【正文】 硬件實現(xiàn)的設(shè)計原 則 : 加密和解密的相似 性 ， 即 加密和解密過程應(yīng)該僅僅在 密鑰的使用方 式 不 同 ， 以便同樣的器件既可以加密又可以解密。 輪迭代而實 現(xiàn) ， 充分利用簡單輪函數(shù)和非線性運算。 主流的分組密碼都采用迭代加密的方 式 ， 整個加密過程由初始置換 1PCk，x) ， r 輪的輪加密函數(shù) f Ck， x) 和末置換 FP Ck， x) 組成。一般的迭代加密算法結(jié)構(gòu)如圖 2. 2 所示。 1P， f，和 FP 的逆函數(shù)分別記作 : 1P飛 f吁日 FP飛 滿足 1Pl Ck， 1P(k， x)) =1 FPl Ck， FP(k， x)) =1 Cfk ， f(k， x)) =1 式 中 ， 1為 恒 等 變換。初始置換和末置換可以是依 賴 于 子密鑰的置換，也可以是不依 賴 于 子 密鑰的 置換。J kr Kr+l 密鑰擴(kuò)展 算 法 圖 分組密碼的工作模式 一般的選代分組密碼算法的結(jié)構(gòu) 分組密碼是實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)的 一 個 基本構(gòu)件。為了將分組密碼算法應(yīng) 用 于 實 際 ， 人 們定義了很 多 工 作模式。 1. 4. 1 電子密碼本 ECB 電子密碼本是最簡單的操作模 式 ， 將輸入明文消息分成 64 位塊，然后單獨加 密每個塊。解密時將接收到的數(shù)據(jù)分成 64 位 塊 ， 利用與加密相同的密鑰解密每個 塊 ， 得到相應(yīng)的明文塊。 密文塊鏈接 CBC 密文塊鏈接模式保證即使輸入中的明文塊重復(fù)，這些明文塊也會在輸出中得 到不同的密文。每塊密文不僅與相應(yīng)的當(dāng)前輸入明文塊相關(guān)， 而 且與前面的所有明文塊相關(guān)。密文塊鏈接 模 式的加密過 程如圖 如示。設(shè)對明 文進(jìn)行 s 位分組的 CFB 中，加密函數(shù)的輸入是一 個 b 位的移位寄存 器 ， 這個移位 寄 存 器被初始化為一個初始化向量 IV。同 時 ， 移位寄存器的值向左移 s 位 ， 且用 Cl替換寄存器的最右邊的 s 位。 CFB 的加 /解 密過程如圖 和圖 所示。其加密模式如圖 所示。 AES 密碼學(xué)中的高級加密標(biāo)準(zhǔn) CAdvanced Encryption Standard， AES) ， 又稱 Rijndael 加密 法 ， 為比利時密碼學(xué)家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 所設(shè) 計 ， 結(jié) 合兩位作者的名 字 ， 以 R i jndael 命名。 這種算法是美國聯(lián)邦政府采用的區(qū)塊加密標(biāo) 準(zhǔn) ， 這個標(biāo)準(zhǔn)用來替代原先的 DES， 已 經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。 RC6 算法 6 本科生畢業(yè)設(shè) 計 (論文 ) RC6 算法所示 RSA 公司提交給 NIST 競選 AES 的一個候選算 法 ， 它是在 RC5 的 基礎(chǔ)上設(shè)計的。 RC6 繼 承 了 RC5 的優(yōu) 點 ， 為了滿足 NIST 的要求，即分組長度為 128b i t， RC6 使用了 4 個寄存 器 ， 并使用 32bit 的整數(shù)模乘運 算 ， 用 于 加強(qiáng)擴(kuò)散特性 。一般情況下 令 w=32， r=20， b =16 C24， 32) 。其目的是為 用戶提供更好的安全通信方 式 ， 同時允許政府為了國家安全監(jiān)聽某些通信。 Ski pjack 是一個蜜月長度為 80bit， 分組長度為 64b i t， 32 輪的分組密碼。 CameI I ia 算法 2021 年 NTT 和 Mi tsubishi 電 子 攻速聯(lián)合向 NESSIE 提交了 Camellia 算 法 ， 其 設(shè)計目標(biāo)類 似 AES 的要 求 ， 即分組長度 是 128bit， 并支 持 128b i t、 192b i t 及256bit3 種規(guī)模的密鑰長 度 : 比三重 DES 快而且至少和三重 DES 一 樣 安全 。 