密码学理论与技术
主要内容
• 算法分类 • 密码算法面临的问题和发展趋势 • 算法的使用 • 操作模式
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密码算法分类-i
按照保密的内容分： ➢受限制的(restricted)算法：算法的保密
性基于保持算法的秘密。
➢基于密钥(key-based)的算法：算法的 保密性基于对密钥的保密。
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➢流密码(stream cipher)：又称序列密码。序 列密码每次加密一位或一字节的明文，也 可以称为流密码。
序列密码是手工和机械密码时代的主流
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密码算法分类-v
➢公开密钥密码: ➢大部分是分组密码，只有概率密码体制属
于流密码 ➢用法：每次对一块数据加密 ➢用途：数字签名,身份认证 ➢举例：RSA, ECC, ElGamal
同的影响，包括将错误传递到后面将要解密的明文块。
不同应用中可接受的错误不同。上面提到的分块大小很
明显的会影响到错误增殖
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密码算法的使用
• 四个基本任务
– （1）算法—密码算法设计、评估、实现 – （2）生成使用该算法的秘密信息—密钥生成 – （3）研制秘密信息的分布与共享的方法—密
钥管理
• 加密映射的复杂度。算法的复杂度会影响执行时的开销， 包括硬件的和软件的(如门的数量和码或数据的长度)， 和实时性能(吞吐量)。有些算法的复杂度特别依赖于硬 件或是软件
• 数据的扩展。对明文加密不增加数据的长度通常是所希 望的，有时还是必需的。多名码置换和随机加密会引起
数据膨胀
• 错误增殖。有错误比特的解密可能会对恢复明文产生不
网络层： 路由、转发，拥塞控制
数据链路层： 成帧，差错控制、流量控 制，物理寻址，媒体访问 物控理制层： 缆线，信号的编码，网络 接插件的电、机械接口
ISO-OSI模型
分组 帧 PDU: Protocol Data Unit 密码学协3议9 数据单元
数据的封装
应用层 表示层
Sender
AApppplilcicaattioionn PPrreesseennttaattioionn
• 吞吐量。与加密映射的复杂度有关。还与执行时的方法 和平台有关
• 分块大小。影响安全和复杂度。(越大，安全性越好， 但执行时开销也越大)。也会影响性能，因为需要填充
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对分组加密和操作模式的评估
• 分块大小。分块大小影响安全和复杂度。(越大，安全 性越好，但执行时开销也越大)。它也会影响性能，比 如要求填充
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CBC
• 每一个密文分组Y， 在用密钥K加密之前， 都要先跟下一个明文 分组相异或
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使用图
密码学 21
CBC的特点
➢ 相同的明文在相同的密钥和IV作用下，产生相同的密文。 如果改变IV，或密钥，或第一个明文块，将会产生比不 同的密文
➢ 链式机制会使得密文cj与明文xj以及前面所有的明文块 都有关系。这种关联表现在前面密文块的值上。因此， 密文块的重新排列会影响解密。一个密文块的正确破译 需要用到先前的密文块
操作作用于全部数据
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分组密码算法总体研究趋势
• 模型研究 • 选取适当的密码特性好的非线性模块
和线性模块，构造分组密码算法
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Feistel 与SP相结合
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Rijndael
• 不属于Feistel结构 • 加密、解密相似但不对称 • 支持128/32=Nb数据块大小 • 支持128/192/256(/32=Nk)密钥长度 • 有较好的数学理论作为基础 • 结构简单、速度快
加密解密速度慢
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现代常规分组加密算法—发展趋 势
• 一种是对DES进行复合，强化它的抗攻 击能力
• 另一种是开辟新的方法，即象DES那样 加解密速度快，又具有抗差分攻击和其 他方式攻击的能力
• 新理论、新技术：量子密码、生物密码
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对称密码算法简介
• 可变密钥长度: RC5 • 混合运算IDEA • 数据相关的圈数RC5 • 密钥相关的圈数CAST-128 • 密钥相关的S盒: Blowfish • 冗长密钥调度算法： Blowfish • 可变的F：CAST-128 • 发展趋势： • 可变长明文/密文块长度、可变圈数、每圈
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OFB的特点
• 将分组密码作为同步序列密码运行的一种方法， 与 CFB 模式类似，所不同的是 OFB 是将前一 个 n-位输出分组送入队列最右端的位置
• 解密是其逆过程。在加解密两端，分组算法都以 加密模式使用
• 这种方法有时也叫做内部反馈(Internal Feedback)，因为反馈机制独立于明文和密文而 存在。
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Rijndael安全性
• 没有发现弱密钥或补密钥 • 能有效抵抗目前已知的攻击算法
线性攻击 差分攻击
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密码算法的使用
• 标准工作模式 • 如何用到实际工程之中构建安全的信息
传递通道
