【文章內容簡介】 管理機制，技術成熟，性能穩(wěn)定，國內自行研制的產品安全可靠、保密強度高，一般用于文件數據加密存儲和傳輸。國外著名的 DES 密碼就是美國政府 1977 年發(fā)布的密鑰長度為 56位的“秘密密鑰體制”的密碼。這種密碼的缺陷是：僅適用于內部的，點對點方式的，事前雙方已知密鑰的兩點之間的加密傳輸，保守密鑰的秘密十分重要，密鑰一旦丟失，整個系統(tǒng)都要立即更換密鑰，否則竊密者將可 能輕而易舉的破解密文 。 隨著近代計算機網絡的發(fā)展，不同部門、不同單位網上交往增多，“單密鑰體制”顯出了它的局限性，人們很難對眾多的部門和單位保管好各自不同的密鑰。西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 7 于是人們又發(fā)明了“公開密鑰體制”或叫“雙密鑰體制”。它是基于一些數學問題而發(fā)明出來的密碼體制，這些數學問題可記為，其中，寫在一起就是，這個公式說明有這樣一種數學運算，它可以將用密鑰 k 加密的密文用密鑰 k’解密 ,國外 1978 年公布的 RSA 密碼就是這種有兩個密鑰的密碼。這種密碼保密強度不如單密鑰體制的密碼，一般用于通信雙方的身份確認和數字 簽名。 在實用的互聯(lián)網絡中，各用戶通過加密傳輸可形成一個虛擬的保密互聯(lián)網。該網要由一個各用戶認可的密鑰管理中心來生成、管理、分發(fā)和銷毀密鑰，同時各用戶可將自己的“公鑰”也存放在密鑰管理中心。各用戶需進行保密通信時，先通過公鑰系統(tǒng)進行身份確認（這個過程中密鑰管理中心可起到仲裁鑒別作用），雙方確認身份后由密鑰管理中心分發(fā)秘密密鑰，雙方用得到秘密密鑰進行數據或文件的加密傳輸。這種工作方式不但適用于黨政機關內部，也同樣適用于電子商務，但電子商務和黨政機關不能使用同一個級別的密碼設備，黨政機關用的是“普密”設備，電子商務只能用“商密”設備，二者的保密強度是不一樣的。 、分組加密算法 DES 介紹 數據加密算法（ Data Encryption Algorithm， DEA）的數據加密標準（ Data Encryption Standard， DES）是規(guī)范的描述，它出自 IBM 的研究工作，并在 1997 年被美國政府正式采納。它很可能是使用最廣泛的秘鑰系統(tǒng)，特別是在保護金融數據的安全中，最初開發(fā)的 DES 是嵌入硬 件中的。通常，自動取款機（ Automated Teller Machine， ATM）都使用 DES。 [8]DES 使用一個 56 位的密鑰以及附加的 8 位奇偶校驗位，產生最大 64 位的分組大小。這是一個迭代的分組密碼，使用稱為 Feistel 的技術，其中將加密的文本塊分成兩半。使用子密鑰對其中一半應用循環(huán)功能，然后將輸出與另一半進行“異或”運算；接著交換這兩半，這一過程會繼續(xù)下去，但最后一個循環(huán)不交換。 DES 使用 16 個循環(huán)。 [9,11] 攻擊 DES 的主要形式被稱為蠻力的或徹底密鑰搜索，即重復嘗試各種密鑰直到有一個符合為止。如果 DES 使用 56 位的密鑰，則可能 的密鑰數量是 2 的 56 次方個。隨著計算機系統(tǒng)能力的不斷發(fā)展， DES 的安全性比它剛出現時會弱得多，然而從非關鍵性質的實際出發(fā)，仍可以認為它是足夠的。 [12] 流程圖如圖 1 所示 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 8 圖 1. DES加密算法結構框圖 次循環(huán)一位 ,其余兩位 Begin(64bit) 密文輸出 逆置換 循環(huán)生成密鑰 Ki（ i=1:16） 初始置換 L0（ 32）， R0（ 32） 初始明文 i=1:64 Li=Ri1 Ri=Li1xorF （ Ri1， Ki） 以字符串形式接收明文，并且轉換成二進制的 ASCII 碼 i=1:16 置換 2，形成 48位子密鑰 K1 形成左右 28 位Ci,Di合并 56 位 F 函數 (32) F（ Ri1， Ki） 64 位初始密鑰 選擇置換 56 C0(28),D0(28) S1~S8(6~4) （ 