在本論文 中 ， 我們主要研究的是 DES 算法和 AES 算法。 20 世紀(jì) 60 年代后 期 ， IBM 成立了一個由 Horst Feistel 負(fù)責(zé)的計算機(jī)密碼學(xué) 研究項目組， 并 于 1971 年設(shè)計出 Lucifer 算法 。因為 Lucifer 算 法 非 常成 功 ， 由 Wal ter Tuchman 和 Carl Meyer 06 負(fù) 責(zé) ， 在 IBM 公司的研 究 人 員和 NSA 的技 術(shù)顧問支持 下 ， 給出了 Lucifer 的一個 修訂 版 ， 他抗密碼分析能力更強(qiáng)而其密鑰長度減小為 56 位，更適合單片機(jī)環(huán)境使 用。作為該計劃的一部 分 ， 決定開發(fā)一個單獨的標(biāo)準(zhǔn)密碼算法 。 IBM 將 TuchmanMeyer 方案提交給 NBS，它 是所有的應(yīng)征方案中最好的一 個 ， 于 是道 1977 年 ， NBS 將它采納為數(shù)據(jù)加密標(biāo) 準(zhǔn) ， 即 DES。 DES 是一個分組密碼算 法 ， 分組長度為 64 位 ， 即對數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密的單位是 64 位 ， 明文和密文的長度相同 。 對 于 任何分組密碼算法，總有兩個輸 入 :明文和密鑰 。如表 2. 1 所 示 ， 藍(lán)色字體部分表示奇偶校驗位。 圖 2. 1 左半部分 16 次法代 運算為 DES 的加密過 程 ， 其主要有 3 個階 段 : (1) 64 位的明文經(jīng)過初始置換 OP) 而被重新排 列 ， 并將其分成左右兩個分 組 Lo和 Ro， 各 32位 : (2) 在密鑰的參與 下 ， 對左右兩個分組進(jìn)行 16 輪相同輪函數(shù)的迭 代 ， 每輪 法代都有置換和代 換 ， 最后一輪法代的輸出為 64 位 ， 是左半部分和右半部分互換 產(chǎn)生的預(yù)輸出 : (3) 最后的預(yù)輸出再通過與初始置換 OP) 互逆的逆初始置換 (IP1 產(chǎn)生 64 位的密文。 F (R 川 K。F (Lu K。逆初始置換 OPη 是初始置換的逆置 換 ， 如圖 2. 4 所示。 初始置換 OP) 表中的位序號表現(xiàn)出這樣的特 征 :整 個 64 位按 8 行 8 列排 列 ， 最右邊一列按 2， 4， 6， 8， 1， 3， 5， 7 的次序排列，往左邊各列的位序號依次為緊鄰其 右邊一列各位序號加 8。相應(yīng) 的 ， 表中位序，號表現(xiàn)出這樣的特 征 : 整個 64 位按 8 行 8 列排 列 ， 左邊第二列按 8， 7， 6， 5， 4， 3， 2， 1 的次序排 列 ，往 右邊隔一列的位序號依次為當(dāng)前列各位序，號加 8， 認(rèn)為最右邊一列的隔列為最左邊 一列。初始置換完成 后 ， 將得到的 64 位序列分成兩 半 ， 各 32 位 ， 然 后 ，對這 兩 塊進(jìn)行 16 輪的法代操作。EA 2. 4 DES 的 F 函數(shù) DES 的一輪法代過程如圖 2. 5 所示 。 2. 擴(kuò) 展置換 擴(kuò)展置換又稱 E 盒 ， 它將 32 位輸入擴(kuò)展為 48 位輸出。A 兩位 (最后一行的下一行是第一行 )。 由 于 這個指環(huán)改變了位的次 序 ， 重復(fù)了某些 位 ， 故稱為擴(kuò)展置換 。但是 ， E 盒 在 DES 算法上的目 的 不 僅如 此 ， 由 于 E 盒輸入的 1 位影響 2 個 S 盒的輸 入 ， 所以輸出隊輸入的依賴性將傳播更 快 ， 從而快速實現(xiàn)雪崩效應(yīng)。 S 盒是 DES 中唯一的非線性 部 分 ， DES 的安全強(qiáng)度主要取 決 于 S 盒的安全強(qiáng)度。這 樣 ， 經(jīng)過 S 盒的代換之后 ， E 盒擴(kuò)展生成的 48 位數(shù)據(jù)又重新被壓縮成 32 位數(shù)據(jù)。 8 個 S 盒的代換表如表 2. 22. 9 所示。 。 。 。 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 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 表 2. 