分组密码与流密码的分析设计与比较
1引言
随着科技的发展，信息安全在现代电子通信等方面发挥着越来越重要的作用密码编码学是应对各种信息安全威胁的最有效的方法。所谓密码编码学，是指生成高强度、有效的加密或认证算法。欲传送的原始信息叫做明文，对其进行可逆的数字变换后的信息称为密文。发送者通过加密算法对明文进行加密，得到密文，这个过程称为加密。接收者收到经过处理的密文后，通过解密算法，还原成明文，这一过程称为解密。
密码系统所采取的基本工作模式叫做密码体制，主要分为两大类：对称密钥密码体制与非对称密钥密码体制。对称密钥密码体制中的加密密钥与解密密钥相同，需要安全可靠的密钥传递信道，通信双方需保管好密钥。非对称密钥密码体制中加密与解密分别有一个对应的密钥，发送者查询接收者公开的公钥对明文进行加密，接收者收到密文后再利用只有自己知道的私钥进行解密。
对称密钥密码体制又分为两大类，分别是分组密码与流密码。所谓分组密码，就是按照算法设计者预先设定的长度把明文分割成块，再对每一分组进行加密解密的算法。而对
比特进行运算、采用"一次一密"的算法，则称为流密码。
2分组密码
2.1 概论
所谓分组密码，其明文分为若干个数据块，加密后得到的密文仅与给定的密钥算法和密钥有关，与被处理的明文数据块在整个明文中所处的位置无关。较典型的分组密码算法有DES算法、IDEA算法、AES算法等。
算法设计者事先设定好分块的长度，算法将明文按照该长度进行分组，再在这些定长的分组上进行运算。在分组密码的设计中，加密与解密的处理是建立在块的基础上。算法把明文分成设定的大小，通常为64 bit或128 bit，再对每个块单独编码。
2.2 设计原则
创立了经典信息论的数学家C.E.Shannon在1949年时发表了一篇名为"《保密系统的通信理论》的论文。在这篇论文中，Shannon提出了如何设计分组加密的组合密码系统。其中，设计分组密码需要依据两个一般原则，分别是混淆原则和扩散原则。
实现混淆原则，实际上就是复杂化密文的统计特性与和密钥的依赖关系。扩散原则，即所设计的密码应使得密钥的每一位数字影响密文的许多位数字以防止对密钥进行逐段破译，且明文的每一位数字也影响密文的许多位数字以隐蔽
明文数字统计特性。混淆原则与扩散原则的实现，奠定了分组密码设计的基础。
3 AES
3.1 概述
为了确定一个更能保护敏感信息安全的、非保密的分组密码算法，美国国家标准和技术研究所在1997年开始征集高级加密标准。2000年9月，经过两轮评估，美国国家标准和技术研究所最后把Rijndael的算法确定为AES的最终算法。
Rijndael算法的本质是SP网络，S与P分别表示替代与置换，替代起混淆作用，而置换起扩散作用。这是一种乘积密码，它包含了一定数量的迭代，而每一次迭代都包括了替代和置换，一般是先进行替换操作，再进行置换操作。Rijndael 算法的分组长度与密钥长度均为可变长度，但一般分组长度设为128 bit。
3.2 设计原理
由于AES算法的分组长度设定为128 bit，故一般将该状态设计成一个4*4大小的矩阵，称为一个状态。该分组被复制到状态分组，这个数组在加密或解密的每个阶段都会改变。该算法的密钥也是用字节为单位的矩阵描述。在这些矩阵中的排列顺序是从上到下、从左到右。AES算法中有一些运算是针对列进行的。
其算法过程主要包括以下四个变换：字节替换、行移位、列混合和圈密钥加。一共经过n轮，前n-1轮都包含了以上四个变换，最后一轮则只有字节替换、行移位和圈密钥加，由于该算法密钥长度设为128 bit（本文中AES算法均为128位），故轮数为10。
（1）字节替换
这是作用在字节上的一种非线性字节变换，独立地对每一个字节进行，是可逆的。主要由两个变换合成，一是对每个字节求它的乘法逆元，其中零多项式没有乘法逆元，仍表示为它自身。二是对所求得的乘法逆进行仿射变换。可以通过查表替换。
（2）行移位
数据块的第0行保持不变，第1行左移C1位，第2行左移C2位，第3行左移C3位，移位值与分组长有关。对于128 bit来说，第1行左移1位，第2行左移2位，第3行左移3位。
（3）列混合
每一直行的四个字节透过线性变换互相结合。每一直行的四个元素分别当作1，x,x2,x3的系数，合并即为GF(28)中的一个多项式，接着将此多项式和一个固定的多项式
c(x)=3x3+x2+x+2 在x4+1下相乘。
（4）圈密钥加
在每次的加密循环中，都会由主密钥产生一把回合密钥，大小与原矩阵一样，可以和原矩阵中每个对应的字节作异或运算。每一个回合密钥由初始密钥通过密钥扩展算法得到。
4 流密码
4.1 概论
流密码，又称序列密码，是对明文中单个位进行运算的算法，常用于对军事和外交信息安全的处理。加密时，算法会将伪随机序列与明文序列模2加，产生密文序列。在这里，伪随机序列的生成主要依靠一个伪密钥流生成器，生成一个表面随机的密钥流。流密码与一次一密相似，但一次一密所使用的是真正的随机序列，而流密码的密钥流生成器产生的是表面随机的伪随机序列。
解密的方法是把接收到的密文序列与加密时所用的伪
随机序列模2加。这里应用到的是这样一个原理：P?H?K?H?K=P
P是明文序列，K是伪随机序列，P与K异或后得到密文，在此基础上与K再进行异或运算后可以得到原来的明文P。
加密算法为
ci≡(ki+pi)(mod2)
解密算法为
pi≡(ki+ci)(mod2)
当数据必须被实时处理或者数据的大小未知而需要避免缓冲时，流密码是一个相当合适的选择。流密码的加密解密过程相比起分组加密而言非常简单，不需要替换、移位等等，只需进行异或便可以得到密文。
4.2 流密码设计原则
在流密码的应用中，流密码强度依赖于伪随机序列的随机性与不可预测性。在考虑流密码的设计时，有以下几点需要注意：
（1）如果要增强流密码的安全性，其伪随机序列的周期要尽可能的长，因为当产生的伪随机序列长度不够时，它会重复前面的随机数。
（2）伪随机序列要尽量接近真正随机序列的性质。
（3）如果要抵御穷举攻击，该密钥的长度需要越长越好，不得少于128 bit。
5 RC4
5.1 概述
由于流密码目前主要应用于军事和外交等机密部门，它的许多研究成果并没有完全公开，目前流密码中公开的著名算法主要有RC4算法、SEAL算法、A5算法等，其中RC4是目前为止最具有影响力的。RC4的算法实现非常简单，代码简洁却不失高效。其密钥长度是可变的，可从1字节到256
