信息系统安全教程,第 1 章,数据加密,数据保密就是隐蔽数据,隐蔽数据的可读性数据加密 隐蔽数据的存在性数据隐藏,加密: 将要传递的信息隐藏 例如：清末大儒纪晓岚赠送的对联 鳳遊禾蔭鳥飛去 馬走蘆邊草不生,禾下加鳳去掉鳥字得禿字 馬置蘆邊去掉草頭得驢字,1.1 数据加密技术概述,如果用 P 表示明文，用 C 表示密文，则可以将加密写成如下函数形式：C =EEK(P) E 为加密函数，EK 称为加密密钥,1.1.1 替代密码,将明文中的每个位置的字母都用其他字母代替 。,Vigenere（维吉利亚）方阵,表1.1 维吉尼亚方阵,密钥,Vigenere 密码,设P = data security，Ek=best则采用维吉尼亚密码的加密过程如下： 1 按密钥的长度将 P 分解若干节,2 对每一节明文，利用密钥best进行变换。 得到如下密文：C=EEK(P)=EELT TIUN SMLR,其他替换密码,（1）多名替换密码（Homophonic Substitution Cipher）：一个字母可以映射为多个密文字母。如： A 5，12，25，56 B 7，17，31，57 （2）多字母密码（Poly Alphabetic Cipher）：字符块被成组加密。如 ABA RTQ ABB SLL ,1.1.2 换位密码,换位就是将明文中字母的位置重新排列。 逆序法，如 明文：computer system 密文：metsys retupmoc 列换位法 首先要将明文排成一个矩阵，解决两个问题： 排成的矩阵的宽度有多少列； 排成矩阵后，各列按什么样的顺序输出。 引入一个密钥 k，既可定义矩阵的宽度，又可以定义各列的输出顺序。,密钥：k=computer 明文：WHAT CAN YOU LEARN FROM THIS BOOK” 按密钥排列明文：,列换位法举例,密文：WORO NNSX ALMK HUOO TETX YFBX ARIX CAHX,1.1.3 简单异或,异或运算具有如下特点：0 + 0 = 0 0 + 1 = 1 1 + 0 = 11 + 1 = 0 a + a = 0 a + b + b = a即两个运算数相同，结果为0；不同，结果为1。,使用简单异或进行加密，就是将明文与密钥进行异或运算，解密则是对密文用同一密钥进行异或运算。即P + k = CC + k = P,01010000 P 01001011 K00011011 M 01001011 K01010000 P,1.1.4 序列密码（流密码）和分组密码,序列密码也称为流密码（Stream Cipher），它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。,分组密码是一种加密管理方法 便于标准化； 便于在分组（如x.25，IP）网络中被打包传输； 一个密文组的传输错误不会影响其他密文组，容易实现同步。 由于相同的密文一定对应相同的明文，所以分组密码不能隐蔽数据模式，同时也不能抵抗组重放、嵌入和删除等攻击。,1.1.4 序列密码（流密码）分组密码,1.1.5 对称密码体制和非对称密码体制,Kd=Ke,KdKe,非对称密钥体制,对称密钥体制,非对称密钥体制的特点,加密和解密分别用不同的密钥进行，即DKe(EKe(P)P， DKd(EKe(P)=P。 加密密钥和解密密钥可以对调，即DKe(EKd(P)=P。 应能在计算机上容易地成对生成，但不能由已知的Kd导出未知Ke，也不能由已知的Ke导出未知Kd。,1.1.6 密钥安全与公开密码体制,密码的安全决定于算法的安全和密钥的安全两个方面。 基于算法保密的安全策略已经不再使用： 算法是要人掌握的。一旦人员变动，就要更换算法。 算法的开发是非常复杂的。一旦算法泄密，重新开发需要一定的时间。 