中南大学_现代密码学实验报告.doc

信息安全1302-郁博文-0906130205中南大学现 代 密 码 学实 验 报 告学生姓名 学 号 专业班级 信息安全1302指导教师 学 院 信息科学与工程学院 完成时间 2015年5月 AES1 背景 AES，密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），又称Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。AES 有一个固定的128位的块大小和128，192或256位大小的密钥大小。Rijndael算法汇聚了安全性、效率高、易实现性和灵活性等优点,是一种较DES更好的算法。该算法为比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen所设计，结合两位作者的名字，以Rijndael之命名之，投稿高级加密标准的甄选流程。（Rijdael的发音近于 Rhine doll。）AES在软体及硬件上都能快速地加解密，相对来说较易于实作,且只需要很少的记忆体。作为一个新的加密标准,目前正被部署应用到更广大的范围.1.1 Rijndael密码的设计标准：抵抗所有已知的攻击。在多个平台上速度快，编码紧凑。设计简单。 当前的大多数分组密码，其轮函数是Feistel结构。 Rijndael没有这种结构。 Rijndael轮函数是由3个不同的可逆均匀变换1.2 设计思想n 分组和密钥长度可变，各自可独立指定为128、192、256比特。n 状态n 算法中间的结果也需要分组，称之为状态，状态可以用以字节为元素的矩阵阵列表示，该阵列有4行，列数Nb为分组长度除32n 种子密钥n 以字节为元素的矩阵阵列描述，阵列为4行，列数Nk为密钥长度除322.系统设计2.1系统主要目标基本要求部分：1 在深入理解AES加密/解密算法理论的基础上，设计一个AES加密/解密软件系统；2.2功能模块与系统结构主要功能模块如下：2.2.1字节替换SubByte非线性代换是可逆的，由以下两个变换的合成得到： 首先，将字节看作GF(28)上的元素，映射到自己的乘法逆元，00映射到自己。 其次，对字节做如下仿射变换：图 1 字节代换示意图2.2.2行移位ShiftRow将状态阵列的各行进行循环移位，移位量与分组长度的关系0行：不动NbC1C2C3412361238134图2 行移位示意图2.2.3 列混合MixColumn图3 列混合示意图状态阵列的每个列a(x)与一个固定的多项式c(x)进行模x4+1乘法后混淆为b(x).记为c(x)是模x4+1可逆的多项式03x3+01x2+01x+02逆d(x)=0Bx3+0Dx2+09x+0E2.2.4 轮密钥加AddRoundKey图4 轮密钥加示意图密钥加:轮密钥与状态进行逐比特异或。轮密钥长度等于分组长度Nb。密钥加运算的逆运算是其自身。2.2.5 逆字节替换 通过逆S盒的映射变换得到2.2.6逆行移位InvShiftRow图5 逆行移位示意图与加密时的行移位区别在于移位方向相反。2.2.7 逆列混淆图6 逆列混合示意图加密与解密系统流程图如下所示，3.AES算法java实现3.1 代码见附录13.2测试结果： RC41.背景 RC4加密算法是大名鼎鼎的RSA三人组中的头号人物Ronald Rivest在1987年设计的密钥长度可变的流加密算法簇。之所以称其为簇，是由于其核心部分的S-box长度可为任意，但一般为256字节。该算法的速度可以达到DES加密的10倍左右，且具有很高级别的非线性。RC4起初是用于保护商业机密的。但是在1994年9月，它的算法被发布在互联网上，也就不再有什么商业机密了。RC4也被叫做ARC42.系统设计2.1系统主要目标基本要求部分： 分析RC4的实现过程。 用程序设计语言将算法过程编程实现。 完成字符串数据的加密运算和解密运算2.2功能模块与系统结构主要功能模块如下： RC4算法的原理很简单，包括初始化算法（KSA）和伪随机子密码生成算法（PRGA)两大部分。 开始输入明文输入密钥初始化S盒并打印i=0;j=0;i=(i+1)%256j=(j+si)%256交换Si,Sj;t=(si+sj)%256k=St;加密明文，并输出加密后的密文解密，并输出 结束3.RC4算法java实现2.1 代码见附录22.2测试结果：问题讨论 1. 改变明文或密钥中的一个比特值可能影响AES值中的多少比特？ 答：明文和密钥在S盒置换时，不同的字节会替换出不同的结果。算法过程 中一共进行了10轮加密，所以改变一个比特值可能影响AES值中的80比特（8 x 10）。 2. 在RC4的密钥流生成中，改变初始密钥的一个比特值可能影响输出中的多少比特？ 答：初始密钥的不同会导致S盒的不同，所以可能影响输出中的256比特。 3. 分析实验中在编辑编译运行等各环节中所出现的问题及解决方法。 答：在算法的实现过程中，对于异或等平时很难接触到的位操作不熟悉导致在轮密钥加密等过程的实现变得很艰难，并且使用java这种面向对象的高级语言来处理数据从速度上就会慢很多。最难处理的是字符串对的补足长度问题，这个问题在设计之初并没有想到过导致最后测试时出现了很多问题，最后通过查阅资料等方式解决了这些问题。SKEY1.SKEY协议的作用 身份认证，是任何网络安全方案的一个基础。如在大部分情况下，需要认证的实体是通信的发送者，即需要确定访问者的合法性问题。S/KEY协议主要是用于身份认证。2.SKEY协议的安全性分析。 