字节变化，是面向字节的操作，密钥流独立于明文。
5.2 设计原理
RC4有一个足够大的数据表S，在此基础上进行非线性变换，生成非线性的密钥流序列。这个数据表S的大小与参数有关，一般而言这个参数为8，则该数据表S有28 个元素。RC4密钥流的输出都是该数据表S中的一个随机元素。
RC4以随机置换为基础。密钥流的生成主要有两个算法：密钥调度算法对数据表S进行初始排列，伪随机生成算法随机选取其中的元素并修改数据表S的排列顺序。首先初始化不大于256字节的可变长密钥，将其扩充为256字节的状态矢量S，其元素分别记为S[i]（i=0,1,2,…,255）。接着置换S中的字节，使其始终包含0到255所有8 bit数，每次置换都讲生成1字节的密钥。
6 分组密码与流密码的比较
6.1 分组密码的优缺点
（1）优点
①可以重复使用密钥；
②如果某个块的处理发生了错误，并不会影响到之后的块的运算；
③分组密码在软件上更容易实现，即容易被移植，成本也较低；
④在现实生活中，分组密码更常见，它有四种工作模
式，包括ECB模式、CBC模式、OFB模式、CFB模式；
⑤易于标准化，当今信息大多是按块进行传输处理的；
⑥扩散性好，插入敏感。
（2）缺点
①相同的明文产生相同的密文；
②加解密处理速度慢；
③分组加密更容易受到密码分析的影响；
④存在错误传播。
6.2 流密码的优缺点
（1）优点
①流密码的加密和解密每次都是以一个bit或byte为单位进行处理，更符合硬件上的实现；
②流密码较难受到密码分析的影响，因为它每一个单位加密时使用的密钥都是不同的；
③流密码所用密钥的产生独立于信息流；
④硬件实现电路更简单；
⑤对于字符数据的处理都是实时的；
⑥转换速度快，低错误传播。
（2）缺点
①某一比特发生错误时会影响到其他比特；
②不太适用于软件；
③低扩散，插入、删除的不敏感性。
数学文化课程报告论文题目：公钥密码体制的现状与发展 公钥密码体制的现状与发展 摘要：文中对公钥密码体制的现状与发展进行了介绍，其中着重讨论了几个比较重要的公钥密码体制Ｍ－Ｈ背包算法、RSA、ECC、量子密码、NTRU密码体制和基于辫群上的密码体制。 关键词：公钥密码体制;离散对数问题；格基归约；量子密码
1949年，Claude Shannon在《Bell System Technical Journal》上发表了题为“Communication Theory of Secrecy Systems”的论文，它是现代密码学的理论基础，这篇论文将密码学研究纳入了科学轨道，但由于受到一些因素的影响，该篇论文当时并没有引起人们的广泛重视。直到20世纪70年代，随着人类社会步入信息时代才引起人们的普遍重视，那个时期出现了现代密码的两个标志性成果。一个是美国国家标准局公开征集，并于1977年正式公布实施的美国数据加密标准；另一个是由Whitfield Diffie和Martin Hellman，在这篇文章中首次提出了公钥密码体制，冲破了长期以来一直沿用的私钥体制。自从公钥密码体制被提出以来，相继出现了许多公钥密码方案，如RSA、Elgamal密码体制、背包算法、ECC、XTR和NTRU等。 公钥密码体制的发现是密码学发展史上的一次革命。从古老的手工密码，到机电式密码，直至运用计算机的现代对称密码，这些编码系统虽然越来越复杂，但都建立在基本的替代和置换工具的基础上，而公钥密码体制的编码系统是基于数学中的单向陷门函数。更重要的是，公钥密码体制采用了两个不同的密钥，这对在公开的网络上进行保密通信、密钥分配、数字签名和认证有着深远的影响。文章共分为5部分：第１部分首先介绍了Merkle－Ｈellmen背包算法，第2,3,4,5,5部分分别讨论了RSA、ECC、量子密码、NTUR，同时对公钥密码体制进行了展望。 1、Merkle－Hellmen背包算法 1978年，Ralph Merkle和Martin Hellmen提出的背包算法是公钥密码体制用于加密的第一个算法，它起初只能用于加密，但后来经过Adi Shamtr的改进使之也能用于数字签名。其安全性基于背包难题，它是个NP完全问题，这意味
国内外分组密码理论与技术的研究现状及发展趋势 1 引言 密码（学）技术是信息安全技术的核心，主要由密码编码技术 和密码分析技术两个分支组成。密码编码技术的主要任务是寻求产 生安全性高的有效密码算法和协议，以满足对数据和信息进行加密 或认证的要求。密码分析技术的主要任务是破译密码或伪造认证信 息，实现窃取机密信息或进行诈骗破坏活动。这两个分支既相互对 立又相互依存，正是由于这种对立统一的关系，才推动了密码学自 身的发展[6]。目前人们将密码（学）理论与技术分成了两大类， 一类是基于数学的密码理论与技术，包括分组密码、序列密码、公 钥密码、认证码、数字签名、Hash函数、身份识别、密钥管理、 PKI技术、VPN技术等等，另一类是非数学的密码理论与技术，包括 信息隐藏、量子密码、基于生物特征的识别理论与技术等。 在密码（学）技术中，数据加密技术是核心。根据数据加密所 使用的密钥特点可将数据加密技术分成两种体制，一种是基于单密 钥的对称加密体制（传统加密体制），包括分组密码与序列密码， 另一类是基于双密钥的公钥加密体制。本文主要探讨和分析分组密 码研究的现状及其发展趋势。 2 国内外分组密码研究的现状 2．1 国内外主要的分组密码 美国早在1977年就制定了本国的数据加密标准，即DES。随着 DES的出现，人们对分组密码展开了深入的研究和讨论，已有大量 的分组密码[1，6]，如DES的各种变形、IDEA算法、SAFER系列算 法、RC系列算法、Skipjack算法、FEAL系列算法、REDOC系列算 法、CAST系列算法以及Khufu,Khafre，MMB,3- WAY,TEA,MacGuffin,SHARK,BEAR,LION,CA.1.1,CRAB,Blowfish,GOST,SQUA 算法和AES15种候选算法（第一轮），另有NESSIE17种候选算法 （第一轮）等。 2．2 分组密码的分析 在分组密码设计技术不断发展的同时，分组密码分析技术也得 到了空前的发展。有很多分组密码分析技术被开发出来，如强力攻 击（穷尽密钥搜索攻击、字典攻击、查表攻击、时间存储权衡攻 击）、差分密码分析、差分密码分析的推广（截段差分密码分析、 高阶差分密码分析、不可能差分密码分析）、线性密码分析、线性 密码分析的推广（多重线性密码分析、非线性密码分析、划分密码 分析）、差分线性密码分析、插值攻击、密钥相关攻击、能量分 析、错误攻击、定时攻击等等。 其中，穷尽密钥搜索攻击是一种与计算技术密不可分的补素密码分 析技术，也是最常用的一种密码分析技术。通过这种技术，可以破 译DES的算法。在DES最初公布的时候，人们就认为这种算法的密钥 太短（仅为56bit），抵抗不住穷尽密钥搜索的攻击。因此，1997 年1月28日，美国colorado的程序员Verser从1997年3月13日起， 在Internet上数万名志愿者的协同下，用96天的时间，于1997年6
