实验二对称密码基本加密课案.docx

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实验二对称密码基本加密课案

西北师范大学计算机科学与工程学院学生实验报告

学号：

2013710601132016年3月13日

系别

计算机

专业

2013级物联网

班级

物联网

（1）班

姓名

金东海

课程名称

物联网信息安全实验

课程类型

专业课

学时数

实验名称

对称密码基本加密

实验内容：

通过运算器工具实现DES、3DES、IDEA、AES-128/192/256、SMS4等算法的加解密计算

通过流程演示工具完成DES算法加解密运算的逐步演示和实例演示

通过轮密钥查看工具查看3DES和AES的轮密钥生成过程

查看AES算法逐步计算的动画演示

对DES、3DES、IDEA、AES-128/192/256、SMS4等算法的加解密进行扩展实验

对DES、3DES、IDEA、AES-128/192/256、SMS4等算法的加解密进行算法跟踪

实验原理：

对称密码体制使用相同的加密密钥和解密密钥，其安全性主要依赖于密钥的保密性。

分组密码是对称密码体制的重要组成部分，其基本原理为：

将明文消息编码后的序列m0,m1,m2,…,mi划分为长度为L（通常为64或128）位的组m=（m0,m1,m2,…,mL-1），每组分别在密钥k=（k0,k1,k2,…,kt-1）（密钥长度为t）的控制下变换成等长的一组密文输出序列c=（c0,c1,c2,…,cL-1）。

分组密码的模型如图1.1.41所示。

图1.1.41

分组密码实际上是在密钥的控制下，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分组进行加密变换。

现在所使用的对称分组加密算法大多数都是基于Feistel分组密码结构的，遵从的基本指导原则是Shannon提出的扩散和混乱，扩散和混乱是分组密码的最本质操作。

分组密码与流密码的对比：

分组密码以一定大小的分组作为每次处理的基本单元，而流密码则以一个元素（如一个字母或一个比特）作为基本的处理单元；流密码使用一个随时间变化的加密变换，具有转换速度快、低错误传播的优点，软硬件实现简单，缺点是低扩散、插入及修改不敏感；分组密码使用的是一个不对时间变化的固定变换，具有扩散性好、插入敏感等优点，缺点是加解密处理速度慢、存在错误传播。

一、DES算法

数据加密标准（DataEncryptionStandard,DES）中的算法是第一个也是最重要的现代对称加密算法，其分组长度为64比特，使用的密钥长度为56比特（实际上函数要求一个64位的密钥作为输入，但其中用到的有效长度只有56位，剩余8位可作为奇偶校验位或完全随意设置），DES加解密过程类似，加解密使用同样的算法，唯一不同的是解密时子密钥的使用次序要反过来。

DES的整个体制是公开的，系统安全性完全依靠密钥的保密。

DES的运算可分为如下三步：

（1）对输入分组进行固定的“初始置换”IP，可写为（L0,R0）=IP（输入分组），其中L0和R0称为“（左,右）半分组”，都是32比特的分组，IP是公开的固定的函数，无明显的密码意义。

（2）将下面的运算迭代16轮（i=1,2,…,16）：

Li=Ri-1，Ri-1=Li-1

f（Ri-1,ki）；这里ki称为轮密钥，是56比特输入密钥的一个48比特字串，f称为S盒函数（S表示交换），是一个代换密码，目的是获得很大程度的信息扩散。

（3）将十六轮迭代后得到的结果（L16,R16）输入到IP的逆置换来消除初始置换的影响，这一步的输出就是DES算法的输出，即输出分组=IP-1（R16,L16），此处在输入IP-1之前，16轮迭代输出的两个半分组又进行了一次交换。

DES的加密与解密算法都是用上述三个步骤，不同的是如果在加密算法中使用的轮密钥为k1,k2,…,k16，则解密算法中的轮密钥就应当是k16,k15,…,k1，可记为（k1`,k2`,…,k16`）=（k16,k15,…,k1）。

