【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是 m的密鑰字，密鑰空間為 26m ? 當(dāng) m=5，密鑰空間所含密鑰的數(shù)量大于 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 47 一次一密 ? 一次一密 是非周期多表代換密碼 ? 使用與明文一樣長(zhǎng)且無重復(fù)的隨機(jī)密鑰來加密明文，并且該密鑰使用一次后就不再使用 ? 一次一密的安全性是取決于密鑰的隨機(jī)性 ? 但產(chǎn)生大規(guī)模隨機(jī)密鑰是一件很困難的事情，目前還沒有很好的辦法來解決這個(gè)問題 ? 密鑰分配也是一個(gè)難點(diǎn)，由于密鑰不允許重復(fù)使用，因此存在大量的密鑰分配問題。 ? 一次一密在實(shí)際中很少使用，主要是用于高度機(jī)密的低帶寬信道 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 48 多字母代換密碼 ? 前面介紹的密碼都是以 單字母 作為代換對(duì)象 ? 多字母代換密碼 每次對(duì) 多個(gè)字母 進(jìn)行代換 ? 多字母代換的優(yōu)點(diǎn)是容易隱藏字母的自然出現(xiàn)頻率，有利于對(duì)抗統(tǒng)計(jì)分析 ? Playfair 密碼 和 Hill 密碼 都是多字母代換密碼 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 49 Playfair 密碼 ? Playfair 密碼是將明文中雙字母音節(jié)作為一個(gè)代換單元 ? Playfair算法是基于一個(gè)由密鑰組成的一個(gè)5 5 階矩陣 ? 假設(shè)密鑰是 monarchy，構(gòu)建矩陣的方法是將密鑰（去掉重復(fù)的字母）從左到右、從上到下填入矩陣中，再將剩余的字母按照字母表的順序依次填入 ? 在該矩陣中，字母 i和 j暫且當(dāng)一個(gè)字母。這樣可以構(gòu)成如下的密鑰矩陣。 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 50 M O N A R C H Y B D E F G I/J K L P Q S T U V W X Z 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 51 Playfair的加密原則 ? 每次以 兩個(gè)字母 為一個(gè)單位進(jìn)行操作。 (1) 如果這兩個(gè)字母一樣，則在中間插入一個(gè)字母 x(事先約定的一個(gè)字母 ), 如“ balloon‖ 變成 “ ba lx lo on‖。 (2) 如果明文長(zhǎng)度不是 2的倍數(shù)，則在最后填入一個(gè)實(shí)現(xiàn)約定的字母 x。如“ table‖變?yōu)椤?ta bl ex‖。 (3) 如果兩個(gè)字母在矩陣的同一行，用它右邊的字母來代替 (最后一個(gè)字母的右邊是第 1個(gè)字母 ), 如“ ar‖ 加密變?yōu)? “ RM‖。 (4) 如果兩個(gè)字母在同一列，用它下面的字母來代替它 (最底下的字母的下一個(gè)是該列第 1個(gè)字母 ), 如“ mu‖ 加密變?yōu)椤?CM‖。 (5) 其他的字母都用它同一行，另一個(gè)字母的同一列相交的字母代替，如 “ hs‖ 加密變?yōu)? “ BP‖, ―ea‖ 變?yōu)? “ IM‖ 或者 “ JM‖ (由加密者自行決定 ) 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 52 Playfair加密舉例 ? 例 假設(shè)密鑰是 cipher，使用Playfair算法加密 Playfair cipher was actually invented by wheatston ? 由密鑰詞 cipher可構(gòu)建密鑰矩陣： ? 將明文按照兩個(gè)字母分組為 pl ay fa ir ci ph er wa sa ct ua lx ly in ve nt ed by wh ea ts to nx ? 則密文為 BS DW RB CA IP HE CF IK QB HO QF SP MX EK ZC MU HF DX YI IF UT UQ LZ C I P H E R A B D F G K L M N O Q S T U V W X Y Z 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 53 Playfair密碼的安全性 ? Playfair密碼的安全性比單表代換密碼提高了許多 ? 雙字母共有 26 x 26 = 676 組合，因此頻率統(tǒng)計(jì)分析表中需要 676 條統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) ? Playfair 密碼中比單表代換更好地隱藏了明文中單字母的結(jié)構(gòu) ? 在第一次世界大戰(zhàn)中被英軍作為最好的密碼系統(tǒng)使用，在第二次世界大戰(zhàn)中也曾經(jīng)被美軍和盟軍大量使用 ? 當(dāng)然現(xiàn)在看來，該密碼的安全性是很低的，它還明文的部分特征，只要給定幾百個(gè)字母的密文情況下，該加密方法就可以破解 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 54 Hill 密碼 ? 該密碼是 1929年由數(shù)學(xué)家 lester Hill發(fā)明的一種多字母代換密碼 ? 加密算法將 m個(gè)明文字母替換成 m個(gè)密文字母 (Hillm密碼表示 m個(gè)明文字母為一組 ) ? 