第3章 分组密码 习题及参考答案 1. 设DES 算法中，明文M 和密钥K 分别为： M =0011 1000 1100 0100 1011 1000 0100 0011 1101 0101 0010 0011 1001 1110 0101 1110 K =1010 1001 0011 0101 1010 1100 1001 1011 1001 1101 0011 1110 1101 0101 1100 0011 求L 1和R 2。 解： 初始变换IP ： 1001 1010 1101 0101 1101 0010 0011 1000 0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 1000 则，0L =1001 1010 1101 0101 1101 0010 0011 1000 0R =0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 1000 K 去校验位得： 0C =1101 0111 1100 0000 0010 0111 0111 0D =1010 1000 0111 0110 0011 0101 0010 循环左移一位：1C =1010 1111 1000 0000 0100 1110 1111 1D =0101 0000 1110 1100 0110 1010 0101 经过置换选择得到：1K =0000 1111 0110 1000 1101 1000 1001 1010 1000 0111 0011 0001 同样可以得到：2K =0101 0101 0110 0001 1101 1101 1011 0101 0101 0000 0110 1110 1L =0R =0101 0110 0010 0101 1100 0101 1110 1000
目录 第一章绪论 (1) 1.1 研究背景与意义 (1) 第二章预备知识 (7) 2.1 复杂性理论 (7) 2.2 可证明安全理论 (8) 2.2.1 困难问题假设 (8) 2.2.2 形式化证明方法 (10) 2.3 公钥密码体制 (11) 2.3.1 PKE形式化定义 (11) 2.3.2 PKE的安全模型 (12) 2.5 密钥泄露 (12) 2.5.1 问题描述 (12) 2.5.2 解决方法 (13) 2.6 本章小结 (14) 致谢 (16)
第一章绪论 第一章绪论 本章主要阐述了公钥密码体制的研究背景和积极意义，并简单介绍了代理重加密体制的研究现状以及该密码体制在云存储数据共享领域的独特优势。最后，本章介绍了本文的主要研究工作和论文结构。 1.1 研究背景与意义 密码学是伴随着信息保密而产生的，但是随着密码学技术本身的不断发展和通信网络技术的不断发展，现代的密码学研究已经远远超越了信息保密的范围，被广泛应用于各种安全和隐私保护应用之中。它是一门古老的学科，又是一门新兴的交叉学科，在今后人类社会的发展历程中必将发挥越来越重要的作用。密码学的发展可分为3个阶段： 第一阶段：从古代一直到1949年，密码学都是停留在应用于军事政治等神秘领域的实践技术。从1949年香农（Shannon）发表了《保密系统的信息理论》错误！未找到引用源。后，密码学才由理论基础指导而上升为学科。这一阶段，密码学研究的突破并不大，而且应用方面仍然只局限于特殊领域。 第二阶段：以1976年迪菲（Diffie）与赫尔曼（Hellman）发表的论文《密码学的新方向》错误！未找到引用源。以及1977年美国发布的数据加密标准（DES）加密算法为标志，密码学进入了现代密码学。 第三阶段：伴随着相关理论的完善，以及由集成电路和因特网推动的信息化工业浪潮，密码学进入了一个全新爆发的时代：研究文献和成果层出不穷，研究的方向也不断拓展，并成为了一个数学、计算机科学、通信工程学等各学科密切相关的交叉学科，同时各种密码产品也走进了寻常百姓家，从原来局限的特殊领域进入了人民群众的生产、生活之中。 在信息社会，加密体制为保证信息的机密性提供了重要的技术手段。根据密钥的特点，可将加密体制分为对称密钥体制和非对称密钥体制两种。在对称加密体制中，通信双方为了建立一个安全的信道进行通信，需要选择相同的密钥，并将密钥秘密保存。根据对明文的加密方式不同，对称密码算法又分为分组加密算法和流密码算法。分组加密算法将明文分为固定长度的分组进行加密，而流密码算法则将明文按字符逐位加密，二者之间也不是有着不可逾越的鸿沟，很多时候，分组加密算法也可以用于构建流密码算法。目前，世界上存在的分组密码算法可能有成千上万种，而其中最有名的就是美国的DES、AES以及欧洲的IDEA算法。
青岛农业大学 本科生毕业论文（设计） 题目基于3DES算法的文档加密的设计与实现姓名： 学院： 专业： 班级： 学号： 指导教师： 完成时间： 2013年6月10日
基于3DES算法的文档加密的设计与实现 摘要：随着社会进入信息化时代，由于互联网的开放性，网络资源的共享性、网络操作系统的漏洞、网络系统设计的缺陷、网络的开放性以及恶意攻击等等，都给网络带来了不安全的隐患，计算机和信息的安全问题将更加突出，网络和连接在网络上的信息系统面临着各种复杂的、严峻的安全威胁。因此，如何保障数据和信息的安全已成为人们关注的问题。 3DES(Triple DES) 是三重数据加密算法, 也是DES（Data Encryption Algorithm）向AES（Advanced Encryption Standard）过渡的加密算法。1999年，美国的NIST将3DES指定为过渡的加密标准。它比DES具有更高的安全性，克服了DES因密钥长度短而造成的暴力攻击。 本文对3DES数据加密算法进行了全面介绍，分析了该算法的设计思想。并且基于3DES数据加密算法，采用VS2010的开发环境，实现了对文件的加密与解密，从而为保障数据和文档的安全性提供了支持。 关键字：信息安全；加密；密码学；3DES加密算法
