網(wǎng)絡(luò)安全06：對(duì)稱密碼課件

Chapter6

對(duì)稱密碼

《密碼編碼學(xué)與網(wǎng)絡(luò)安全》

2023/3/171選擇當(dāng)前對(duì)稱密碼算法的標(biāo)準(zhǔn)：密碼強(qiáng)度廣泛應(yīng)用于Internet上代表了自DES以來(lái)的現(xiàn)代密碼技術(shù)本章介紹算法：3DESBlowfishRC4,RC52023/3/172西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.1三重DES算法§6.1.12DES？2023/3/173西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.1.2使用兩個(gè)密鑰的3DES三重兩密思路：加密-解密-加密：說(shuō)明：第二步用解密運(yùn)算，可適應(yīng)單DES，即當(dāng)k2＝k1時(shí)，3DES＝1DES安全性：目前無(wú)可行攻擊方法應(yīng)用：較多，如密鑰管理標(biāo)準(zhǔn)ANSIX9.17和ISO8732。攻擊2023/3/175西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/176西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院三重三密思路：加密-解密-加密應(yīng)用：較多，如PGP和S/MINE

。五重三密DES思路：加密-解密-加密-解密-加密

應(yīng)用：可適應(yīng)單DES或三重兩密的情形

§6.1.3使用三個(gè)密鑰的3DES2023/3/177西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.2.1子密鑰和S盒的產(chǎn)生原始密鑰：K，32to448bit18個(gè)32位的子密鑰：Pi（i＝1，2，…，18）4個(gè)8X32的S盒，每個(gè)有256項(xiàng)，每項(xiàng)32位：Si,j（i＝1,2,3,4；j＝0,1,…,255）2023/3/179西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院基本運(yùn)算加法：＋，mod232按位異或,⊕,XOR查找§6.2.2加密和解密2023/3/1710西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1711西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1713西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院函數(shù)F設(shè)F的輸入為x（32bit），將x分為4個(gè)字節(jié)x＝（a，b，c，d），則F定義為F(x)＝(a，b，c，d)＝

§6.2.2加密和解密2023/3/1714西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院解密§6.2.2加密和解密密文分為左右兩個(gè)32-bit的分組L0，R0fori=1to16doRi

=Li-1XORP19-i;Li

=F[Ri]XORRi-1;L17=R16XORP1;R17=L16XORP2;其中F[a,b,c,d]=((S1,a+S2,b)XORS3,c)+S4,a明文M＝（L17，R17）2023/3/1715西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院特點(diǎn)（主要與DES比較）S盒與密鑰有關(guān)；子密鑰和S盒由算法本身生成，故數(shù)據(jù)完全不可辨認(rèn)，對(duì)密鑰分析異常困難；每輪運(yùn)算都是對(duì)數(shù)據(jù)的左右兩部分同時(shí)執(zhí)行；對(duì)窮舉攻擊是安全的（密鑰可達(dá)448位）；執(zhí)行速度快。（可在32-bitCPUs上快速實(shí)現(xiàn)，內(nèi)存的使用可少至5K）（設(shè)計(jì)算法時(shí)所考慮的）因素窮舉攻擊的難度來(lái)自兩個(gè)方面：密鑰長(zhǎng)度和密鑰產(chǎn)生過(guò)程；由函數(shù)F產(chǎn)生了很好的雪崩效應(yīng)；F的每一位輸入僅用作一個(gè)S盒的一位輸入；函數(shù)F的形式與迭代輪數(shù)無(wú)關(guān)，而CAST（加拿大）則有關(guān)?！?.2.3討論2023/3/1717西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1718西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院RSADSI擁有版權(quán)由RonaldRivest設(shè)計(jì)用在各種RSADSI的產(chǎn)品中密鑰長(zhǎng)度可變、明文分組大小可變，迭代次數(shù)可變

非常明確簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)可用于字長(zhǎng)不同的處理器安全性高