DES算法的一轮迭代处理过程如图1.1.42所示。

图1.1.42

DES的计算过程如图1.1.43所示。

图1.1.43

在加密密钥k下，将明文消息m加密为密文c，使用DES将c在k下解密为明文，解密过程如下：

（L0`,R0`）=IP（c）=IP（IP-1（R16,L16）），即（L0`,R0`）=（R16,L16）；在第一轮中，L1`=R0`=L16=R15，R1`=L0`

f（R0`,k1`）=R16

f（L16,k1`）=[L16

f（R15,k16）]

f（R15,k16）=L15，即（L1`,R1`）=（R15,L15）；同样的，在接下来的15轮迭代中，可以得到（L2`,R2`）=（R14,L14），……，（L16`,R16`）=（R0,L0）；最后一轮结束后，交换L16`和R16`，即（R16`,L16`）=（L0,R0），IP-1（L0,R0）=IP-1（IP（m））=m，解密成功。

二、3DES算法

DES的一个主要缺点是密钥长度较短，同时也被认为是DES仅有的最严重的弱点，容易遭受穷举密钥搜索攻击。

克服密钥较短缺陷的一个解决方法是使用不同的密钥，多次运行DES算法，3DES应运而生。

3DES具有四种使用模式，其中的一种为加密-解密-加密的3DES方案，加解密过程可表示为：

，其中

。

三、IDEA算法

1990年，瑞士联邦理工学院的中国青年学者来学嘉（XuejiaLai）和著名密码专家JamesL.Massey在EUROCRYPT1990国际会议上提出了一个名叫PES（ProposedEncryptionStandard）分组密码算法，稍后经过改进成IPES（ImprovedPES），并于1992年被最终定名为国际数据加密标准（InternationalDataEncryptionAlgorithm，IDEA）。

国际上普遍认为IDEA是继DES之后的，又一个成功的分组密码，已经应用于Email系统的PGP（PrettyGoodPrivacy）、OpenPGP的标准算法以及其他加密系统中。

IDEA是一个分组密码，也是一个对合运算，明文和密文的分组长度为64比特，密钥长度为128比特。

IDEA易于实现，软硬件实现都很方便，而且加解密速度很快。

（一）加密运算

IDEA中的三个运算为：

l6位子分组的相异或；

16位整数的模216加，即

；

16位整数的模216+1乘，即

。

IDEA的整体结构如图1.1.44所示，由8轮迭代和一个输出变换组成。

64位的明文分为4个子块，每块16位，分别记为

。

64位的密文也分为4个子块，每块16位，分别记为

。

128位的密钥经过子密钥生成算法产生出52个16位的子密钥，每一轮加密迭代使用6个子密钥，输出变换使用4个子密钥。

记

为第r轮迭代使用的第i个子密钥，

。

记

为输出变换使用的第i个子密钥，

。

每一轮的运算步骤如下：

（1）

。

（2）

。

（3）

。

（4）

。

（5）将第

（1）步和第（3）步的结果异或。

（6）将第

（2）步和第（4）步的结果异或。

（7）将第（5）步的结果乘以

。

（8）将第（6）步和第（7）步的结果相加。

（9）将第（8）步的结果乘以

。

（10）将第（7）步和第（9）步的结果相加。

（11）将第

（1）步和第（9）步的结果异或。

（12）将第（3）步和第（9）步的结果异或。

（13）将第

（2）步和第（10）步的结果异或。

（14）将第（4）步和第（10）步的结果异或。

（15）第（11），（12），（13），（14）步的结果为本轮加密迭代的输出结果。

图1.1.44

（二）解密运算

IDEA的解密过程和加密过程相同，只是所使用的子密钥不同。

IDEA采用基本轮函数迭代结构，既采用混淆技术，又采用扩散技术。

具体地，采用了三种不同的代数群，将其混合运算，获得了良好的非线性，增强了密码的安全性。

IDEA是在Ascom-TechAG公司的Hasler基金会的支持下完成的，在许多国家申请了专利保护，在非商业领域却是自由使用的。

IDEA的商标为MediaCrypt所拥有，专利保护期到2010-2011年间。

四、AES算法

美国国家标准技术协会（NIST）于1997年提出征集一个新的对称密钥分组加密算法作为取代DES的新的加密标准的公告，并将这个新的算法命名为高级加密标准（AdvancedEncryptionStandard,AES）。

2000年10月2日，NIST宣布选中了Rijndeal算法，建议作为AES使用，并于2001年正式发布了AES标准。

Rijndeal算法是具有分组长度和密钥长度均可变的分组密码，密钥长度和分组长度可独立指定为128比特、192比特或256比特。

为了满足AES的要求限定处理分组的大小为128比特，密钥长度为128比特、192比特或256比特，相应的迭代轮数为10轮、12轮、14轮，分别记为AES-128/192/256。