The design and implementation of the document encryption based on 3DES algorithm Abstract: As society into the information age, the openness of the Internet, network resource sharing, network operating system vulnerabilities, network system design flaws, network openness and malicious attacks, etc., gave network brings insecurity hidden, computer and information security issues will become more prominent, networks, and connected to the network of information systems face a variety of complex and serious security threat. Therefore, how to protect the data and information security has become an issue of concern. 3DES (Triple DES) is a triple data encryption algorithm is DES to AES encryption algorithm transition. In 1999, the U.S. NIST the 3DES encryption standards specified for the transition. It has a higher than DES security, to overcome the short key length DES caused due to violent attacks. In this paper, 3DES data encryption algorithm is fully described, analysis of the algorithm design. And based on 3DES data encryption algorithm, using. NET development techniques, to achieve the document encryption and encryption, so as to safeguard the security of data and documents provided support. The keyword: Information Security; Encryption; Cryptography; 3DES encryption algorithm
公钥密码体制原理及展望 ----读《New Directions in Cryptography》 姓名 学号 指导教师 时间2010年11月19日星期五
公钥密码体制原理及展望 ----读《New Directions in Cryptography》 摘要：本文通过读《New Direction in Cryptography》一文，简述了密码学的发展，重点讨论了公钥密码体制的算法及安全性。并在此基础上介绍了ECC和量子密码，了解了非对称密码体制的应用，展望了密码学未来的发展方向。 关键字：公钥密码体制，单向陷门函数、ECC、量子密码 一概述 密码学是研究如何隐密地传递信息的学科。在现代特別指对信息以及其传输的数学性研究，常被认為是数学和计算机科学的分支，和信息论也密切相关。回顾密码学的发展历程： 第一个阶段是古典密码学（19世纪以前），主要包括代替密码、换位密码以及代替密码与换位密码的组合方式等。 第二阶段是中世纪密码学，它是宗教上被刺激的原文分析对Quran那些导致了发明频率分析打破的技术替换密码。它是最根本的cryptanalytic前进直到WWII。所有暗号根本上依然是脆弱直到这个cryptanalytic技术发明polyalphabetic暗号。 第三阶段是从1800到第二次世界大战，由第二次世界大战机械和机电暗号机器在宽用途，虽然这样机器是不切实际的地方继续的人工制在使用中。巨大前进被做了暗号打破所有在秘密。 第四阶段是现代密码学，C.E.Shannon于1949年发表的划时代论文“The Communication Theory of Secret Systems”，这是现代密码学的第一次发展也是开端。而更重要的一次发展是1976年，当时在美国斯坦福大学的迪菲（Diffie）和赫尔曼(Hellman)两人提出了公开密钥密码的新思想，论文《New Direction in Cryptography》把密钥分为加密的公钥和解密的私钥，这是现代密码学的经典之作，是密码学的一场革命。 《New Direction in Cryptography》一文为解决传统密码体制（主要针对对称密码体制）密钥分发困难、密钥集中了密文的安全性等缺陷，设计了公钥密码体制，是非对称密码学的开山之作。下面简要地介绍一下这篇文章的主要内容。 二公钥密码体制基本原理 公钥密码算法中的密钥依性质划分，可分为公钥和私钥两种。用户或系统产生一对密钥，将其中的一个公开，称为公钥；另一个自己保留，称为私钥。任何获悉用户公钥的人都可用用户的公钥对信息进行加密与用户实现安全信息交互。由于公钥与私钥之间存在的依存关系，只有用户本身才能解密该信息，任何未受授权用户甚至信息的发送者都无法将此信息解密。所以在公钥密码系统中，首先要求加密函数具有单向性，即求逆的困难性。即： 一个可逆函数f：A→B，若它满足： 1o对所有x∈A，易于计算f(x)。 2o对“几乎所有x∈A”由f(x)求x“极为困难”，以至于实际上不可能做到，则称f为一单向(One-way)函数。 但是，要做加密处理，对加密函数仅有单向的要求还不够，必须还要满足，