48~32） s_box Si盒 6 輸入（ b1,b2,b3,b4,b5,b6），4 輸出 (b1,b6 行， b2b3b4b5 列 ) P 置換 p_table() 經過 E 置 換 表e_table()R0（ 32~48） 異或 xor() 輸出轉化 bytetobit() 與 L0 異或 生成 R1 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計（論文） 9 AES 介紹 AES 是美國聯(lián)邦政府采用的商業(yè)及政府數據加密標準，預計將在未來幾十年里代替 DES 在各個領域中得到廣泛應用。 AES提 供 128位密鑰，因此， 128 位 AES的加密強度是 56 位 DES 加密強度的 1021 倍還多。假設可以制造一部可以在 1秒內破解 DES 密碼的機器，那么使用這臺機器破解一個 128位 AES 密碼需要大約149 億萬年的時間。（更深一步比較而言，宇宙一般被認為存在了還不到 200 億年）因此可以預計，美國國家標準局倡導的 AES即將作為新標準取代 DES。 [13,14]常用的對稱加密有： DES、 IDEA、 RC RC SKIPJACK 算法等。 本章主要對對稱加密算法理論作了系統(tǒng)說明，包括密碼原理，分組加密原理重點討 論了對稱加密算法 DES 的基本原理，用原理框圖來詳細說明整個加密流程。 加密算法設計 10 第三章 加密算法設計 數據加密 過程 1. 對于任意長度的明文， DES 首先對其進行分組，使得每一組的長度為 64 位，然后分別對每個 64 位的明文分組進行加密。 2. 初始置換：輸入分組按照初始置換表重排次序，進行初始置換。 3. 16 輪循環(huán)： DES 對經過初始置換的 64 位明文進行 16 輪類似的子加密過程。每一輪的加密過程步驟如下： ① 將 64 位明文在中間分開，劃分為 2 部分，每部分 32 位，左半部分記為 L，右半部分記為 R，以下的操作 都是對右半部數據分進行的。 ② 擴展置換：擴展置換將 32 位的輸入數據根據擴展置換表擴展成為 48 位的輸出數據。 ③ 異或運算：將 48 位的明文數據與 48 位的子密鑰進行異或運算。 ④ S 盒置換： S 盒置換是非線性的， 48 位輸入數據根據 S 盒置換表置換成為 32位輸出數據。 ⑤ 直接置換： S 盒置換后的 32 位輸出根據直接置換表進行直接置換。經過直接置換的 32 位輸出數據作為下一輪子加密過程的 L 部分，這 32 位輸出數據與本輪的 L 部分進行異或操作，結果作為下一輪子加密過程的 R 部分。然后進入下一輪子加密過程，直到 16 輪全部完成。 4. 終結置換：按照終結置換表進行終結置換， 64 位輸出就是密文。 數據加密流程圖如圖 2 所示西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 11 圖 2. 數據加密過程流程圖 明 文 分 組 初始置換 L0 R0 L1=R0 R1=L0○ + f(R0,K1) L15=R14 R15=L14○ + f(R14,K15) L16=R15 R16=L15○ + f(R15,K16) 組成 64 位數據 終結置換 ○ + ○ f ○ + ○ f ○ + ○ f 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 12 在每一輪的子加密過程中， 48 位的明文數據要與 48 位的子密鑰進行異或運算，子密鑰的產生過程如下： 1. 壓縮型換位 1： 64 位密鑰根據壓縮型換位 1 置換表進行置換，輸出的結果為56 位。 2. 將經過壓縮型換位 1 的 56 位密鑰數據在中間分開，每部分 28 位，左 半部分記為 C，右半部分記為 D。 3. 16 輪循環(huán)： C 和 D 要經過 16 輪類似的操作產生 16 份子密鑰，每一輪子密鑰的產生過程如下：循環(huán)左移：根據循環(huán)左移表對 C 和 D 進行循環(huán)左移。循環(huán)左移后的 C 和 D 部分作為下一輪子密鑰的輸入數據，直到 16 輪全部完成。 將 C 和 D 部分合并成為 56 位的數據。 