对称密码基本加密实验【实验内容】通过运算器工具实现DES、3DES、IDEA、AES-128/192/256、SMS4等算法的加解密计算通过流程演示工具完成DES算法加解密运算的逐步演示和实例演示通过轮密钥查看工具查看3DES和AES的轮密钥生成过程查看AES算法逐步计算的动画演示对DES、3DES、IDEA、AES-128/192/256、SMS4等算法的加解密进行扩展实验对DES、3DES、IDEA、AES-128/192/256、SMS4等算法的加解密进行算法跟踪对称密码基本加密实验【实验原理】对称密码体制使用相同的加密密钥和解密密钥，其安全性主要依赖于密钥的保密性。
分组密码是对称密码体制的重要组成部分，其基本原理为：将明文消息编码后的序列m0,m1,m2,…,m i划分为长度为L(通常为64或128)位的组m=(m0,m1,m2,…,m L-1)，每组分别在密钥k=(k0,k1,k2,…,k t-1)(密钥长度为t)的控制下变换成等长的一组密文输出序列c=(c0,c1,c2,…,c L-1)。
分组密码的模型如图1.1.4-1所示。
012t-1012t-1图1.1.4-1分组密码实际上是在密钥的控制下，从一个足够大和足够好的置换子集中简单而迅速地选出一个置换，用来对当前输入的明文分组进行加密变换。
现在所使用的对称分组加密算法大多数都是基于Feistel分组密码结构的，遵从的基本指导原则是Shannon提出的扩散和混乱，扩散和混乱是分组密码的最本质操作。
分组密码与流密码的对比：分组密码以一定大小的分组作为每次处理的基本单元，而流密码则以一个元素(如一个字母或一个比特)作为基本的处理单元；流密码使用一个随时间变化的加密变换，具有转换速度快、低错误传播的优点，软硬件实现简单，缺点是低扩散、插入及修改不敏感；分组密码使用的是一个不对时间变化的固定变换，具有扩散性好、插入敏感等优点，缺点是加解密处理速度慢、存在错误传播。
一、DES算法数据加密标准(Data Encryption Standard,DES)中的算法是第一个也是最重要的现代对称加密算法，其分组长度为64比特，使用的密钥长度为56比特(实际上函数要求一个64位的密钥作为输入，但其中用到的有效长度只有56位，剩余8位可作为奇偶校验位或完全随意设置)，DES加解密过程类似，加解密使用同样的算法，唯一不同的是解密时子密钥的使用次序要反过来。
DES的整个体制是公开的，系统安全性完全依靠密钥的保密。
DES的运算可分为如下三步：(1)对输入分组进行固定的“初始置换”IP，可写为(L0,R0)=IP(输入分组)，其中L0和R0称为“(左,右)半分组”，都是32比特的分组，IP是公开的固定的函数，无明显的密码意义。
(2)将下面的运算迭代16轮(i=1,2,…,16)：Li=Ri-1 ，Ri-1=Li-1f(Ri-1,ki)；这里ki称为轮密钥，是56比特输入密钥的一个48比特字串，f称为S盒函数(S表示交换)，是一个代换密码，目的是获得很大程度的信息扩散。
(3)将十六轮迭代后得到的结果(L16,R16)输入到IP的逆置换来消除初始置换的影响，这一步的输出就是DES算法的输出，即输出分组=IP-1(R16,L16)，此处在输入IP-1之前，16轮迭代输出的两个半分组又进行了一次交换。
DES的加密与解密算法都是用上述三个步骤，不同的是如果在加密算法中使用的轮密钥为k1,k2,…,k16，则解密算法中的轮密钥就应当是k16,k15,…,k1，可记为(k1`,k2`,…,k16`)=(k16,k15,…,k1)。
DES算法的一轮迭代处理过程如图1.1.4-2所示。
图1.1.4-2DES的计算过程如图1.1.4-3所示。
图1.1.4-3在加密密钥k 下，将明文消息m 加密为密文c ，使用DES 将c 在k 下解密为明文，解密过程如下：(L 0`,R 0`)=IP(c)=IP(IP -1(R 16,L 16))，即(L 0`,R 0`)=(R 16,L 16)；在第一轮中，L 1`=R 0`=L 16=R 15，R 1`=L 0`f(R 0`,k 1`)=R 16f(L 16,k 1`)=[L 16f(R 15,k 16)]f(R 15,k 16)=L 15，即(L 1`,R 1`)=(R 15,L 15)；同样的，在接下来的15轮迭代中，可以得到(L 2`,R 2`)=(R 14,L 14)，……，(L 16`,R 16`)=(R 0,L 0)；最后一轮结束后，交换L 16`和R 16`，即(R 16`,L 16`)=(L 0,R 0)，IP -1(L 0,R 0)=IP -1(IP(m))=m ，解密成功。
二、 3DES 算法DES 的一个主要缺点是密钥长度较短，同时也被认为是DES 仅有的最严重的弱点，容易遭受穷举密钥搜索攻击。
克服密钥较短缺陷的一个解决方法是使用不同的密钥，多次运行DES 算法，3DES 应运而生。
3DES 具有四种使用模式，其中的一种为加密-解密-加密的3DES 方案，加解密过程可表示为：，其中。
三、 IDEA 算法1990年，瑞士联邦理工学院的中国青年学者来学嘉（Xuejia Lai ）和著名密码专家James12i16L. Massey在EUROCRYPT 1990国际会议上提出了一个名叫PES（Proposed Encryption Standard）分组密码算法，稍后经过改进成IPES（Improved PES），并于1992年被最终定名为国际数据加密标准（International Data Encryption Algorithm，IDEA）。