第八节 分组密码的工作模式和一般设计原理 1
分组密码的工作模式 为什么要设计工作模式？ 分组密码的工作模式是：根据不同的数据格式和安全性要求, 以一个具体的分组密码算法为基础构造一个分组密码系统的方法。分组密码的工作模式应当力求简单, 有效和易于实现。 2
1980年12月, FIPS 81标准化了为DES开发 的五种工作模式。这些工作模式适合任何分组密码。现在, AES的工作模式正在研发, 这些AES 的工作模式可能会包含以前DES的工作模式, 还 有可能包括新的工作模式。我们仅以DES为例介 绍分组密码主要的五种工作模式。 3
4直接使用DES 算法对64bit 的数据进行加密的工作模式就是ECB 模式。在这种工作模式下, 加密变换和解密变换分别为： DES ()i i k c m = i =1,2,… (4.12) 1DES ()i i k m c ?= i =1,2,… (4.13) 这里k 是DES 的种子密钥, i m 和i c 分别是第i 组明文和密文。 电码本(ECB)模式
在给定密钥下, i m有64 2种可能的取值, i c也有64 2种可能的取值, 各（i m, i c）彼此独立, 构成一个巨大的单表代替密码, 因而称其为电码本模式。 5
+=，则相应的密文ECB模式的缺点是：如果n i i m m +=，即在给定密钥k下，同一明文组总是产生同n i i c c 一密文组，这会暴露明文组的数据格式。某些明文的数据格式会使得明文组有大量的重复或较长的零串，一些重要的数据常常会在同一位置出现，特别是格式化的报头、作业号、发报时间、地点等特征都将被泄露到密文之中，使攻击者可以利用这些特征。 6
延 边 大 学 （ 二 〇 一 三 年 五 月 摘 要 本 科 毕 业 论 文 本科毕业设计 题 目：基于D E S 的对称加密算法的 设计与实现 学生姓名：周莹冰 学 院：工学院 专 业：数字媒体技术 班 级：2009级 指导教师：李永珍 副教授
随着信息时代的来临，信息的安全性变得尤为重要，而对数据进行加密是行之有效的能保证信息安全性的方法。DES算法是众多数据加密算法中的一种，在过去的几十年中在数据加密领域有着举足轻重的地位，然而随着计算机技术的发展，DES算法的安全性也被大大地降低，针对DES的暴力破解所用的时间在逐年减少，为了能使DES这种优秀的加密算法能够重新使用，本文将针对就DES的暴力破解提供一种有效的解决方案：基于DES算法迭代算法的改进，对DES的密钥长度进行了扩展。使DES的安全性得到了增强，同时相较于DES算法的改进算法3DES算法，效率上会比3DES高，安全性上也不会逊色于3DES。 关键词：DES；密钥扩展；迭代算法； Abstract
With the coming of information age, information security has become especially important, and to encrypt data is effective to ensure the security of the information. DES algorithm is one of data encryption algorithms, in the past few decades has a pivotal position in the field of data encryption. however, with the development of computer technology, the security of DES algorithm also has been greatly reduced, the time of brute force of DES has been reducing year by year, in order to make this good encryption algorithm can be used again, this article will focus on the DES of brute force to provide an effective solution: based on iterative algorithm of DES algorithm, and extended the length of DES key. To make the security of DES more enhanced, at the same time, compared with the 3 DES algorithm, the efficiency will be higher than 3 DES, and security will not inferior to 3 DES. Key word: DES; key expansion;iterative algorithm
公钥密码体制的研究
目录 第一章绪论 (1) 1.1 研究背景与意义 (1) 第二章预备知识 (7) 2.1 复杂性理论 (7) 2.2 可证明安全理论 (8) 2.2.1 困难问题假设 (8) 2.2.2 形式化证明方法 (10) 2.3 公钥密码体制 (11) 2.3.1 PKE形式化定义 (11) 2.3.2 PKE的安全模型 (12) 2.5 密钥泄露 (12) 2.5.1 问题描述 (12) 2.5.2 解决方法 (13) 2.6 本章小结 (14) 致谢 (17)
