信息安全复习五：数据加密标准（DES）

待我称王封你为后i 2024-03-23 16:43 159阅读 0赞

## 一、本章梗概 ##

1.主要内容：分组密码、分组密码用到的关键技术和结构、对称密钥密码典型算法DES  
2.思考问题：  
①按照明文被处理的形式，DES属于标准的分组密码  
②根据密钥的使用数量，DES属于标准的对称密码  
3.内容回顾：  
①什么是对称密钥密码模型  
②流密码与分组密码的区别  
相同点：都是对称密码模型  
不同点：分组密码主要用于商业密码，流密码主要用于军用密码；分组密码主要是进行替代和置换，流密码主要是用于异或运算。

## 二、分组密码 ##

### 2.1 分组密码的加密方式 ###

分组密码的加密方式：首先将明文序列以固定长度进行分组，每组明文用相同的密钥和算法进行变换，得到一组密文。

分组密码是以块为单位，在密钥的控制下进行一系列线性和非线性交换而得到密文的。

### 2.2 分组密码的特点 ###

分组密码的加/解密运算目的：输出块中的每一比特位是由 输入+密钥 每一比特位决定的。

加密算法中使用的方法：乘积密码 （包含替代、置换）、XOR（异或）

这个设计思想就是Shannono 1949年发现的隐藏信息的两种技术：混淆和扩散。（**可以避免统计方法的密码分析**）

### 2.3 混淆和扩散 ###

[分组密码（一） --密码学复习（四）][--]

混淆：  
**不同的输入，导致相同的输出**；  
就是改变数据块，使输出位与输入位之间没有明显的统计关系（替代技术实现）  
使密文和密钥之间的统计关系变得尽可能复杂，以使敌手无法得到密钥

扩散：  
**输入数据中1bit的变化，将导致输出结果中的多bit变化**；  
就是通过密钥位转移到密文的其它位上（置换技术实现）  
将明文的统计特性分布到密文中去  
使明文和密文之间的统计关系变得尽可能复杂，以使敌手无法得到密钥。

**处理长明文块时，需要多个替代模块，各个替代模块之间没有关联。**

实现方式是使得明文的每一位影响密文中多位的值，等价于说密文中每一位均受明文中多位影响。这时明文的统计特性将被散布到密文中。

分组密码的特点：良好的扩散性；对插入信息的敏感性，较强的适应性；加/解密速度慢；差错的扩散和传播；

### 2.4 替代与置换 ###

**1.替代**

![在这里插入图片描述][39f44297db06454aafb1a502eb396975.png]

![在这里插入图片描述][89de1c76f4f94b979a76c2c5ac759a07.png]

**2.置换：交换各数据位的位置**

![在这里插入图片描述][8d9871a3d04f4df58ca6c0bf0f0979b7.png]

通过对包含密钥的数据进行替代和置换，可以获得混杂的数据，可以当作密钥流，加密明文数据。

### 2.5 Feistel结构 ###

基于Shannon理论(混淆和扩散)的大多数对称分组密码的基本结构–Feistel网络结构。

Feistel 的优点在于：由于它是**对称**的密码结构，所以对信息的加密和解密的过程就极为相似，甚至完全一样。这就使得在实施的过程中，对编码量和线路传输的要求就减少了几乎一半。

Feistel结构的简单理解：  
**1.给明文分组(L,R)  
2.对R进行加密  
3.密文=加密后的R+L（即LR的位置交换）**

构造过程：  
![在这里插入图片描述][d77e6be54267423cb86142bfbb4ed57c.png]  
![在这里插入图片描述][d04e20e3d8e34a189ea9b3aacb0a891f.png]

解密过程：  
![在这里插入图片描述][d5da05365851437fbb9d3c76111a5d69.png]  
[Feistel密码结构][Feistel]

## 三、DES算法 ##

### 3.1.简单介绍 ###

[DES算法原理及实现][DES]

**1.常见的加密算法**  
对称密钥/私钥密钥：DES、RC6、AES（Rijndael）  
非对称秘钥/公钥密钥：RSA  
单向散列函数：MD5、SHA

**2.几个重要的历史时间**  
1973年NBS向社会公开征集加密算法，以制定加密算法标准  
1974年第二次征集  
1975年选中IBM的算法，并公布征求意见  
1977年1月15日正式颁布  
1998年底以后停用  
1999年颁布3DES为新标准

**3.DES的设计目的**  
1.用于加密保护政府机构和商业部门的非机密的敏感数据。  
2.用于加密保护静态存储和传输信道中的数据。  
3.安全使用10~15年。

**4.DES概况**  
应用：  
1.许多国际组织采用位标准。  
2.在全世界范围得到广泛应用。  
3.产品形式：软件（嵌入式，应用软件），硬件（单片，插片）

结论：  
用于其设计目标是安全的。  
设计精巧，实现容易，使用方便，堪称典范。  
为国际信息安全发挥了重要作用。

**5.DES 是一种 对称密钥 的 块加密 算法。**

谓之 “对称密钥”，是因为加密、解密用的密钥是一样的。

谓之 “块加密”，是因为这种算法把明文划分为很多个等长的块(block)，对每个块进行加密，最后以某种手段拼在一起。“块加密” 亦称 “分组加密”。

**6.DES算法入口参数**

DES 算法的入口参数有三个：Key、Data、Mode。

其中，Key 为 7 个字节共 56 位，是 DES 算法的工作 密钥；  
Data 为 8 个字节 64 位，是要被加密或被解密的 数据；  
Mode 为 DES 的 工作方式，有两种：加密或解密。

