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网络安全 — 技术与 实践 （第 2 版） 刘建伟 王育民 编著 清华大学出版社

普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教育部 2011 年精品教材. 网络安全 — 技术与 实践 （第 2 版） 刘建伟 王育民 编著 清华大学出版社. 课件制作人声明. 本课件总共有 17 个文件，版权属于刘建伟所有，仅供选用此教材的教师和学生参考。 本课件严禁其他人员自行出版销售，或未经作者允许用作其他社会上的培训课程。 对于课件中出现的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 课件制作人：刘建伟 2013 年 10 月 9 日. 单钥加密体制（第 2 讲）. Rijndeal 算法与 AES. 二. 三. 四. 一. 五. 一. IDEA.

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网络安全 — 技术与 实践 （第 2 版） 刘建伟 王育民 编著 清华大学出版社

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  1. 普通高等教育“十一五”国家级规划教材 教育部2011年精品教材 网络安全—技术与实践（第2版） 刘建伟 王育民 编著 清华大学出版社

  2. 课件制作人声明 • 本课件总共有17个文件，版权属于刘建伟所有，仅供选用此教材的教师和学生参考。 • 本课件严禁其他人员自行出版销售，或未经作者允许用作其他社会上的培训课程。 • 对于课件中出现的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。 • 课件制作人：刘建伟 • 2013年10月9日

  3. 单钥加密体制（第2讲） Rijndeal算法与AES 二 三 四 一 五 一 IDEA RC5 分组密码的工作模式 流密码

  4. 单钥加密体制（第2讲） Rijndeal算法与AES 二 三 四 一 五 一 IDEA RC5 分组密码的工作模式 流密码

  5. AES评选过程:1998年8月20日，NIST公布了15个候选算法。第一轮选出5个，第二轮选定Rijndael。于2000年10月2日，由NIST正式对外公布。AES评选过程:1998年8月20日，NIST公布了15个候选算法。第一轮选出5个，第二轮选定Rijndael。于2000年10月2日，由NIST正式对外公布。 5个候选算法：Mars, RC6, Rijndael, Serpent, Twofish Rijndael算法的原型是Square算法，其设计策略是宽轨迹策略(Wide Trail Strategy)，以针对差分分析和线性分析； Rijndael是迭代分组密码，其分组长度和密钥长度都是可变的；为了满足AES的要求，分组长度为128bit，密码长度为128/192/256bit，相应的轮数r为10/12/14。 设计人：比利时密码学家Daemen和Rijinmen。 • 一、AES Candidates和Rijndeal

  6. 一、AES Candidates和Rijndeal • 为了简化讨论，这里只讨论密钥长度128bits，分组长度128bits的情况，但不失一般性。 • 128bits的消息（明文、密文）分组被分成16个Bytes（1Bytes=8bits，所以16Bytes=16×8bits=128bits），记为： • InputBlock= • 密钥分组如下：InputKey = • 内部数据结构的表示是一个4×4矩阵： Rijndeal密码概述

  7. 一、AES Candidates和Rijndeal • 与DES一样，Rijndeal算法也是由基本的“轮变换”经过多次迭代而成。密钥长度为128bits时，轮数为10。当密钥长度和分组长度增大时，轮数要相应增加。 • Rijindael中的轮变换为： • 这里，State是轮消息矩阵，既被看作输入，也被看作输出； • RoundKey是轮密钥矩阵，它是由输入密钥通过密钥表导出的。 Rijndeal密码概述（续）

  8. 一、AES Candidates和Rijndeal 一轮的完成将导致State的元素改变值（也就是改变状态） 对于加密算法， 输入到第1轮的State就是明文矩阵InputBlock，而最后1轮中输出的State就是密文消息矩阵； 对于解密，输入到第1轮的State就是密文矩阵InputBlock，而最后1轮中输出的State就是明文消息矩阵； 每一轮（最后1轮除外）变换由4个不同的变换组成，这些变换就是将要介绍的内部函数： Rijndeal密码概述（续）

  9. 一、AES Candidates和Rijndeal 1、内部函数SubBytes(State) • SubBytes(State)函数为State的每个字节（也就是x）提供了一个非线性代换，任一非0的字节x∈F28被下面的变换所取代： • y = Ax-1+b mod28 • 注意：x-1体现了变换的非线性，A是可逆的，所以此变换是也可逆的：x-1=A-1(y-b)mod28  x • 其中：

  10. 这个函数在State的每一行上运算： 这个运算实际是一个换位密码，仅仅改变了元素的位置，而不改变元素本身。既然换位密码仅仅重排元素的位置，因此这个变换是可逆的。 • 一、AES Candidates和Rijndeal 2、内部函数ShiftRows(State)

  11. 这个函数对State的每一列作用，迭代4次；下面仅描述对一列的作用，一次迭代的输出仍是一列。这个函数对State的每一列作用，迭代4次；下面仅描述对一列的作用，一次迭代的输出仍是一列。 首先令State的一列为： 为了表述清楚，这里省略了列数。 把这一列表示为3次多项式： 因为s(x)的系数是字节，也就是说是F28 域中的元素，所以这个多项式是F28 上的。 • 一、AES Candidates和Rijndeal 3、内部函数MixColumns(State)

  12. 一、AES Candidates和Rijndeal MixColumns(State) 续 列s(x)上的运算定义为将这个多项式乘以一个固定的3次多项式c(x)【见注释】，然后模x4+1： d(x) = c(x) × s(x) (modx4+1) Rijndeal给出：c3=“03”, c2=“01”, c1=“01”, c0=“02” 在乘积d(x)中，x2的系数是：d2=c2s0+c1s1+c0s2+c3s3 很容易验证，上述乘法的系数可由以下矩阵乘法得出：