不便于标准化：由于每个用户单位必须有自己唯一的加密算法，不可能采用统一的硬件和软件产品。否则偷窃者就可以在这些硬件和软件的基础上进行猜测式开发。 不便于质量控制：用户自己开发算法，需要好的密码专家，否则对安全性难于保障 现代密码学认为，所有加密算法的安全性都应当基于密钥的安全性，而不是基于算法实现的细节。,公开密钥体制,A端,B端,1.2 数据加密标准算法,DES（data encryption standard，数据加密标准） IBM 公司1975年提出 1977年1月15日美国国家标准局正式采用，作为非机要部门的数据加密标准,1.2.1 DES 及其基本思想,1973年5月美国国家标准局发出通告，公开征求对计算机数据在传输和存储期间进行数据加密的算法。要求是：（1）必须提供高度的安全性；（2）具有相当高的复杂性，使得破译的开销超过获得的利益，但同时又便于理解和掌握；（3）安全性应当不依赖于算法的保密，加密的安全性仅以加密密钥的保密为基础；（4）必须适合不同的用户和不同的应用场合；（5）实现算法的电子器件必须很经济，运行有效；,1.2. DES 加密过程细化,加密算法的特点： （1）对称算法：密钥既可用于加密，也可用于解密。 （2）64位的密钥，使用长度为56位（64位密钥中，有8位用于奇偶校验）。 （3）加密算法是混淆与扩散的结合，或者说是换位与置换的结合。 （4）每个DES都在明文上实施16重相同的组合技术。这种重复性可以被非常理想地应用到一个专用芯片中。,DES 算法基本原理,DES 属于典型的分组密码体制。DES 将明文信息按 64 比特大小分组，密钥长度也是 64 比特，但是实际使用过程中密钥长度是 56 比特，另外 8 比特用作奇偶校验位（即每个字节的最后一位用作奇偶校验）。64 比特的明文分组在密钥的作用下经过多次的置换和替代组合操作，最终形成攻击者难以破译的 64 比特密文。,DES 算法的基本原理是置换和替代操作，根据前面我们对置换和替代算法的分析，无论是单一的置换还是单一的替代，其安全系数都很低，攻击者通过统计分析等方法很容易攻破密码系统。因此，DES 的设计者在加密过程中，使用了置换和替代的多次组合过程，并且使用多轮循环加密来扰乱和扩散明文信息 。,DES 算法基本原理,DES 算法加密的基本原理： 加密过程中输入 64 比特的明文，首先经过初始矩阵 IP 置换； 在 56 比特的输入密钥控制下，进行 16 轮迭代加密处理过程； 通过简单的换位和逆置换算法，得到 64 比特的输出密文。,DES 算法基本原理,DES 算法加密的基本原理：,DES 算法解密的基本原理： 具体的解密处理过程与加密处理过程顺序完全一样，只是控制每一轮迭代的密钥 K 与加密过程中的密钥 K 正好相反，即加密过程的第1轮控制密钥 K1是解密过程的第 16 轮密钥 K16，K1 = K16，而解密处理过程的第 1 轮控制密钥 K 是加密处理过程的第 16 轮密钥，即 K1 = K16 。,DES 算法基本原理,DES 加密算法主要由 4 个元素组成： 初始置换矩阵 IP、加密函数 F、 S-盒子、逆初始置换矩阵 IP-1。,DES 算法加密具体过程,原始 64 bit 矩阵,初始置换后的初始置换矩阵IP,由置换矩阵可知置换规则：将原先处在第58位置的比特置换后放在第1个位置，第50位置的比特置换后放在第2个位置，第7个位置的比特置换后放在第64个位置。,DES 算法加密具体过程,原始 64 bit 矩阵,逆初始置换矩阵IP-1,DES 算法加密具体过程,DES 算法加密具体过程,初始置换举例： 假设 64 比特明文 M 是：,按照初始置换矩阵IP的变换规则，将M变换为M1，M1序列是：,如果明文M分组是序列m1 m2 m3 .m64，则经过IP置换后变成序列m58 m50 m42 .m7。