期末复习：信息安全(三)

🎯对称密码体制
单密钥系统的加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同，即从一个易于得出另一个。
(举例：DES,Triple DES,IDEA,AES,RC5,CAST-2018)

• 分组密码算法
  明文被分为固定长度的块，即分组，分组一般为64比特，或者128比特。
  对每个分组用相同的算法和密钥加/解密。
  密文分组和明文分组同样长。
  (一般而言，密钥长度和明文长度一样，若不一样，如密钥56位，明文64位，此时需要对密钥进行扩展，通过加奇偶校验位的方法变为64位)
  🌸分组加密器本质上就是一个巨大的替换器，在密钥的控制下，能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数字组进行加密变换。分组密码采用了乘积加密器的思想，即轮流使用替代和置换。
  💭Shannon提出的设计密码系统的两种基本方法：扩散和混淆。
  扩散：要求明文的统计特征消散在密文中。即让明文的每个比特影响到密文的许多比特的取值。尽可能使明文和密文的统计关系变复杂。
  混淆：使密文与密钥之间的统计关系尽量复杂，以阻止攻击者发现密钥。
  扩散和混淆的目的都是为了挫败推测出密钥的尝试，从而抗击统计分析。迭代密码是实现混淆和扩散原则的一种有效方法。合理选择的轮函数经过若干次迭代后能够提供必要的混淆和扩散。
  🌸分组密码由加密算法、解密算法和密钥扩展算法组成。
• 序列密码算法
  每次可加密一个比特或一个字节。
  适合比如远程中断输入加密类的应用。

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🎯分组密码的一般结构

• Feistel网络结构和SP网络结构
  Feistel网络是由Horst Feistel在设计Lucifer分组密码时基于扩散和扰乱的思想所发明的，并因被DES采用而流行。
  现在正在使用的几乎所有重要的对称分组密码都使用这种结构，如FEAL、Blowfish等。
• Feistel密码结构的设计动机
  分组密码对n比特的明文分组进行操作，产生出一个n比特的密文分组，共有2n个不同的明文分组，每一种都必须产生一个唯一的密文分组，这种变换称为可逆的或非奇异的。
  
• Feistel密码结构
  
• Feistel网络结构
  Feistel密码结构
  
  其中Li和Ri的计算规则如下：
  Li = Ri-1； Ri = Li-1 ⊕ F(Ri-1,Ki)
  在第L轮迭代运算后，将LL和RL再进行交换，输出C = RLLL
  其中F是轮函数，Ki是由种子密钥K生成的子密钥
  Feistel网络的安全性和软、硬件实现速度取决于下列参数：
  分组长度：分组长度越大则安全性越高（其他条件相同时），但加、解密速度也越慢。64比特的分组目前也可用，但最好采用128比特。
  密钥长度：密钥长度越大则安全性越高（其他条件相同时），但加、解密速度也越慢。64比特密钥现在已不安全，128比特是一个折中的选择。
  循环次数：Feistel网络结构的一个特点是循环次数越多则安全性越高，通常选择16次。
  子密钥算法：子密钥算法越复杂则安全性越高。
  轮函数：轮函数越复杂则安全性越高。
  快速的软件实现：有时候客观条件不允许用硬件实现，算法被镶嵌在应用程序中。此时算法的执行速度是关键。
  算法简洁：通常希望算法越复杂越好，但采用容易分析的却很有好处。若算法能被简洁地解释清楚，就能容易通过分析算法而知道算法抗各种攻击的能力，也有助于设计高强度的算法。
• Feistel网络解密过程
  Feistel网络解密过程与其加密过程实质是相同的。
  以密文分组作为算法的输入，但以相反的次序使用子密钥，即第一轮使用KL，第二轮使用KL-1，直至第L轮使用K1，这意味着可以用同样的算法来进行加、解密。
  先将密文分组C = RLLL，分成左边和右边长度相等的两半，分别记为L0’和R0’，根据下列规则计算 Li’ Ri’
  Li’ = Ri-1’ ，Ri’ = Li-1’  F (Ri-1’ ，Ki’) 1≤i≤L
  最后输出的分组是RL’ LL’

🎯数据加密标准DES
数据加密标准是至今为止使用最广泛的加密算法(1976年11月23日采纳为联邦标准，批准用于非军事场合的各种政府机构)。
🎯简化的DES
简化的DES是一个提供教学而非安全的加密算法，与DES的特性和结构类似，但是参数较少。S-DES的加密算法以8bit的明文分组和10位的密钥作为输入，产生8bit的明文分组作为输出。加密算法涉及5个函数：初始置换IP；复合函数fk1，它是由密钥K确定的，具有置换和替代的运算 ；转换函数SW； 复合函数fk2；初始置换IP的逆置换IP-1。

P是转换，S是代替。
🌸S-DES的密钥生成
🌸S-DES加密
S-DES加密：
函数fx
S－DES中最复杂的组成部分是函数fx，这个函数是多个置换函数和替代函数的组合函数。
该函数表示为：令L和R分别是fx的输入的最左边4个比特和最右边4个比特，令F为一个从4bit串到4bit串的映射。令： fx (L，R) = ( L  F(R,SK),R)
其中SK是一个子密钥。例如假设经过初始置换后得到的结果是(10111101)，对于某个密钥SK，有：F(1101,SK)＝(1110)。
由(1011)  (1110)＝( 0101) 得，fx = ( 0101 1101)。
🏃详细见本人草稿纸笔记(嘻嘻~
🎯简化的DES和DES的关系
DES对64bit的输入分组进行操作，使用一个56bit的密钥，从这个密钥计算出16个48bit的子密钥，这项计算涉及一个56个比特的初始置换和一系列的48bit的以为和置换操作，在加密过程中F不是作用于4比特的(n1,n2,n3,n4)而是作用于32比特的(n1,…n32)。S盒子有8个，每个S盒子有4行16列。
🍺总结
DES加解密的流程、DES密钥扩展、Feistel结构、对称加密过程中反复使用代换和置换、扩散(明文的统计规律消失在密文中)和混淆(让密钥和密文的关系复杂)。