Rijndeal算法采用Square结构，每一轮都使用代替和混淆并行地处理整个数据分组，包括3个代替和1个混淆。

此处以密钥程度与分组长度均为128比特（此时对应的轮数是10）为例，说明Rijndeal算法的加解密过程。

128比特的消息（明文、密文）被分为16个字节，记为：

输入分组=m0,m1,…,m15；同样的密钥分组也如此：

k=k0,k1,…,k15；内部数据结构的表示为一个4

4矩阵：

输入分组=

输入密钥=

Rijndeal中的轮变换记为Round（State,RoundKey），这里State是轮消息矩阵，可被看成输入或输出；RoundKey是轮密钥矩阵，由输入密钥通过密钥表导出。

一轮的完成将改变State的元素的值，即改变State的状态。

轮（除了最后一轮）变换由四个不同的变换组成，如下所示。

Round（State,RoundKey）

{

SubBytes（State）;

ShiftRows（State）;

MixColumns（State）;

AddRoundKey（State,RoundKey）;

}

最后一轮稍有不同，记为FinalRound（State,RoundKey），等于不使用MixColumns函数的Round（State,RoundKey）。

论变换是可逆的，以便于解密。

相应的逆轮变换记为Round-1（State,RoundKey）和FinalRound-1（State,RoundKey）。

SubBytes（State）函数为State的每一个字节x提供了一个非线性代换，任一GF（28）域上的非零字节x被如下变换所代换：

y=Ax-1+b；此处

A=

b=

ShiftRows（State）函数在State的每行上运算，对于在第i行的元素，循环左移i个位置。

MixColumns（State）函数在State的每列上作用，此处只描述对一列的作用：

对于一列（s0,s1,s2,s3）-1，将其表示成3次多项式s（x）=s3x3+s2x2+s1x+s0；对s（x）做如下运算得到d（x）=c（x）•s（x）（modx4+1），其中c（x）=c3x3+c2x2+c1x+c0=’03’x3+’01’x2+’01’x+’02’，c（x）的系数是GF（28）域中的元素（以十六进制表示字节）。

AddRoundKey（State,RoundKey）函数将RoundKey中的元素和State中的元素进行逐比特的异或操作。

解密运算仅仅是在相反的方向反演加密，即运行

AddRoundKey（State,RoundKey）-1;

MixColumns（State）-1;

ShiftRows（State）-1;

SubBytes（State）-1;

可以看出Rijndeald密码的加解密必须分别使用不同的电路和代码。

五、SMS4算法

SMS4密码算法是我国官方公布的第一个商用密码算法，主要应用于无线局域网产品。

SMS4算法是一个分组算法，其分组长度为128比特，密钥长度为128比特；加密算法与密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构；解密算法与加密算法的结构相同，只是轮密钥的使用顺序相反，解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。

密钥与明密文均以32比特为单位进行划分，轮函数与密钥扩展算法也以32比特为基本单位进行运算。

（1）SMS4轮函数

设输入X=（X0,X1,X2,X3），轮密钥为rk（由加密密钥通过密钥扩展算法得到），则SMS4算法的轮函数可表示为：

L为线性变换，设输入为A，输出为B，则：

B=L（A）=A

（A<<<2）

（A<<<10）

（A<<<18）

（A<<<24）

其中<<

τ为非线性变换，以8比特为基本单位进行运算，由四个S盒组成。

设输入A=（a0,a1,a2,a3），输出为B=（b0,b1,b2,b3），则：

B=（b0,b1,b2,b3）=τ（A）=（Sbox（a0）,Sbox（a1）,Sbox（a2）,Sbox（a3））

其中ai、bi均为一个字节。

（2）SMS4的扩展密钥算法

SMS4的扩展密钥算法用来通过输入的加密密钥生成32个轮密钥，算法描述如下：

加密密钥MK=（MK0,MK1,MK2,MK3），i=0,1,2,3；中间变量为Ki，i=0,1,…,35；轮密钥为rki，i=0,1,…,31；其中MKi、Ki、rki均为32比特；则密钥生成方法为：

其中：

系统参数FK的取值用16进制来表示，FK0=（A3B1BAC6），FK1=（56AA3350），FK2=（677D9197），FK3=（B27022DC）；

L’为L的修改，

；

固定参数CK的取值方法为：

设cki,j为CKi的第j字节（i=0,1,…,31，j=0,1,2,3），即CKi=（cki,0，cki,1，cki,2，cki,3），则cki,j=（4i+j）×7（mod256）；32个固定参数CKi，其16进制表示为：