,DES 算法加密具体过程,M 写成 88 的矩阵，如表 2-7 所示。初始置换后如表 2-8 所示,DES 算法加密具体过程,通过比较表2-7与表2-8，可以发现，M由置换矩阵 IP 变换到 M1 遵循一定的规律： 矩阵 M1 的第 1 行是矩阵 M 的第 2 列的倒置，第 2 行是矩阵 M 的第 4 列倒置，第 5 行是矩阵 M 的第 1 列的倒置。概括的说，置换后的矩阵 M1 前 4 行是明文矩阵 M 各偶数列的倒置，后 4 行是明文矩阵M 各奇数列的倒置。,DES 算法加密具体过程,再次对照逆初始矩阵 IP-1（如表2-6所示）可发现，将 M1 前 4 行各行的倒置作为新矩阵 M2 的偶数列，后 4 行各行的倒置作为新矩阵 M2 的奇数列，会得到结果 M=M2。也就是说将任何明文 M 经过初始矩阵 IP 置换，然后再经过逆初始矩阵 IP-1 的置换，M 的值保持不变,每轮迭代加密处理过程： DES 算法加密过程需要 16 轮迭代处理，每一轮迭代的处理步骤是一样的，只是输入的信息和控制密钥不同，第i轮加密处理过程如图 2-3 所示。,DES 算法加密具体过程,DES 算法加密具体过程,DES 算法加密具体过程,F 函数是 DES 算法的精髓，它是多个置换函数和替代函数的组合函数，该函数以密钥和上一轮加密得到的部分结果作为输入，通过多次扩展、置换和替代达到真正“扰乱”明文信息的目的。 F 函数分为扩展、异或运算、S盒替代以及置换四个步骤。,DES 算法加密具体过程, 扩展 F 函数首先将32比特的数据Ri-1 预扩展为48比特，其方法是：将Ri-1 从左到右分成8块，每块4比特，然后将每块从4比特扩展到6比特。扩展的规则是：每一块向左扩展一位，同时向右扩展一位，也就是说，第n块向左扩展一位，与第n-1块未扩展前的最后一位相同，同时向右扩展一位，与第n+1块未扩展前的最后一位相同；,DES 算法加密具体过程,DES 算法加密具体过程,例如由表 2-8 所知的序列 M1，得到加密时的 L0 和 R0 分别是：,首先将 R0 分为 8 块，得到数据：1001 0111 0101 0110 1011 100 1110 0000，如图 2-4 所示,DES 算法加密具体过程,异或运算：由图2-3所示，经过扩展后的 48 比特 Ri-1 将与第 I 轮加密密钥 Ki 进行异或运算，密钥 Ki 也是 48 位，由原始密钥经过循环左移以及置换排列的方式产生，具体的生成过程后面将详细描述。 48 位的 Ki 同 Ri-1 一样，也分成 8 块，每块 6比特，然后与扩展后的 Ri-1 对应的各块做异或运算后，同样生成 8 个 6 位比特块，其输出是 S盒子的输入。,DES 算法加密具体过程,假设密钥 Ki的第 1 块 6 比特数据为：110111，图 2-4 所示的第一块扩展比特是010010，则两者异或的结果是 100101,DES 算法加密具体过程, S 盒替代 DES算法中的S盒子由8个子盒S1、S2 、S3 、S4 、S5 、S6 、S7 、S8 组成，每个子盒构成4行16阶的4 16 矩阵，表2-9列出了其中一个子盒S1的定义。,DES 算法加密具体过程,DES 算法加密具体过程,S盒子的输入是上述所讲的由Ri-1与Ki 两者异或运算得到的结果，其中第j个子盒Sj的输入是第j块异或运算的结果，输出是根据Sj盒子定义得到的 4 比特数据。,DES 算法加密具体过程,对于每个盒子Sj （j=1,2.8）其输入与输出之间的映射关系是： 将Sj输入的第一位与最后一位两个二进制数组合起来，得到某个十进制数m，m用来选择矩阵Sj的行；Sj输入的中间四比特数据组合，得到十进制数n，n用来选择矩阵Sj的列。已知行m与列n，查找已经定义好的矩阵Sj 的m行n列对应的值，该值就是Sj的输出。,