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密码工作模式的目的
• 解决密钥的产生和使用问题
• 安全性依赖于基本密码，而不依赖模式。工作模 式不会损害算法的安全性
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使用图
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ECB的特点-1
• 相同的明文块在相同的密钥作用下产生相同的密 文(明文相同性)
• 明文块被相互独立的加密，密文块的重新排序会 引起相应明文的重新排序(前后关联性)
• 一个密文块中一位或几位比特位出现错误，它只 影响这个块本身的解密 (错误增殖)
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• 独立地进行E加C解B密的，特因而点对-2整个明文序列的加解
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计数模式
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使用图
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– 可以将分组密码计转换数为模序列式密码
– 可以并行实现 – 可以进行预处理 – 适用于高速网络 – 可以随机访问加密的数据分组 – 与CBC模式一样安全 – 可以处理任意长度的消息 – 误差传递：一个单元损坏只影响对应单元 – 对于每次加密，需要使用不同的密钥的计数器值 – 对明文的主动攻击是可能的：信息块可被替换、重放
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软件保护
• 主要要求是防拷贝、反跟踪。 • 防拷贝：软件加密防伪，采用软件运行过
程中与定制硬件进行认证的方法，有效保 护电子产品的嵌入式软件设计，防止对产 品硬件的拷贝，保护电子产品的版权。 • 反跟踪技术
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安全协议层
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链路加密和端到端计原则
• 软件实现的要求：使用子块和简单的运算。密码
运算在子块上进行，要求子块的长度能自然地适 应软件编程，如8、16、32比特等 • 应尽量避免按比特置换，在子块上所进行的密码 运算尽量采用易于软件实现的运算。最好是用标 准处理器所具有的一些基本指令，如加法、乘法、 移位等
• 1980 年 12 月，FIPS81 标准化了为 DES 开发 的四种工作模式，这些工作模式可用于任何分组 密码：
电子密码本模式（ECB） 密码反馈模式（CFB） 密码分组链接模式（CBC） 输出反馈模式（OFB）
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ECB • 一个明文分组加密成
一个密文分组，每个 明文分组都可被独立 地进行加解密，因而 对整个明文序列的加 解密可以以随机的顺 序进行
Receiver
AApppplilcicaattioionn PPrreesseennttaattioionn
SSeessssioionn TTrraannssppoorrtt
NNeettwwoorrkk DDaattaalilninkk PPhhyyssicicaall
OSI mnemonics All People Seem To Need Data Processing
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比较
密码学 29
比较
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• 是2001年计NIS数T公模布式的一(种C新M的) 操作模式，一般
作为分组密码到序列密码的的转换方式，可应用 于高速网络加密。除了密钥之外，还要求一个 IV(计数值) • 与OFB 类似，但是计数器值用于加密，而不是 密文反馈值 • 必须对每一个明文使用一个不同的密钥和计数值
Please Do Not Throw Sausage Pizza Away
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加密的位置
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各种加密位置包含的内容
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网络各层的相关密码协议
• 链路层：链路隧道协议、加密技术 • 网络层：包过滤、IPSEC协议、VPN • 传输层/会话层 ：SSL 协议 • 应用层：SHTTP、PGP、S/MIME等
Virtual data flow
A
PA
会话层
SSeessssioionn
SPA
传输层
TTrraannssppoorrtt
TSPA
网络层
NNeettwwoorrkk
N T S PA
数据链路层 DDaattaalilninkk
DN T S PAD
物理层
PPhhyyssicicaall
Actual data flow
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对分组加密和操作模式的评估
• 实际上有很多的标准：
• 安全等级评定。如果一种算法能经受住一段时间的分析 攻击，则其安全性会认为比没有受到这种攻击的要好。 这包括近来被提出或是获得好评的一些根据不同设计准 则而选用的一些算法。实际攻击所需要的密文数量要比 唯一解距离大的多
• 密钥的大小。密钥的有效比特长度，或者加密所用的密 钥空间，定义了密文安全的上限(考虑穷举法)。长的密 钥会要求额外的开销，如产生，传送，存储
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CFB
• 加(解)密过程山一个 初始向量Y0 = IV开 始，通过加密前一密 文分组来产生当前分 组的密钥流元素