5 S4盒 7 13 14 3 6 9 10 13 8 11 5 6 15 3 10 6 9 3 15 6 10 1 13 8 9 4 5 11 12 7 2 14 企 EE 內(nèi)J 表 2. 6 S5盒 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 16 3 15 0 9 10 4 5 3 表 2. 7 S6盒 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 表 2. 8 S7盒 4 1。 5 9 2 13 11 7 4 9 1 10 14 3 5 12 2 15 8 6 6 11 13 8 1 4 10 7 9 5 。 7 7 11 4 l 9 12 14 2 。 P 盒設(shè)計有如下特 點 : (1)每 個 S 盒的 4 位輸出影 響 下 一輪 6 個不同的 S 盒 ， 但是沒有 2 位影響同 一 S 盒 : (2) 在第 i 輪 S 盒的 4 位輸出 中 ， 2 位將影響 i+1 輪中間 位 ， 其余兩位將影 響兩端 位 。 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 12 30 6 22 11 4 25 國 2. 6 P 盒置換表 DES 的 密 鑰 生 成 DES 最初的 64 位密鑰通過置換選擇 PC1 (表 3. 0) 得到有效的 56 位密鑰。每輪迭代 中 ， CiI 和 DiI分別經(jīng)過一個由 表 確定的 1 位或 2 位的循環(huán)左 移 ， 這些移位后的值作 為 下 一輪的輸入，同時 也作為置換選擇 PC2 (表 3. 1)的輸入，通過 PC2 產(chǎn)生一個 48 位的輸 出 ， 即為 一個子密鑰。置換 PC2 是一個壓縮置換，它將 56 位密鑰數(shù)據(jù)壓縮成 48 位的子密鑰。 第三章 AES 加密算法 本科生畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 3. 1 AES 的產(chǎn)生背景 隨 著 計算能力 的 突 飛猛 進(jìn) ， 已經(jīng) 超期 服役 若干年的 DES 算法 終 于 顯得力 不從 心 ， 1999 年 ， 美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST)對 DES 的安全強(qiáng)度進(jìn)行重 新評估并指 出 ， DES 已經(jīng)不足以保證信 息 安 全 ， 因此決定撤銷相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 。除此之 外 ， NIST 特別提出了高級加密標(biāo)準(zhǔn)必須是分組長 度為 128 位的對稱分組密 碼 ， 并 能支持長度 128 位 ， 192 位 ， 256 位的密鑰。經(jīng)過一輪海選之 后 ， 1998 年 8 月 20 日 ， NIST 公布了滿足要求的 15 個 AES 算法草案 。 2021 年 10 月 2 日 ， NIST 宣布 AES 的最終評選結(jié) 果 ， 比利時 密碼學(xué)家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提出 的 Ri jndael 數(shù)據(jù)加密算法 最終 獲 勝 ， 修改的 Ri jndael 算法最終成為高級加密標(biāo)準(zhǔn) AESo2021 年 11 月 26 日 ， NIST 正式公布高級加密標(biāo)準(zhǔn) AES， 并于 2021 年 5 月 26 日正式生效。在高級加密標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 中 ， 分組長度只能是 128 位 ， 密鑰的長度 可以使用三者中的任意一種。 表 3. 1 AES 密鑰長度和加密輪數(shù)列表 密鑰長度 (32 比特字 ) 分組長度 (32 比特字 ) 力口密輪數(shù) AES128 4 4 10 AES192 6 4 12 AES256 8 4 14 本文中，所討論的密鑰長度為 128 位 ， AES 的迭代輪數(shù)為 10 輪。在算法的每一輪 中 ， 狀態(tài)矩陣的內(nèi)容 不斷發(fā)生變化，最后的結(jié)果作為密文輸出。 類似的 ， 128 位密鑰也是用 以 字 節(jié)為單位的矩陣