国际上普遍认为IDEA是继DES 之后的，又一个成功的分组密码，已经应用于Email系统的PGP（Pretty Good Privacy）、OpenPGP的标准算法以及其他加密系统中。
IDEA是一个分组密码，也是一个对合运算，明文和密文的分组长度为64比特，密钥长度为128比特。
IDEA易于实现，软硬件实现都很方便，而且加解密速度很快。
(一)加密运算IDEA中的三个运算为：l 6位子分组的相异或；16位整数的模216加，即；16位整数的模216+1乘，即。
IDEA的整体结构如图1.1.4-4所示，由8轮迭代和一个输出变换组成。
64位的明文分为4个子块，每块16位，分别记为。
64位的密文也分为4个子块，每块16位，分别记为。
128位的密钥经过子密钥生成算法产生出52个16位的子密钥，每一轮加密迭代使用6个子密钥，输出变换使用4个子密钥。
记为第r轮迭代使用的第i个子密钥，。
记为输出变换使用的第i个子密钥，。
每一轮的运算步骤如下：(1)。
(2)。
(3)。
(4)。
(5)将第(1)步和第(3)步的结果异或。
(6)将第(2)步和第(4)步的结果异或。
(7)将第(5)步的结果乘以。
(8)将第(6)步和第(7)步的结果相加。
(9)将第(8)步的结果乘以。
(10)将第(7)步和第(9)步的结果相加。
(11)将第(1)步和第(9)步的结果异或。
(12)将第(3)步和第(9)步的结果异或。
(13)将第(2)步和第(10)步的结果异或。
(14) 将第(4)步和第(10)步的结果异或。
(15) 第(11)，(12)，(13)，(14)步的结果为本轮加密迭代的输出结果。
图1.1.4-4(二) 解密运算IDEA 的解密过程和加密过程相同，只是所使用的子密钥不同。
IDEA 采用基本轮函数迭代结构，既采用混淆技术，又采用扩散技术。
具体地，采用了三种不同的代数群，将其混合运算，获得了良好的非线性，增强了密码的安全性。
IDEA 是在Ascom-Tech AG 公司的Hasler 基金会的支持下完成的，在许多国家申请了专利保护，在非商业领域却是自由使用的。
IDEA 的商标为MediaCrypt 所拥有，专利保护期到2010-2011年间。
四、 AES 算法美国国家标准技术协会(NIST)于1997年提出征集一个新的对称密钥分组加密算法作为取代DES 的新的加密标准的公告，并将这个新的算法命名为高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)。
2000年10月2日，NIST 宣布选中了Rijndeal 算法，建议作为AES 使用，并于2001年正式发布了AES 标准。
Rijndeal 算法是具有分组长度和密钥长度均可变的分组密码，密钥长度和分组长度可独立指定为128比特、192比特或256比特。
为了满足AES 的要求限定处理分组的大小为128比特，密钥长度为128比特、192比特或256比特，相应的迭代轮数为10轮、12轮、14轮，分别记为AES-128/192/256。
Rijndeal 算法采用Square 结构，每一轮都使用代替和混淆并行地处理整个数据分组，包括3个代替和1个混淆。
此处以密钥程度与分组长度均为128比特(此时对应的轮数是10)为例，说明Rijndeal 算法的加解密过程。
128比特的消息(明文、密文)被分为16个字节，记为：输入分组=m 0,m 1,…,m 15；同样的密钥分组也如此：k=k 0,k 1,…,k 15；内部数据结构的表示为一个44矩阵：(1)(9)第一轮输入分组=输入密钥=Rijndeal中的轮变换记为Round(State,RoundKey)，这里State是轮消息矩阵，可被看成输入或输出；RoundKey是轮密钥矩阵，由输入密钥通过密钥表导出。
一轮的完成将改变State 的元素的值，即改变State的状态。
轮(除了最后一轮)变换由四个不同的变换组成，如下所示。
Round(State,RoundKey){SubBytes(State);ShiftRows(State);MixColumns(State);AddRoundKey(State,RoundKey);}最后一轮稍有不同，记为FinalRound(State,RoundKey)，等于不使用MixColumns函数的Round(State,RoundKey)。
论变换是可逆的，以便于解密。
相应的逆轮变换记为Round-1(State,RoundKey)和FinalRound-1(State,RoundKey)。
SubBytes(State)函数为State的每一个字节x提供了一个非线性代换，任一GF(28)域上的非零字节x被如下变换所代换：y=Ax-1+b；此处A=b=ShiftRows(State)函数在State的每行上运算，对于在第i行的元素，循环左移i个位置。
MixColumns(State)函数在State的每列上作用，此处只描述对一列的作用：对于一列(s0,s1,s2,s3)-1，将其表示成3次多项式s(x)=s3x3+s2x2+s1x+s0；对s(x)做如下运算得到d(x)=c(x)•s(x)(mod x4+1)，其中c(x)=c3x3+c2x2+c1x+c0=’03’x3+’01’x2+’01’x+’02’，c(x)的系数是GF(28)域中的元素(以十六进制表示字节)。