IDEA、AES、FEAL加密算法介绍.doc

电子商务安全与支付学 号 姓 名 系 别 年 级 专 业 IDEA、AES、FEAL加密算法介绍IDEAXuejia Lai和James Massey于1990年提出了PES （Proposed Encryption Standard，推荐加密标准）分组密码算法。1991年对PES作了改进，并将改进后的算法称为IPES（Improved Proposed Encryption Standard，改进型推荐加密标准）。IPES于1992年改名为IDEA（International Data Encryption Algorithm，国际数据加密算法）。其基本参数为：分组长度：64比特，密钥长度：128比特，迭代圈数：8圈（每圈6个子密钥块）再附加一个输出变换（4个子密钥块）IDEA的分组长度为64比特，密钥长度为128比特。其加、脱密运算用的是同一个算法，二者的不同之处仅在于密钥调度不同。其加、脱密运算是在128比特初始密钥作用下，对64比特的输入数据分组进行操作，经8圈迭代后，再经过一个输出变换，得到64比特的输出数据分组。整个运算过程全部在16位子分组上进行，因此该算法对16位处理器尤其有效IDEA 加密总体方案流程图 “使用来自不同代数群的混合运算”是IDEA所提出的新的设计思想，它利用三个“不相容”的群运算以达到混乱，利用乘加密码结构来实现扩散和进一步的混乱。使得IDEA复杂的代数结构不能得到简化。而这正是我们在设计分组密码算法中所追求的。 IDEA是一种使用128比特密钥以64比特分组为单位加密数据的分组密码，其设计目标可以归结为两方面：一方面与密码强度有关，另一方面与使用的方便性有关。IDEA的密码强度和下列特性与其密码强度有关：分组长度：分组长度应足够大，以抵抗统计分析。使用64比特的分组大小通常认为已经足够强。密钥长度：密钥长度应足够长，以抵抗密钥穷尽攻击，通过使用128比特的密钥长度，在将来的很长时间里IDEA似乎在这方面都是安全的。 密文应以一种复杂的方式依赖于明文和密钥，这样做的目的是：使确定密文的统计特性和明文的统计特性的依赖关系非常复杂。IDEA通过使用三种不同的操作达到该目的，而DES主要靠异或运算及小的非线性S盒代替来实现。 在IDEA中，扩散是由乘加结构（MA）实现的。MA的输入有两部分，一部分是由明文导出的两个16比特数值，另一部分是两个16比特密钥子块。第一圈输出的每一比特依赖于输入（明文部分和密钥部分）的每一比特。经8圈循环之后，可提供非常有效的扩散。在实现方面，IDEA拥有一下特点：1、便于软件实现的原则使用子分组：密码操作应该在对于软件来说很自然的子分组上进行，具有这种特性的子分组包括8，16或32比特，IDEA使用16比特子分组。使用简单操作：密码操作应该容易使用加法、移位等基本操作编程实现。IDEA的三种操作符合该要求，其中最困难的模乘法也可以容易地用简单的基本操作构成。2、便于硬件实现的设计原则加密和解密过程类似：加密和解密应该只在使用密钥的方式上有所不同，以便于同一个设备既可用于加密又可用于解密。和DES一样，IDEA具有满足该要求的结构。规则的结构：为便于VLSI（very large scale integration，超大规模集成）实现，密码应该具有一种模块化结构。IDEA是由重复使用两种基本的模块化（变换子块和加密子块）构件而构成的。AES随着对称密码的发展,DES数据加密标准算法由于密钥长度较小(56位),已经不适应当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求，因此1997年NIST公开征集新的数据加密标准,即AES1。经过三轮的筛选,比利时Joan Daeman和Vincent Rijmen提交的Rijndael算法被提议为AES的最终算法。此算法将成为美国新的数据加密标准而被广泛应用在各个领域中。尽管人们对AES还有不同的看法,但总体来说,AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点。AES设计有三个密钥长度:128,192,256位，相对而言，AES的128密钥比DES的56密钥强1021倍2。AES算法主要包括三个方面：轮变化、圈数和密钥扩展。本文以128为例，介绍算法的基本原理；结合AVR汇编语言，实现高级数据加密算法AES。 AES是分组密钥，算法输入128位数据，密钥长度也是128位。用Nr表示对一个数据分组加密的轮数（加密轮数与密钥长度的关系如表1所列）。每一轮都需要一个与输入分组具有相同长度的扩展密钥Expandedkey(i)的参与。由于外部输入的加密密钥K长度有限,所以在算法中要用一个密钥扩展程序(Keyexpansion)把外部密钥K扩展成更长的比特串,以生成各轮的加密和解密密钥。AES每一个圈变换由以下三个层组成:非线性层进行Subbyte变换；线行混合层进行ShiftRow和MixColumn运算；密钥加层进行AddRoundKey运算。 Subbyte变换是作用在状态中每个字节上的一种非线性字节转换,可以通过计算出来的S盒进行映射。 ShiftRow是一个字节换位。它将状态中的行按照不同的偏移量进行循环移位，而这个偏移量也是根据Nb的不同而选择的3。 在MixColumn变换中,把状态中的每一列看作GF(28)上的多项式a(x)与固定多项式c(x)相乘的结果。 b(x)=c(x)*a(x)的系数这样计算:运算不是普通的乘法运算,而是特殊的运算，即 b(x)=c(x)a(x)(mod x4+1) 对于这个运算 b0=02。a0+03。a1+a2+a3 令xtime(a0)=02。a0其中，符号“。”表示模一个八次不可约多项式的同余乘法3。对于逆变化,其矩阵C要改变成相应的D,即b(x)=d(x)a(x)。 密钥加层运算(addround)是将圈密钥状态中的对应字节按位“异或”。 根据线性变化的性质1,解密运算是加密变化的逆变化。这里不再详细叙述。 对不同的分组长度，其对应的轮变化次数是不同的,如表1所列。AES算法利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk),通过密钥的扩展程序得到共计4(Nr+1)字的扩展密钥。它涉及如下三个模块: 位置变换(rotword)把一个4字节的序列A,B,C,D变化成B,C,D,A； S盒变换(subword)对一个4字节进行S盒代替； 变换RconiRconi表示32位比特字xi-1,00,00,00。这里的x是（02），如 Rcon1=01000000；Rcon2=02000000；Rcon3=04000000 扩展密钥的生成：扩展密钥的前Nk个字就是外部密钥K；以后的字W等于它前一个字Wi-1与前第Nk个字Wi-Nk的“异或”,即W=Wi-1W- Nk。但是若为Nk的倍数,则W=Wi-NkSubword(Rotword(W-1)Rconi/Nk。AES的加密与解密流程如图1所示：FEALFEAL（Fast Data Encipherment Algorithm）是一套类似美国DES的分组加密算法。FEAL被提出的原意是着眼于当时的DES只用硬件去实现他，因此不适用于较小的系统。而FEAL则强调其在每一轮的安全强度都比DES高，所以使用较少的轮数，就可达到与DES采用16轮相同的安全度，如此一来，就比较适合用软件去实现它了。从输入与输出的观点来看，FEAL分组加密法与DES是相同的。即FEAL的加密或解密分组，及使用者手中所持有的秘密密钥皆如同DES一般，都是64位。唯一不同的是，FEAL的密钥没有校验位。至于FEAL加密算法