第一章绪论 本章主要阐述了公钥密码体制的研究背景和积极意义，并简单介绍了代理重加密体制的研究现状以及该密码体制在云存储数据共享领域的独特优势。最后，本章介绍了本文的主要研究工作和论文结构。 1.1 研究背景与意义 密码学是伴随着信息保密而产生的，但是随着密码学技术本身的不断发展和通信网络技术的不断发展，现代的密码学研究已经远远超越了信息保密的范围，被广泛应用于各种安全和隐私保护应用之中。它是一门古老的学科，又是一门新兴的交叉学科，在今后人类社会的发展历程中必将发挥越来越重要的作用。密码学的发展可分为3个阶段： 第一阶段：从古代一直到1949年，密码学都是停留在应用于军事政治等神秘领域的实践技术。从1949年香农（Shannon）发表了《保密系统的信息理论》错误!未找到引用源。后，密码学才由理论基础指导而上升为学科。这一阶段，密码学研究的突破并不大，而且应用方面仍然只局限于特殊领域。 第二阶段：以1976年迪菲（Diffie）与赫尔曼（Hellman）发表的论文《密码学的新方向》错误!未找到引用源。以及1977年美国发布的数据加密标准（DES）加密算法为标志，密码学进入了现代密码学。 第三阶段：伴随着相关理论的完善，以及由集成电路和因特网推动的信息化工业浪潮，密码学进入了一个全新爆发的时代：研究文献和成果层出不穷，研究的方向也不断拓展，并成为了一个数学、计算机科学、通信工程学等各学科密切相关的交叉学科，同时各种密码产品也走进了寻常百姓家，从原来局限的特殊领域进入了人民群众的生产、生活之中。 在信息社会，加密体制为保证信息的机密性提供了重要的技术手段。根据密钥的特点，可将加密体制分为对称密钥体制和非对称密钥体制两种。在对称加密体制中，通信双方为了建立一个安全的信道进行通信，需要选择相同的密钥，并将密钥秘密保存。根据对明文的加密方式不同，对称密码算法又分为分组加密算法和流密码算法。分组加密算法将明文分为固定长度的分组进行加密，而流密码算法则将明文按字符逐位加密，二者之间也不是有着不可逾越的鸿沟，很多时候，分组加密算法也可以用于构建流密码算法。目前，世界上存在的分组密码算法可能有成千上万种，而其中最有名的就是美国的DES、AES以及欧洲的IDEA算法。
实验二两种基本古典密码设计与实现 091234 谢锦仪一、实验目的： 该实验为验证性实验。 通过本实验，使学生对于两种基本的古典密码编码方法（“代替”与“移位”）产生深刻的感性认识，体验清楚二者之间的本质差异，为理解和掌握现代密码的相应知识打下良好基础。 二、实验内容： 1．设计一个周期3的多表代换并予以实现，要求：第一个表有密钥字法产生(密钥字自拟)，第二个表由洗牌法产生（注意，字母a~z与数字0~25一一对应，洗牌法即相当于实验一的方法1（n=25）），第三个表由公式法产生（数学公式自拟，注意它须是Z26上的一个一一变换）。 2．设计一个周期5的16-置换移位密码并予以实现，要求：5个16-置换至少有一个是由实验一（n=15）提供的两个方法以为、自行设计的其它方法产生。 三、实验要求： 1. 上述两个古典密码的编程实现，须能对下面一段明文进行正确加密（对代 替密码，空格和标点符号保持不动；对移位密码，空格和标点符号也移位）： Q is a symmetric block cipher. It is defined for a block size of 128 bits. It allows arbitrary length passwords. The design is fairly conservative. It consists of a simple substitution-permutation network. In this paper we present the cipher, its design criteria and our analysis. The design is based on both Rjindael and Serpent. It uses an 8-bit s-box from Rjindael with the linear mixing layers replaced with two Serpent style bit-slice s-boxes and a linear permutation. The combination of methods eliminates the high level structure inherent in Rjindaelwhile having better speed and avalanche characteristics than Serpent. Speedis improved over Serpent. This version 2.00 contains better analysis, editorialchanges, and an improved key scheduling algorithm. The number ofrecommended rounds is also increased. 2. 抓图显示密文（附页），不能出现明显错误。 四、实验步骤： 1、实验思路 对于代替密码，难点是大小写的转化和保持加密后大小写的不变。这里利用了专门的字符处理函数库ctype。用Tolower函数将大写转化为小写，然后转化为数字。这样才能容易的实现代替加密的过程。在密钥字算法的实现中，利用字符串处理函数的功能，在拼接比较后，录入到choicewords中，最后进入keytab，作为密钥的一部分。洗牌法我用的是实验一自己设计的方法，很简单就融入了这个程序之中。 移位密码：由于老师要求用一种全新的产生全排列的方法，我于是想到了RSA公钥体制。这里面RSA算法是密码学三大算法之一(RSA、MD5、DES)，是一种不对称密码算法。
填空题 1、密码学的主要任务是实现机密性、鉴别、数据完整性、抗抵赖性。 1、机密性是一种允许特定用户访问和阅读信息，而非授权用户对信息内容不可理解的安全属性。在密码学中，信息的机密性通过加密技术实现。 2、完整性数据完整性即用以确保数据在存储和传输过程中不被非授权修改的的安全属性。密码学可通过采用数据加密、报文鉴别或数字签名等技术来实现数据的完整性保护。 3、鉴别是一种与数据来源和身份鉴别有关的安全服务。鉴别服务包括对身份的鉴别和对数据源的鉴别。对于一次通信，必须确信通信的对端是预期的实体，这就涉及到身份的鉴别。 4、抗抵赖性 是一种用于阻止通信实体抵赖先前的通信行为及相关内容的安全特性。密码学通过对称加密或非对称加密，以及数字签名等技术，并借助可信机构或证书机构的辅助来提供这种服务。 5、密码编码学的主要任务是寻求有效密码算法和协议，以保证信息的机密性或认证性的方法。它主要研究密码算法的构造与设计，也就是密码体制的构造。它是密码理论的基础，也是保密系统设计的基础。 6、密码分析学的主要任务是研究加密信息的破译或认证信息的伪造。