§6.3RC52023/3/1719西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.3.2

密鑰擴(kuò)展2023/3/1721西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1722西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.3.3/4RC5的加/解密加密：明文輸入存入兩個(gè)w位的寄存器A和B中L0=A+S[0];R0=B+S[1];fori=1tordoLi

=((Li-1XORRi-1)<<<Ri-1)+S[2xi];Ri

=((Ri-1XORLi)<<<Li)+S[2xi+1];解密：很容易由加密過(guò)程推導(dǎo)出來(lái)每一輪像DES的兩輪兩個(gè)最顯著特點(diǎn)算法簡(jiǎn)單移位與數(shù)據(jù)相關(guān)2023/3/1723西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.3.5

RC5的運(yùn)行模式RFC2040中定義了RC5的四種運(yùn)行模式RC5分組密碼：即電碼本（ECB）模式；RC5-CBC：即密碼分組鏈接（CBC）模式；RC5-CBC-Pad：屬CBC模式，可以處理任意長(zhǎng)的明文，密文最多比明文長(zhǎng)一個(gè)RC5的分組長(zhǎng)度；RC5-CTS（密文挪用模式）：屬CBC模式，處理任意長(zhǎng)的明文并得到等長(zhǎng)的密文。2023/3/1725西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1726西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1729西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.4高級(jí)對(duì)稱分組密碼的特點(diǎn)密鑰長(zhǎng)度可變：Blowfish和RC5復(fù)合運(yùn)算：Blowfish、RC5與數(shù)據(jù)相關(guān)的循環(huán)移位：與密鑰相關(guān)的S盒：Blowfish復(fù)雜的密鑰生成算法：Blowfish可變的分組長(zhǎng)度：RC5可變的迭代輪數(shù)：RC5每輪迭代同時(shí)更新左右兩半數(shù)據(jù)：Blowfish和RC5函數(shù)F可變：CAST-128與密鑰相關(guān)的循環(huán)移位：2023/3/1730西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1731西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.5分組密碼的工作模式FIPS81中定義了4種模式，到800-38A中將其擴(kuò)展為5個(gè)?？捎糜谒蟹纸M密碼。DES的工作模式若明文最后一段不足分組長(zhǎng)度，則補(bǔ)0或1，或隨機(jī)串。

2023/3/1732西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院模式描述典型應(yīng)用電碼本（ECB）用相同的密鑰分別對(duì)明文組加密單個(gè)數(shù)據(jù)的安全傳輸密碼分組鏈接（CBC）加密算法的輸入是上一個(gè)密文組和下一個(gè)明文組的異或普通目的的面向分組的傳輸；認(rèn)證密碼反饋（CFB）…普通目的的面向分組的傳輸；認(rèn)證輸出反饋（OFB）…噪聲信道上的數(shù)據(jù)流的傳輸計(jì)數(shù)器（CTR）…普通目的的面向分組的傳輸；用于高速需求DES的工作模式

2023/3/1733西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.5.1電碼本模式

（ElectronicCodeBook，ECB）工作模式

加密：Cj=Ek(Pj),(j=1,2,…,n)解密：Pj=Dk(Cj)應(yīng)用特點(diǎn)錯(cuò)誤傳播

不傳播，即某個(gè)Ct的傳輸錯(cuò)誤只影響到Pt的恢復(fù)，不影響后續(xù)的（j＞t）。2023/3/1734西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院ElectronicCodebookBook(ECB)2023/3/1735西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院摘自：NISTSpecialPublication800-38A2001Edition2023/3/1736西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.5..2密碼分組鏈接模式

