x16，直接計算的話需做 15 次乘法。然而如果重復(fù)對每個部分結(jié)果做平方運算即求 x， x2， x4， x8， x16 則只需 4 次乘法。 ② RSA 密鑰的產(chǎn)生 中北大學