數(shù)據(jù)通信38課件

《數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第二版）》電子教案 笫卄八講 數(shù)據(jù)加密算法本講內(nèi)容第十章網(wǎng)絡(luò)管理與信息安全

10.3數(shù)據(jù)加密算法

10.3.2對(duì)稱密鑰算法

10.3.3公開密鑰算法

10.3.2對(duì)稱密鑰算法基本原理舉例說明假設(shè)Alice和Bob使用對(duì)稱密鑰進(jìn)行通信，則：Alice和Bob同意使用同一個(gè)密碼系統(tǒng)；Alice和Bob同意使用同一個(gè)密鑰；Alice取她的明文，用加密算法和密鑰加密明文信息，產(chǎn)生一個(gè)密文信息；Alice發(fā)密文給Bob；Bob用相同的算法和密鑰解密密文信息然后閱讀。10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）在Alice和Bob之間有一個(gè)竊聽者Eve，他只竊聽到步驟（4）的傳輸，則他必須試圖對(duì)密文進(jìn)行密碼分析。但是，如果Eve知道步驟（1）和（2），他就成功了。用對(duì)稱算法，Alice和Bob可以公開完成步驟（1），但必須秘密地完成步驟（2）。協(xié)議前后及執(zhí)行當(dāng)中，密鑰必須保待安全；否則，信息將不安全。10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）DES算法DES基本構(gòu)架10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）基本概念：DES使用相同的算法來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，所使用的加密密鑰和解密密鑰是相同的，算法的輸入有64位的明文，使用56位的密鑰，輸出是64位的密文，它使用16輪的混合操作，目標(biāo)是徹底地打亂明文的信息，使得密文的每一位都依賴于明文的每一位和密鑰的每一位。算法的組成：10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）共有19個(gè)階段；第一個(gè)階段是一個(gè)與密鑰無關(guān)的變換；最后一個(gè)階段是第一個(gè)階段的反向變換；最后第二個(gè)階段是對(duì)左右32位進(jìn)行交換的簡單變換；其它16個(gè)階段在功能上是相同的，但是它們的參數(shù)是密鑰的不同的函數(shù)。中間階段過程如下圖所示：10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）DES中間變換過程10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）每一輪的關(guān)鍵是f函數(shù)，以及這一階段的子密鑰Ki，用來產(chǎn)生右邊的32位的輸出，這個(gè)函數(shù)有四個(gè)步驟：把Ri-1按預(yù)先規(guī)定的規(guī)則擴(kuò)展成48位的Ei

321234545678989101112131213141516171617181920212021222324252425262728292829303132110.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）進(jìn)行Ei

Ki操作（異或）把上一步的結(jié)果分為6位的小組，共8組，記為B1到B8，每一組通過各自的S-Box形成4位的輸出。具體做法如下（參見書上表格）：把Bj的前一位和最后一位組合的數(shù)值記為m，把Bj的第2位到第5位組成的數(shù)值記為n，這個(gè)（n,m）數(shù)對(duì)用來選擇S-Box的行和列，產(chǎn)生一個(gè)新的4位輸出。S-Box與Bj相對(duì)應(yīng)，共有8個(gè)。10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）上述8組4位輸出（共32位）通過一個(gè)變換，產(chǎn)生32位的輸出，如下所示：167202129122817115232651831102824143227391913306221142510.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）

Ki的計(jì)算方法如下：

把帶奇偶校驗(yàn)位的64位密鑰舍棄其中的奇偶校驗(yàn)位，根據(jù)下表進(jìn)行變位得到56位的密鑰，在變位時(shí)，奇偶校驗(yàn)位已被舍棄。即56位密鑰的第1位是原64位密鑰的第57位，第2位是原64位密鑰的第49位等等，直到第56位為原64位密鑰的第4位。5749413325179158504234261810259514335271911360524436635547393123157625446383022146615345372921135282012410.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）把56位的密鑰分成兩個(gè)部分，前面的28位稱為C0，后面的28位稱為D0，

和是對(duì)和按如下左移產(chǎn)生：再把按如下變換產(chǎn)生：輪數(shù)(i)12345678910111213141516左移位數(shù)112222221222222110.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）1417112415328156211023191242681672720132415231374755304051453348444939563453464250362932同樣是指的第1位是

的第14位，

的第2位是

的第17位等等，直到

的第48位為

的第32位。10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）整個(gè)算法的初始變換方法如下：算法中的反向變換方法如下：