這種代換由 m個(gè)線性方程決定 ? 如果 m=3，則該密碼系統(tǒng)可以表示為： 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 55 ? 用向量或者矩陣表示為： ? 其中 C和 M是長(zhǎng)度為 3的列向量，分別代表密文和明文， K是一個(gè) 3 3的矩陣，代表加密密鑰 ? 運(yùn)算按照模 26執(zhí)行。 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 56 Hillm 密碼加密過程 ? 將明文字母以 m個(gè)字母為單位進(jìn)行分組，若最后一組沒有 m個(gè)字母，則補(bǔ)足沒有任何實(shí)際意義的啞字母（雙方事先可以約定這些字母），并用數(shù)字表示這些字母； ? 選擇一個(gè) m階可逆方陣 K，稱為 Hillm密碼的加密矩陣； ? 對(duì)每 m個(gè)字母為一組的明文字母，用它對(duì)應(yīng)的值構(gòu)成一個(gè) m維向量； ? 計(jì)算密文的值 C=km mod26，然后反查字母表的值，得到對(duì)應(yīng)的 m個(gè)密文字母； ? 同樣明文的其他組的密文。 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 57 置換密碼 ? 代換密碼 是將明文字母用不同的密文字母代替 ? 置換密碼 則保持明文的所有字母不變 ,只是打亂明文字母的位置和次序 ? 置換密碼 實(shí)現(xiàn)方法有很多 .下面介紹一種列置換加密方法 ? 假如用密鑰 work，加密明文 permutation cipher hide the message by rearranging the letter order 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 58 ? 將明文按照密鑰的長(zhǎng)度一行一行地寫成一個(gè)矩陣，然后按照密鑰字母對(duì)應(yīng)的數(shù)值從小到大，按照列讀出即為密文 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 59 ? 在密鑰 work中，字母對(duì)應(yīng)的數(shù)字從小到大排列是 eknortw，按照這個(gè)順序讀出上面矩陣的列即是密文 : EIEHGRGTRAPESEIEDPTHTAANTEUCIEYNEOTIDSRGLRROREERTE MNHMBAHR ? 置換密碼比較簡(jiǎn)單，經(jīng)不起已知明文攻擊 ? 但是置換密碼與代換密碼相結(jié)合，可以得到效果很好的密碼。 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 60 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn) ? 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 (NBS)，即現(xiàn)在的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所 (NIST)于 1973年 5月向社會(huì)公開征集標(biāo)準(zhǔn)加密算法 ? 并公布了它的設(shè)計(jì)要求： 算法必須提供高度的安全性 算法必須有詳細(xì)的說明，并易于理解 算法的安全性取決于密鑰，不依賴于算法 算法適用于所有用戶 算法適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合 算法必須高效、經(jīng)濟(jì) 算法必須能被證實(shí)有效 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 61 ? 1974年 8月 27日 , NBS開始第二次征集， IBM提交了算法 LUCIFER，該算法由 Feistel領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)，采用 64位分組以及 128位密鑰 ? IBM用改版的 Lucifer算法參加競(jìng)爭(zhēng)，最后獲勝，成為數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn) (Data Encryption Standard, DES) ? 1976年 11月 23日，采納為聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)，批準(zhǔn)用于非軍事場(chǎng)合的各種政府機(jī)構(gòu)。 1977年 1月 15日，數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，即 FIPS PUB 46正式發(fā)布 ? DES是分組密碼的典型代表，也是第一個(gè)被公布出來的加密標(biāo)準(zhǔn)算法?，F(xiàn)代大多數(shù)對(duì)稱分組密碼也是基于 Feistel密碼結(jié)構(gòu) 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 62 DES加密過程 ? DES同時(shí)使用了 代換 和 置換 兩種技巧 ? 它用 56位密鑰加密 64位明文，最后輸出 64位密文 ? 整個(gè)過程分為兩大部分組成：一是 加密過程 ，另一是 子密鑰產(chǎn)生過程 ? 圖 DES加密算法簡(jiǎn)圖 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 63 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 64 ? 