  13. 一、AES Candidates和Rijndeal MixColumns(State) 续 注意到 F2上，c(x)与x4+1是互素的，所以在F2(x)中，逆c(x)-1 (modx4+1)是存在的。这等于说，上述矩阵变换是可逆的。

  14. 一、AES Candidates和Rijndeal 4、AddRoundKey(State, RoundKey) 这个函数仅仅是逐字节、逐比特地将RoundKey中的元素与State中的元素相加。这里的加，是F2中的加，也就是异或运算，是平凡可逆的。 RoundKey比特已经被列表，不同轮的密钥比特是不同的。它们使用一个固定的“密钥表”导出密钥，该“密钥表”是非秘密的。具体细节可参阅有关NIST的标准文件。 到此为止，我们完成了对Rijndael算法的内部函数的描述，因此也完成了加密运算的描述。

  15. 一、AES Candidates和Rijndeal Rijndael的解密运算 注意：它与Feistel密码不同。Feistel密码的加密和解密可以使用同样的电路（硬件）和代码（软件），而Rijndael算法的加密和解密必须分别使用不同的电路和代码。

  16. 单钥加密体制（第2讲） Rijndeal算法与AES 二 三 四 一 五 一 IDEA RC5 分组密码的工作模式 流密码

  17. Xuejia Lai和James Massey提出； IDEA是对称、分组密码算法，输入的明文为64位，密钥为128位，生成的密文为64位； IDEA是一种相对较新的算法，有坚强的理论基础，但仍应谨慎使用(尽管该算法已被证明可对抗差分分析和线性分析)； IDEA是一种专利算法(在欧洲和美国)，专利由Ascom-Tech AG拥有； PGP中已实现了IDEA。 • 二、欧洲数据加密标准IDEA

  18. 单钥加密体制（第2讲） Rijndeal算法与AES 二 三 四 一 五 一 IDEA RC5 分组密码的工作模式 流密码

  19. RC系列是Ron Rivest为RSA公司设计的一系列密码： RC1从未被公开，以致于许多人们称其只出现在Rivest的记事本上； RC2是变长密钥加密密法；(RC3在设计过程中在RSA内被攻破); RC4是Rivest在1987年设计的变长密钥的序列密码； RC5是Rivest在1994年设计的分组长、密钥长的迭代轮数都可变的分组迭代密码算法； DES(56),RC5-32/12/5, RC5-32/12/6,RC-32/12/7已分别在1997年被破译。 • 三、RC5

  20. 单钥加密体制（第2讲） Rijndeal算法与AES 二 三 四 一 五 一 IDEA RC5 分组密码的工作模式 流密码

  21. 四、分组密码的工作模式 密码分组链接模式 ——CBC • 电码本模式——ECB 1 2 输出反馈模式——OFB 密码反馈模式——CFB 3 4 计数器模式——CTR 5

  22. 电码本模式（ECB-Electric Code Book） ECB加密： ECB解密： 注释：ECB模式是确定性的，也就是说，如果在相同的密钥下将 加密2次，那么输出的密文分组也是相同的。如果明文消息是可猜测的，那么攻击者就会用试凑法猜测出明文。通常人们不希望使用确定性密码。因此在大多数应用中，建议不要使用ECB模式。 • 四、分组密码的工作模式 1、 ECB模式

  23. ECB的电路结构

  24. 密码分组链接模式（CBC-Cipher Block Chaining） CBC加密 输入： 输出： CBC解密： 输入： 输出： • 四、分组密码的工作模式 2、CBC模式

  25. 四、分组密码的工作模式 n bit存储 n bit存储 D(IV) E(IV) CBC电路结构 Ci-1 Ci-1 Pi Ci Ci Pi

  26. CBC电路结构

  27. 四、分组密码的工作模式 CBC的特性 • 第一个密文分组C1的计算需要一个特殊的输入分组C0，习惯上称其为初始化矢量。IV是一个随机的n比特分组，每次会话都要使用一个新的随机IV。由加密过程可知，由于IV的随机性，后续的密文分组都将被随机化，因此CBC的输出是随机化的密文分组。发送给接收者的密文消息应该包括IV。因此对于m个明文分组，CBC将输出m+1个密文分组。

  28. 密码反馈模式CFB——Cipher Feedback Mode CFB加密 输入： 输出： • 四、分组密码的工作模式 • CFB解密 输入： 输出： 3、CFB模式

  29. 四、分组密码的工作模式 CFB电路结构 E E 选择MSB_s(左边s)比特 选择MSB_s(左边s)比特

  30. CFB电路结构

  31. OFB加密 输入： 输出： • 四、分组密码的工作模式 • OFB解密 输入： 输出： 4、OFB模式

  32. 四、分组密码的工作模式 OFB电路结构 E

  33. OFB电路结构

  34. 四、分组密码的工作模式 • CTR加密 输入： 输出： • CTR解密： 输入： 输出： 5、CTR模式

  35. CTR电路结构

  36. 分组密码总结

  37. 单钥加密体制（第2讲） Rijndeal算法与AES 二 三 四 一 五 一 IDEA RC5 分组密码的工作模式 流密码

  38. 五、流密码（序列密码） 一 二 三 四 五 六 • 明文m=m1,m2,…….mk • 移位寄存器是产生序列密码的有效方法 • 密文ci=miki ,i=1,2,…….k • 序列密码的安全性完全依赖于伪随机数的强度 • 解密过程与加密过程一致 • 伪随机序列k=k1,k2,…….kk

  39. 五、流密码（序列密码） 流密码原理框图 K1 K1 安全信道 密钥流生成器 KG 密钥流生成器 KG ki ki mi ci ci mi

  40. 谢谢

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