00070e15,1c232a31,383f464d,545b6269,

70777e85,8c939aa1,a8afb6bd,c4cbd2d9,

e0e7eef5,fc030a11,181f262d,343b4249,

50575e65,6c737a81,888f969d,a4abb2b9,

c0c7ced5,dce3eaf1,f8ff060d,141b2229,

30373e45,4c535a61,686f767d,848b9299,

a0a7aeb5,bcc3cad1,d8dfe6ed,f4fb0209,

10171e25,2c333a41,484f565d,646b7279。

（3）SMS4加解密算法

设明文输入为（M0,M1,M2,M3），密文输出为（C0,C1,C2,C3），轮密钥为rki，i=0,1,2,…,31，其中，Mi、Ci、rki均为32比特；则SMS4算法的加密可表示为：

SMS4算法的解密与加密变换结构相同，但轮密钥使用顺序相反。

实验步骤：

一、DES

在加密算法选项里选择DES，以下实验步骤保持算法不变。

（一）加解密计算

（1）加密

在明文栏的下拉菜单里选择文本或十六进制，然后在后面相应的文本框内输入所要加密的明文；

在密钥栏的下拉菜单里选择文本或十六进制，然后在后面相应的文本框内输入相应的密钥；

点击“加密”按钮，在密文文本框内就会出现加密后的密文，如下图所示。

（1）解密

在密文栏相应的文本框内输入所要解密的密文；

在密钥栏的下拉菜单里选择文本或十六进制，然后在后面相应的文本框内输入相应的密钥；

点击“解密”按钮，在明文文本框内就会出现解密后的明文。

（一）分步演示

（1）点击“扩展实验”框中的“DES分步演示”按钮，进入DES分步演示窗口，打开后默认进入分步演示页面。

（2）密钥生成

在“子密钥产生过程”框中，选择密钥的输入形式后，输入密钥；DES要求密钥长度为64位，即选择“ASCII”（输入形式为ASCII码）时应输入8个字符，选择“HEX”（输入形式为十六进制）时应输入16个十六进制码；

点击“比特流”按钮生成输入密钥的比特流；

点击“等分密钥”按钮，将生成的密钥比特流进行置换选择后，等分为28位的C0和D0两部分；

分别点击两侧的“循环左移”按钮，对C0和D0分别进行循环左移操作（具体的循环左移的移位数与轮序有关，此处演示为第一轮，循环左移1位），生成同样为28位的C1和D1；

点击“密钥选取”按钮，对C1和D1进行置换选择，选取48位的轮密钥，此处生成第一轮的密钥K1。

上述密钥生成过程如图下图所示。

（1）加密过程

在“加密过程”框中，选择明文的输入形式后，输入明文；DES要求明文分组长度为64位，输入要求参照密钥输入步骤；

点击“比特流”按钮生成输入的明文分组的比特流；

点击“初始置换IP”对明文比特流进行初始置换，并等分为32位左右两部分L0和R0；

点击“扩展置换E”按钮对32位R0进行扩展置换，将其扩展到48位；

点击“异或计算”按钮，将得到的扩展结果与轮密钥K1进行异或，得到48位异或结果；

分别点击“S1”、“S2”、…、“S8”按钮，将得到的48位异或结果通过S代换产生32位输出；

点击“异或计算”按钮，将得到的32位输出与L0进行异或，得到R1；同时令L1=R1，进入下一轮加密计算。

依次进行16轮计算，最终得到L16和R16；

点击“终结置换”按钮，对交换后的L16和R16进行初始逆置换IP-1，即可得到密文。

上述加密过程如下图所示。

（一）DES实例

（1）点击DES分步演示窗体中的“DES实例”标签，进入DES实例演示页面。

（2）加密实例

输入明文、初始化向量和密钥，选择工作模式和填充模式，点击“加密”按钮，对输入的明文使用DES算法按照选定的工作模式和填充模式进行加密；在轮密钥显示框内以十六进制显示各轮加密使用的密钥，加密结果以两种形式显示在密文框中。

上述过程如下图所示。

实验总结：

通过本次试验，基本掌握了对称密码的机密算法。

成绩

批阅教师

批阅日期