### 3.2 DES的整体特点 ###

1.分组密码：明文、密文和密钥的分组长度都是64位。  
2.面向二进制的密码算法：因而能够加解密任何形式的计算机数据。  
3.对合运算：因而**加密和解密共用同一算法**，使工程实现的工作量减半。  
4.综合运用了置换、代替、代数等多种密码技术。  
**5.基本结构属于Feistel结构。**

### 3.3 DES算法框图和加密过程 ###

DES 算法是在 Feistel network （费斯妥网络）的基础上执行的。以下是 DES 算法的流程图：  
![在这里插入图片描述][59486a34c9c64f7091a6cc9de1a2f439.png]  
可以看到整个算法分为两大部分——迭代加密（左边的 16 轮迭代操作），以及 子密钥生成（右边生成子密钥的算法）。

### 3.4 DES子密钥的产生 ###

[【密码学】DES 介绍][DES 1]

### 3.5 初始置换和逆置换的保密意义 ###

保密作用不大，在IP和IP^(-1)公开的条件下，其保密意义不大

### 3.6 DES解密过程 ###

DES的运算是对合运算，加解密可共用同一个运算。

不同点：子密钥使用的顺序不同。

第一次解密迭代使用子密钥K16，第二次解密迭代使用子密钥K15，第十六次解密迭代使用子密钥K1。

### 3.7 加密函数f ###

![在这里插入图片描述][c1e628380b8e4bd68f8f00b39df477a6.png]  
![在这里插入图片描述][f9d5093079ce4fdcb87892608b2d2280.png]  
![在这里插入图片描述][f9d1f0edbaf04741bf6c8c937905f78e.png]

### 3.8 DES的安全性 ###

1.攻击：穷举攻击（目前最有效的方法），差分攻击，线性攻击。

2.安全弱点：密钥太短，存在弱密钥，存在互补对称性。  
![在这里插入图片描述][8d1403fe811144998332ae0552ed3063.png]

### 3.9 3重DES ###

**1.美国NIST在1999年发布了一个新版本的DES标准**  
DES只用于遗留系统  
3DES取代DES成为新标准  
国际组织和我国都接受3DES

**2.3DES的优势**

3密钥的3DES：密钥长度是168位。  
2密钥的3DES：密钥长度是112位。  
安全：密钥足够长，经过最充分的分析和实践检验。  
兼容性好。

**3.3DES的弱势**  
速度慢

**4.DES的历史回顾**

DES的出现标志着商业密码需求的增加。  
DES体现香农的密码设计理论。  
体现了公开设计原则，开创公开算法的先例。  
DES代表当时商业密码的最高水平。

**5.DES给我们的启示**

商业密码应当坚持公开设计原则;  
商业密码标准的设计应有广大用户的参与，商业密码标准应当公布算法。

附加1：  
在密码学中，加密算法分为双向加密和单向加密。  
单向加密包括MD5、SHA等摘要算法，它们是不可逆的。（哈希函数可逆）  
双向加密包括对称加密和非对称加密，对称加密包括AES加密、DES加密等。双向加密是可逆的，存在密文的密钥。

附加2：  
[什么是AES加密？详解AES加密算法原理流程][AES_AES]

[--]: https://www.cnblogs.com/shirleyya/p/15087449.html
[39f44297db06454aafb1a502eb396975.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/23/78f9ea3269604e609972b84f7d78b89b.png
[89de1c76f4f94b979a76c2c5ac759a07.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/23/5b959ac6fad64b6e9cce8f5cd1ed9cd5.png
[8d9871a3d04f4df58ca6c0bf0f0979b7.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/23/00ee5588ff3f45068f36dbdbbd5e96e2.png
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[d5da05365851437fbb9d3c76111a5d69.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/23/d103cf13c6e64af1ac694cd6bec55565.png
[Feistel]: https://www.cnblogs.com/OneFriday/p/11470210.html#:~:text=%E7%AE%80%E5%8D%95%E5%9C%B0%E8%AF%B4Feis,%E4%B8%AA%E5%AF%86%E7%A0%81%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%9C
[DES]: https://www.ruanx.net/des/
[59486a34c9c64f7091a6cc9de1a2f439.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/23/ca560262df04407b9716eed6faae9847.png
[DES 1]: https://blog.csdn.net/weixin_44211968/article/details/126543433?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=DES&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-0-126543433.nonecase&spm=1018.2226.3001.4187
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[AES_AES]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/562256846