圖 的處理過程可以分三個(gè)部分 ： (1) 64位明文經(jīng)過初始置換被重新排列，然后分左右兩半，每半各 32位； (2) 左右兩半經(jīng)過 16輪置換和代換迭代，即 16次實(shí)施相同的變換。 然后再左右兩半互換； (3) 互換后的左右兩半合并，再經(jīng)過逆初始置換輸出 64位密文。 ? 圖 則由 56位密鑰，產(chǎn)生 16個(gè) 48位子密鑰，分別供左半邊的 16輪迭代加密使用 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 65 初始置換 ? 初始置換 (Initial Permutation, IP) 是數(shù)據(jù)加密的第1步 ? 將 64位的明文按照?qǐng)D 。置換表中的數(shù)字表示輸入位在輸出中的位置 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 66 ? 置換后將數(shù)據(jù) M分成兩部分：左半部分 L0和右半部分 R0各 32位。劃分方法原則是 偶數(shù)位移到左半部，奇數(shù)位移到右半部，即： 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 67 DES每輪結(jié)構(gòu) ? 上一輪的右邊 Ri1直接變換為下一輪的左邊Li ? 上一輪的左邊 Li1與加密函數(shù) F異或后作為下一輪的右邊 Ri ? 加密函數(shù) F則是上一輪右邊 Ri1和子密鑰 Ki的函數(shù)。即 ? Li = Ri–1 ? Ri = Li–1 ⊕ F(Ri–1, Ki) 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 68 圖 DES每一輪結(jié)構(gòu) Li1 Ri1 Li Ri Ki F + 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 69 ? 加密函數(shù) F 本質(zhì)上是 Ri1和子密鑰 Ki的異或，如圖 ? 但由于它們的位數(shù)不一樣，不能直接運(yùn)算 ? 從上式可以看出加密函數(shù) F是 32位，而 Ri1是 32位，子密鑰 Ki是 48位，因此 Ri1和 Ki不能直接異或 ? DES這樣處理這個(gè)問題，先用擴(kuò)展置換E(如圖 )將 Ri1擴(kuò)展為 48位，與 48位子密鑰異或，輸出 48位，再使用 8個(gè) S盒壓縮成 32位，然后經(jīng)置換函數(shù) P(如圖 )輸出 32位的加密函數(shù) F。 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 70 加密函數(shù) F的計(jì)算過程 Ki (48 bits) Ri1 (32 bits) 48 bits E + S1 S2 S3 S4 S5 S8 S6 S7 F (32 bits) P 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 71 圖 擴(kuò)展置換 E 圖 置換函數(shù) P 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 72 S盒 ? 在加密函數(shù)計(jì)算過程中使用了 8個(gè) S盒 ? S盒 是 DES保密性的關(guān)鍵所在 ? S盒是一種非線性變換，也是 DES中唯一的非線性運(yùn)算 ? S盒有 6 位輸入， 4 位輸出 ? 48位數(shù)據(jù)經(jīng)過 8個(gè) S盒后輸出 32位數(shù)據(jù) ? 每個(gè) S盒 都由 4行 (表示為 0,1,2,3)和 16列(0,1,…,15) 組成，如圖 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 73 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 74 ? 每行都是全部的 16個(gè)長(zhǎng)為 4比特串的一個(gè)全排列 ? 每個(gè)比特串用它對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制整數(shù)表示 ,如 1001用9表示。 ? 對(duì)每個(gè) S盒，將 6位輸入的第一位和最后一位組成一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，用于選擇 S盒中的一行。用中間的 4位選擇 S盒 16列中的某一列，行列交叉處的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)可得到 4位輸出。 ? 例如對(duì)于 S1盒而言 , 如果輸入為 011001，則行是01(十進(jìn)制 1，即 S盒的第 2行 )，列 1100(12，即 S盒的第 13列 )，該處的值是 9，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)為1001，即為該 S盒的輸出 2023/2/25 Ch3(1)對(duì)稱加密技術(shù) 75 DES 子密鑰產(chǎn)生 ? DES加密過程共迭代 16輪，每輪用一個(gè)不同的 48位子密鑰 ? 子密鑰由算法的 56位密鑰產(chǎn)生 ? DES算法的輸入密鑰長(zhǎng)度是 64位，但只用了其中的 56位 ? 如圖 , 圖中無陰影部分，也就是每行的第 8位被忽略，主要用于奇偶校驗(yàn)，也可以是隨意設(shè)置 ? 子密鑰的產(chǎn)生過程