它主要是对密码信息的解析方法进行研究。 7、明文（Plaintext）是待伪装或加密的消息（Message）。在通信系统中它可能是比特流，如文本、位图、数字化的语音流或数字化的视频图像等。 8、密文(Ciphertext)是对明文施加某种伪装或变换后的输出，也可认为是不可直接理的字符或比特集，密文常用c表示。 9、加密（Encrypt ）是把原始的信息（明文）转换为密文的信息变换过程。 10、解密（Decrypt）是把己加密的信息（密文）恢复成原始信息明文的过程。 11、密码算法(Cryptography Algorithm)也简称密码（Cipher），通常是指加、解密过程所使用的信息变换规则，是用于信息加密和解密的数学函数。对明文进行加密时所采用的规则称作加密算法，而对密文进行解密时所采用的规则称作解密算法。加密算法和解密算法的操作通常都是在一组密钥的控制下进行的。 11、密钥（Secret Key ）密码算法中的一个可变参数，通常是一组满足一定条件的随机序列 12、替代密码是指先建立一个替换表，加密时将需要加密的明文依次通过查表，替换为相应的字符，明文字符被逐个替换后，生成无任何意义的字符串，即密文，替代密码的密钥就是其替换表。 13、根据密码算法加解密时使用替换表多少的不同，替代密码又可分为单表替代密码和多
关键词公钥密码体制－数字签名身份认证 引言 公开密钥密码体制地概念是年由美国密码学专家狄匪（）和赫尔曼（）提出地，有两个重要地原则：第一，要求在加密算法和公钥都公开地前提下，其加密地密文必须是安全地；第二，要求所有加密地人和把握私人秘密密钥地解密人，他们地计算或处理都应比较简单，但对其他不把握秘密密钥地人，破译应是极困难地.随着计算机网络地发展，信息保密性要求地日益提高，公钥密码算法体现出了对称密钥加密算法不可替代地优越性.近年来，公钥密码加密体制和、数字签名、电子商务等技术相结合，保证网上数据传输地机密性、完整性、有效性、不可否认性，在网络安全及信息安全方面发挥了巨大地作用.本文具体介绍了公钥密码体制常用地算法及其所支持地服务.文档来自于网络搜索 公钥密码算法 公钥密码算法中地密钥依性质划分，可分为公钥和私钥两种.用户或系统产生一对密钥，将其中地一个公开，称为公钥；另一个自己保留，称为私钥.任何获悉用户公钥地人都可用用户地公钥对信息进行加密与用户实现安全信息交互.由于公钥与私钥之间存在地依存关系，只有用户本身才能解密该信息，任何未受授权用户甚至信息地发送者都无法将此信息解密.在近代公钥密码系统地研究中，其安全性都是基于难解地可计算问题地.如：文档来自于网络搜索 （）大数分解问题；（）计算有限域地离散对数问题；（）平方剩余问题；（）椭圆曲线地对数问题等. 基于这些问题，于是就有了各种公钥密码体制.关于公钥密码有众多地研究，主要集中在以下地几个方面： （）公钥体制地研究；（）椭圆曲线密码体制地研究；（）各种公钥密码体制地研究；（）数字签名研究.文档来自于网络搜索 公钥加密体制具有以下优点： （）密钥分配简单；（）密钥地保存量少；（）可以满足互不相识地人之间进行私人谈话时地保密性要求；（）可以完成数字签名和数字鉴别.文档来自于网络搜索 .算法 算法是，和在年提出地，是一种公认十分安全地公钥密码算法.算法是目前网络上进行保密通信和数字签名地最有效安全算法.算法地安全性基于数论中大素数分解地困难性.所以，需采用足够大地整数.因子分解越困难，密码就越难以破译，加密强度就越高.其公开密钥和私人密钥是一对大素数地函数.从一个公开密钥和密文中恢复出明文地难度等价于分解两个大素数之积.因式分解理论地研究现状表明：所使用地密钥至少需要比特，才能保证有足够地中长期安全.文档来自于网络搜索 为了产生两个密钥，选取两个大素数和.为了获得最大程度地安全性，两数地长度一样.计算乘积：＝，然后随机选取加密密钥，使和互素.最后用欧几里得扩展算法计算解密密钥，以满足：＝则＝－注重：和也互素.和是公开密钥，是私人密钥.两个素数和不再需要，可以舍弃，但绝不能泄漏.文档来自于网络搜索 加密消息时，首先将它分成比份小地数据分组.加密后地密文，将由相同长度地分组组成.加密公式可表示为：＝×（）解密消息时，取每一个加密后地分组并计算：＝×（）.文档来自于网络搜索 由于：＝（）＝＝（－）（－）＝×（－）（－）＝×＝（）这个公式能恢复出全部明文.公开密钥：两个素数和地乘积；：与互素.私人密钥：与互素.加密＝×（）；解密＝×（）.文档来自于网络搜索 .算法
选择题 1、如果发送方用私钥加密消息，则可以实现（） A、保密性 B、保密与鉴别 C、保密而非鉴别 D、鉴别 2、在混合加密方式下，真正用来加解密通信过程中所传输数据（明文）的密钥是（） A、非对称算法的公钥 B、对称算法的密钥 C、非对称算法的私钥 D、CA中心的公钥 3、以下关于加密说法，不正确的是（） A、加密包括对称加密和非对称加密两种 B、信息隐蔽是加密的一种方法 C、如果没有信息加密的密钥，只要知道加密程序的细节就可以对信息进行解密 D、密钥的位数越多，信息的安全性就越高 4、以下关于混合加密方式说法不正确的是：（） A、采用公开密钥体制进行通信过程中的加解密处理 B、采用公开密钥体制对对称密钥体制的密钥进行加密后的通信 C、采用对称密钥体制对对称密钥体制的密钥进行加密后的通信 D、采用混合加密方式，利用了对称密钥体制的密钥容易管理和非对称密钥体制的加解密处理速度快的双重优点 5、两个不同的消息摘要具有相同的值时，称为（） A、攻击 B、冲突 C、散列 D、都不是
6、（）用于验证消息完整性。 A、消息摘要 B、加密算法 C、数字信封 D、都不是 7、HASH函数可应用于（）。 A、数字签名 B、生成程序或文档的“数字指纹” C、安全存储口令 D、数据的抗抵赖性 8、数字证书采用公钥体制，每个用户设定一把公钥，由本人公开，用它进行： A、加密和验证签名 B、解密和签名 C、加密 D、解密 9、数字签名为保证其不可更改性，双方约定使用（） A、HASH算法 B、RSA算法 C、CAP算法 D、ACR算法 10、1是网络通信中标志通信各方身份信息的一系列数据，提供一种在Internet上验证身份的方式 A、数字认证 B、数字证书 C、电子证书 D、电子认证 11、以下关于CA认证中心说法正确的是