16 位子密鑰生成流程圖如圖 3 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 13 圖 3. 子密鑰生 成流程圖 壓縮型換位 1 初始密鑰輸入 C0 D0 循環(huán)左移 循環(huán)左移 C1 D1 循環(huán)左移 循環(huán)左移 Ci Di 循環(huán)左移 循環(huán)左移 C16 D16 壓縮型換位 2 壓縮型換位 2 壓縮型換位 2 1,2.,3 … 64 1,2.,3 1,2.,3 … 28 … 28 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 14 從輸入密碼中取得一個字符串長為 7 的密碼，經過字符與二進制之間的轉變，并加入偶校驗位，組成 64位密碼 Key= 6463321 kk...kkk 去除 64位密碼中作為奇偶校驗位的第 1 2 3 4 5 64位 ,剩下的 56 位作為有效輸入密鑰。分成均等的 A,B 兩部分 ,每部分為 28 位 ,參照下表把輸入密鑰的位值填入相應的位置 . 按照表所示 A 的第一位為輸入的 64 位密鑰的第 57 位， A的 第 2 位為 64 位密鑰的第 49 位， ...，依此類推， A 的最后一位最后一位是 64位密鑰的第 36 位 。 密鑰初始置換表： A： 57,49,41,33,25,17,9,1,58,50,42,34,26,18, 10,2,59,51,43,35,27,19,11,3,60,52,44,36, B： 63,55,47,39,31,23,15,7,62,54,46,38,30,22, 14,6,61,53,45,37,29,21,13,5,28,20,12,4 次數： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 左移： 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 DES 算法的密鑰是經過 16 次迭代得到一組密鑰的，上表顯示在第幾次迭代時密鑰循環(huán)左移的位數。比如在第 1 次迭代時密鑰循環(huán)左移 1位 ,第 3 次迭代時密鑰循環(huán)左移 2位 . 第 9次迭代時密鑰循環(huán)左移 1位 ,第 14次迭代時密鑰循環(huán)左移 2 位 . 密鑰 56 位到 48 位壓縮置換表： 14, 17, 11, 24, 1, 5, 3, 28, 15, 6, 21, 10, 23, 19, 12, 4, 26, 8, 16, 7, 27, 20, 13, 2, 41, 52, 31, 37, 47, 55, 30, 40, 51, 45, 33, 48, 44, 49, 39, 56, 34, 53, 46, 42, 50, 36, 29, 32 在 步中第 i 次迭代生成的兩個 28 位長的密鑰為 ）（ iA , ）（ iB ）（ iA = 28 )i(27i)3 i2 i1 i AA.. .AAA （）（）（）（ ）（ iB = 28 )i(27i)3 i2 i1 i BB.. .BBB （）（）（）（ 把 ）（）（ ， ii BA 合并以 ）（）（）（ iii B*AC ? 。 西安工業(yè)大學畢業(yè)設計 (論文 ) 15 按照上表所示 k 的第一位為 56 位密鑰的第 14 位， k 的第 2 位為 56位密鑰的第 17 位， ...，依此類推， k 的最后一位是 56 位密鑰的第 32位。生成與進行第 i 次迭代加密的數據進行按位異或的 48 位使用密鑰： 48 )i(47 i3 i2 i1 i32 i29 i11 i17 i14 i( i ) KK. ..KKKCC. ..CCCK ）（）（）（）（）（）（）（）（）（ ?? 迭代 DES 算法密鑰生成需要進行 16 次迭代 ,在完成 16 次 迭代前 ,循環(huán)執(zhí)行 2,3,4 步 .最終形成 16 套加密密鑰 :key[0] , key[1] , key[2] ,? . key[14] , key[15]。 明文數據分成 64位的數據塊，不夠 64位的數據塊以補“ 0”的方