（CipherBlockChaining，CBC）工作模式

加密解密應(yīng)用加密長(zhǎng)度大于64位的明文P認(rèn)證特點(diǎn)錯(cuò)誤傳播

2023/3/1737西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院CipherBlockChaining(CBC)2023/3/1738西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院摘自：NISTSpecialPublication800-38A2001Edition2023/3/1739西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院工作模式加密解密應(yīng)用保密：加密長(zhǎng)度大于64位的明文P；分組隨意；可作為流密碼使用。認(rèn)證：特點(diǎn)分組任意安全性優(yōu)于ECB模式加、解密都使用加密運(yùn)算（不用解密運(yùn)算）錯(cuò)誤傳播有誤碼傳播，設(shè)，則錯(cuò)誤的Ct會(huì)影響到Pt…,Pt+r。§6.5.3密碼反饋模式

（CipherFeedBack，CFB）2023/3/1740西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院CipherFeedBack(CFB)2023/3/1741西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院摘自：NISTSpecialPublication800-38A

2001Edition2023/3/1742西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.5.4輸出反饋模式

（OutputFeedBack，OFB

）工作模式

加密解密應(yīng)用特點(diǎn)缺點(diǎn)：抗消息流篡改攻擊的能力不如CFB。

錯(cuò)誤傳播

不傳播

2023/3/1743西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院OutputFeedBack(OFB)2023/3/1744西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院摘自：NISTSpecialPublication800-38A2001Edition2023/3/1745西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院工作模式

加密：給定計(jì)數(shù)器初值IV，則j=1,2,…,N

解密特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)硬件效率：可并行處理；軟件效率：并行化；預(yù)處理；隨機(jī)訪問：比鏈接模式好；可證明的安全性：至少與其它模式一樣安全；簡(jiǎn)單性：只用到加密算法。錯(cuò)誤傳播

不傳播§6.5.5計(jì)數(shù)器模式

（Counter,CTR）2023/3/1746西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院Counter(CTR)2023/3/1747西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院摘自：NISTSpecialPublication800-38A2001Edition2023/3/1748西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.6RC4流密碼StreamCiphers：RC4消息的處理以bit為單位以流的方式進(jìn)行

偽隨機(jī)密鑰流

keystream密鑰流與明文進(jìn)行按位的異或運(yùn)算(XOR)密鑰的隨機(jī)性破壞明文中的統(tǒng)計(jì)規(guī)律

Ci=MiXORStreamKeyi

不能重復(fù)使用密鑰流否則將被破譯2023/3/1749西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院流密碼的特性設(shè)計(jì)流密碼需要考慮的因素:加密序列的周期要長(zhǎng)

統(tǒng)計(jì)上滿足隨機(jī)性密鑰要足夠長(zhǎng)，以免窮舉攻擊（>128bits）要有高的線性復(fù)雜度通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到相同密鑰尺寸下分組密碼的安全性簡(jiǎn)單快速2023/3/1750西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院2023/3/1751西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院§6.6.1流密碼的結(jié)構(gòu)2023/3/1752西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院概述RSADSI所擁有，1987年RonRivest設(shè)計(jì),1994年9月公開流密碼，面向字節(jié)操作；密鑰長(zhǎng)度可變；數(shù)學(xué)基礎(chǔ)：隨機(jī)置換；周期T>10100；廣泛使用(webSSL/TLS,WEP)特點(diǎn)：算法簡(jiǎn)單，易于描述。符號(hào)K[0～L－1]——（原始）密鑰（1≤L≤256），每個(gè)K[i]為1個(gè)字節(jié)S[0～255]——狀態(tài)矢量，每個(gè)S[i]為1個(gè)字節(jié)T——臨時(shí)矢量，與S同大小k——密鑰流（子密鑰）§6.6.2RC42023/3/1753西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院初始化S賦初值j＝0fori＝0to255do{S[i]＝i；T[i]＝K[imodL

]}初始置換j＝0fori＝0to255do{j＝j(luò)＋S[i]＋T[i]mod256；swap(S[i],S[j])}§6.6.2RC42023/3/1754西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院密鑰流的生成i＝j(luò)＝0while（true）{i＝i＋1mod256；

j＝j(luò)＋S[i]mod256；

swap（S[i]，S[j]）；

t＝S[i]＋S[j]mod256；

k＝S[t]}