5850423426181026052443628201246254463830221466456484032241685749413325179159514335271911361534537292113563554739312315710.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）在加密或解密過程中，如果需要加密的明文信息超過64位，這時(shí)，可以采用四種方式：電碼薄方式（ECB：ElectronicCodeBook）；密碼塊鏈方式（CBC：CipherBlockChaining）；密碼反饋方式（CFB：CipherFeedBack）；輸出反饋方式（OFB：OutputFeedBack）10.3.2對(duì)稱密鑰算法（續(xù)）Rijndael算法步驟：在初始?jí)K和密鑰之間進(jìn)行逐位異或，加密第1輪的輸入，結(jié)果稱為狀態(tài)（state）。接著進(jìn)行10輪類似的運(yùn)算，每一輪都用特定的矩陣操作來改變它的輸入，從而產(chǎn)生輸出狀態(tài)（本質(zhì)上是另一個(gè)矩陣），并以此作為下一輪活動(dòng)的輸入如果塊或密鑰大小更大，需要更多輪次，但是基本的步驟還是一樣的。10.3.3公開密鑰算法問題的提出數(shù)據(jù)加密中，有一個(gè)比較重要的問題需要解決，即如何把密鑰送到對(duì)方，由對(duì)方來進(jìn)行解密。不管一個(gè)加密方法如何強(qiáng)壯，一旦解密密鑰被入侵者獲得，那么加密也就沒有意義。公開密鑰算法

體制思想： 要求密鑰成對(duì)出現(xiàn)，一個(gè)為加密密鑰(Ke)，另一個(gè)為解密密鑰(Kd)，加密密鑰和解密密鑰不同，且不可能從其中一個(gè)推導(dǎo)出另一個(gè)。10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）假設(shè)明文為P，加密算法（包括密鑰）為E，解密算法（包括密鑰）為D，要求滿足以下三個(gè)條件：D(E(P))=P；從E推導(dǎo)D是極其困難的；E不能通過部分明文來解破。優(yōu)點(diǎn)： 不需要經(jīng)安全渠道傳遞密鑰，大大簡化了密鑰管理。10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）RSA算法理論基礎(chǔ)即將兩個(gè)大的質(zhì)數(shù)合成一個(gè)大數(shù)很容易，而相反的過程則非常困難。在當(dāng)今技術(shù)條件下，當(dāng)n足夠大時(shí)，欲從n中通過質(zhì)因子分解試圖找到與d對(duì)應(yīng)的p、q是極其困難甚至是不可能的。例如：分解一個(gè)200位的整數(shù)需要40億年的計(jì)算機(jī)時(shí)間，而分解一個(gè)500位的整數(shù)需要1025年的計(jì)算機(jī)時(shí)間10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）步驟：選擇兩個(gè)大整數(shù)p和q，一般要求大于10100；計(jì)算n=pq和z=(p-1)(q-1)；選擇一個(gè)與z互素的整數(shù)，記為d；計(jì)算滿足下列條件的e，（ed）modz=1加密：把待加密的明文分割成一定大小的塊P，這個(gè)P可以看成是一個(gè)整數(shù)，要求0Pn，我們可以把P的長度設(shè)為k，則要求2k<n。對(duì)P加密就是計(jì)算C=Pemodn10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）解密： 解密計(jì)算P=Cdmodn

注意： 為了加密，我們需要e和n，為了解密，我們需要d和n，這樣，加密密鑰（即公開密鑰）為（e，n），解密密鑰（即秘密密鑰）為（d，n）。舉例說明假設(shè)p=3，q=11；=>n=33，z=2010.3.3公開密鑰算法（續(xù)）選擇與20互素的d=7；對(duì)于e，要求7emod20=1，可以選擇e=3。加密過程為C=P3mod33，解密為P=C7mod33。加密塊大小只能為一個(gè)字節(jié)，并且假設(shè)字母A到Z的編碼為1到26對(duì)于“SUZANNE”的加密如下表所示10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）明文密文解密后符號(hào)數(shù)字P3P3mod33C7C7mod33符號(hào)S196859281349292851219SU21926121180108854121UZ261757620128000000026ZA011111AN14274457812514NN14274457812514NE051252680318101765E用RSA加密的例子

10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）公開密鑰，私有密鑰對(duì)這對(duì)密鑰互逆，系統(tǒng)可以公開其中的任一個(gè)密鑰。因?yàn)橄率鰞墒蕉汲闪?P=D(d,E(e,P))（1）P=E(e,D(d,P))（2）其中：P=明文；D（）=解密算法；E（）=加密算法；d=私有密鑰；e=公開密鑰，可以用私有密鑰對(duì)用相應(yīng)的公開密鑰加密的信息進(jìn)行解密，如（1）；同時(shí)，也能用公開密鑰將相應(yīng)的私有密鑰加密的密文解開，如（2）。10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）這表明：私有密鑰和公開密鑰具有互換性，即公開密鑰與私有密鑰只是概念的不同，其實(shí)質(zhì)是沒有區(qū)別的。RSA算法的缺點(diǎn)：產(chǎn)生密鑰很麻煩，受到素?cái)?shù)產(chǎn)生技術(shù)的限制，因而難以做到一次一密。分組長度太大，為保證安全性，n至少也要很大，使運(yùn)算代價(jià)很高，尤其是速度較慢，較對(duì)稱密碼算法慢幾個(gè)數(shù)量級(jí)；且隨著大數(shù)分解技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)長度還在增加，不利于數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化。10.3.3公開密鑰算法（續(xù)）無論是軟件還是硬件實(shí)現(xiàn)，RSA最快的情況也比DES慢上100倍。速度一直是RSA的缺陷。一般來說只用于少量數(shù)據(jù)的加密。練習(xí)題10.14DES算法中，若K1=000000000000，R0=D8D8DBBC，求S(K1