目录 1.引言 (1) 2.AES加密解密原理 (2) 3.AES加密解密算法的组成部分 (6) 3.1密钥部分 (6) 3.1.1 AES的S盒 (6) 3.1.2 AES的逆S盒 (7) 3.1.3 轮常量 (8) 3.1.4密钥移位函数 (8) 3.1.5密钥字代换函数 (8) 3.1.6密钥扩展算法 (9) 3.2加密的部分 (10) 3.2.1轮密钥加变换AddRoundKey（与密钥扩展的异或运算） (10) 3.2.2字节代换SubBytes（即S盒变换） (11) 3.2.3行移位变换ShiftRows (13) 3.2.4列混淆变换MixColumns (14) 3.3解密的部分 (15) 3.3.1逆行移位变换InvShiftRows (15) 3.3.2逆向字节代换（即逆S盒变换） (16) 3.3.3轮密钥加变换 (17) 3.3.4逆列混淆变换 (17) 4.AES加密解密算法的改进 (18) 5.结束语 (19)
1.引言 对称密码算法主要用于保证数据的机密性,通信双方在加密/解密过程中使用它们共享的单一密钥。对称密码算法的使用相当广泛,密码学界已经对它们进行了深入的研究[1]。最常用的对称密码算法是数据加密标准(DES) 算法,它是由IBM在美国国家安全局(NSA) 授意之下研制的一种使用56 位密钥的分组密码算法[2]。该算法从1977 年公布成为美国政府的商用加密标准后，使用了30 多年。 随着社会的发展，科学技术日新月异，密码分析水平、芯片处理能力和计算技术也不断地进步，二十世纪七十年代到现在应用广泛的DES数据加密标准算法因为其密钥长度较小(仅有56位),已经越来越难适应当今社会的加密技术和安全要求，其实现速度、代码大小和跨平台性也不足以适应新的各种应用要求。 1997年，RSA安全赞助了一系列的竞赛，奖励第一个成功破解以DES加密的信息的队伍1万美元，洛克·韦尔谢什（Rocke Verser），马特·柯廷（Matt Curtin）和贾斯廷·多尔斯基（Justin Dolske）领导的DESCHALL计划获胜，该计划使用了数千台连接到互联网的计算机的闲置计算能力[3]。证明了DES的密钥长度（56位），能被当前社会加密解密技术破解，其安全性有待提高。1998年，电子前哨基金会（EFF，一个信息人权组织）制造了一台DES破解器[4]。虽然其制造价格约$250,000，但是它用两天多一点儿的时间就暴力破解了一个密钥，显示出迅速破解DES的可能性，说明了DES的安全性已经开始降低。 DES 的主要问题是其密钥长度较短（仅56位）,已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求。随着计算机能力的突飞猛进，已经超期服役的DES终于显得力不从心。在这种形势下，迫切需要设计一种强有力的算法作为新的一代分组加密标准，所以在DES 每隔五年的评估会议中, 1997年美国国家标准技术研究院(NIST,National Institute of Standards and Technology)公开征集新的数据加密标准,最后一次美国政府终于决定不再继续延用DES作为联邦加密标准,也就表明了DES 将退出加密标准的舞台,而新的标准：高级加密标准AES(Advanced Encryption Standard) 走上了历史的舞台[5]。该算法作为新一代的数据加密标准汇聚了安全性、效率、密钥灵活性、多样性、简单性和对称性等优点。 因此1997年美国国家标准技术研究院(NIST,National Institute of Standards and Technology)公开征集新的数据加密标准,即AES[6]。该算法作为新一代的数据加密标准 1
一、选择 1.若一个单向函数存在一个附加信息，当不知道该附加信息时从函数值求原像是困难的，但是知道 该附加信息时从函数求原像是容易的，则该单向函数是 A.陷门单向函数 B.门陷单向函数 C.完全单向函数D容量单向函数 2.标志着公钥密码学诞生的事件是 A. C.Shannon发表的保密系统的通信理论 B.W.Diffle和M.Hellman发表“密码学的新方向”一文 C. C.RSA加密公钥的提出 D.维吉利亚密码体制的提出。 3.下列密码体制中，被认为无条件安全的是 A.一次一密乱码本(one-time pad) B.ElGamal C.RSA D.Cramer-Shop 4.下列密码体制中，不属该分组密码的是 A.IDEA B.AES C.ElGamal D.DES 5.目前通称的AES算法指的是 A.Terpent算法 B.RCG算法 C.Rijndael算法 D.Tuofish算法 二、填空 1.按照一个明文字母是否总是被一个固定的字母代换进行划分，代换密码可分为单表代换密码和 多表代换密码。 2.经典密码学的2个分支：密码编码学和密码分析学。 3.根据攻击者所拥有的信息不同，对数字签名方案的攻击主要有惟密钥攻击，已知消息攻击，选 择消息攻击，适应性选择消息攻击四种常见的类型。 4.分组密码主要有电子密码本模式(ECB) ，密码分组链接模式(CBC) ，密码反馈模式(CFB) ， 输出反馈模式(OFB) 。 5.根据密码分析者破译时已具备的条件，把对密码系统的常见攻击分为惟密文攻击，已知明文攻 击，选择明文攻击，选择密文攻击。 三、问答 1.Feistel 密码结构主要部件是哪些？它在迭代运算中起到什么作用？ ANS：Feistel密码是通过代替和置换(S-P网络)交替的方式来构造分组密码，其实就是基于混乱和扩散原理实现加解密运算。 S盒变换：它把输入的一个n长的比特串转化为另一个m长的比特串输出。 P盒变换：通过把一个比特串中各比特的位置次序重新排列而得到新的比特串的变换。 2.数字签名的四个特征？ ANS：数字签名具有以下特征： (1) 收方能够确认或证实发方的签名，但不能伪造。 (2) 发方发出签名的消息给收方后，就不能再否认他所签发的消息。 (3) 收方对已收到的签名消息不能否认。 (4) 第三者可以确认收发双方之间的消息传送，但不能伪造这一过程。 3.分组密码主要优点是什么？其设计原则应考虑哪些问题？ ANS：分组密码的优点是：明文信息良好的扩展性，对插入的敏感性，不需要密钥同步，较强的适用性，适合作为加密标准。在分组密码具体设计中，还需重点考虑的有：S盒的设计、P盒的设计、轮函数F的设计、迭代轮数以及密钥扩展算法等。