S/KEY身份认证解决方案，可以有效解决重放攻击。重放攻击是指攻击者通过某种方式在网络连接中获取他人的登陆账户与口令，然后利用它多某个网络资源的访问权限。而现在S/Key协议分配给访问者的口令每次都不同，所以，就可以有效解决口令泄漏问题。因此，可以避免重放攻击。3.SKEY协议的实现过程。3.1实现过程分析：为了实现起来简单明了一些，我采用了一个比较简单的方式进行。要模拟客户端保存数据比较不容易实现，对服务器生成的hash值，保存在本地文件中,当然这个hash的值是动态的，每次hash都会加上相应的登陆次数（这个hash方式和一般的s/key协议有些不同）,这样可以动态的获取。通过文件读写的方式获得。对于生成的hash值从100到0次访问的问题也是使用一个文件来储存，每次验证完成后，都会把前一次存的数据减1然后重新的写入文件中。 为了模拟登陆过程，我用到了两个文件client.txt,sever.txt分别模拟客户端和服务器端，分别存储客户端和服务器端密钥3.1实现过程流程图： 4.SKEY协议的java实现4.1 Java实现 代码见附录三4.2实现结果： 服务器端返回true表明认证成功附录1/* * AES字节数组加密算法类 * * author DC 2011/11/5 */public class Aes/* 成员变量 */private int Nb;/ 以32位为单位的字长private int Nk;/ 以32位为单位的密钥长度private int Nr;/ 轮数private byte key;/ 密钥private byte Sbox;/ S盒矩阵private byte iSbox;/ s盒逆矩阵private byte w;/ 密钥调度表private byte Rcon;/ 轮常数表private byte State;/ 状态矩阵/* * 构造方法 * * param keySize * param keyBytes */public Aes(int keySize, byte keyBytes, int Nb)SetNbNkNr(keySize, Nb);this.key = new bytethis.Nk * 4;this.key = keyBytes;BuildSbox();BuildInvSbox();BuildRcon();KeyExpansion();/* 私有方法 */* * 生成Rcon轮常数矩阵 */private void BuildRcon()/ 0x00,0x01,0x02,0x04,/ 0x08,0x10,0x20,0x40,/ 0x80,0x1b,0x36,0x6c,/ 0xd8,0xab,0x4d,0x9a,/ 0x2f,0x5e,0xbc,0x63,/ 0xc6,0x97,0x35,0x6a,/ 0xd4,0xb3,0x7d,0xfa,/ 0xef,0xc5,0x91,0x39;this.Rcon = new byte1004;Rcon00=0x00;/Rcon10=0x01;for(int i=1;i100;i+)Rconi0=gfmultby02(Rconi-10);/* * 设置Nb,Nk,Nr * * param keysize */private void SetNbNkNr(int keysize, int Nb)this.Nb = Nb;switch (keysize)case KEYSIZE.Bit128:this.Nk = 4;this.Nr = 10;break;case KEYSIZE.Bit192:this.Nk = 6;this.Nr = 12;break;case KEYSIZE.Bit256:this.Nk = 8;this.Nr = 14;break;/* * 生成S盒矩阵 */private void BuildSbox()this.Sbox = new byte /* 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 a b c d e f */* 0 */ 0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, (byte) 0xf2, 0x6b, 0x6f,(byte) 0xc5, 0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, (byte) 0xfe,(byte) 0xd7, (byte) 0xab, 0x76 ,/* 1 */ (byte) 0xca, (byte) 0x82, (byte) 0xc9, 0x7d,(byte) 0xfa, 0x59, 0x47, (byte) 0xf0, (byte) 0xad,(byte) 0xd4, (byte) 0xa2, (byte) 0xaf, (byte) 0x9c,(byte) 0xa4, 0x72, (byte) 0xc0 ,/* 2 */ (byte) 0xb7, (byte) 0xfd, (byte) 0x93, 0x26, 0x36,0x3f, (byte) 0xf7, (byte) 0xcc, 0x34, (byte) 0xa5,(byte) 0xe5, (byte) 0xf1, 0x71, (byte) 0xd8, 0x31, 0x15 ,/* 3 */ 0x04, (byte) 0xc7, 0x23, (byte) 0xc3, 0x18,(byte) 0x96, 0x05, (byte) 0x9a, 0x07, 0x12,(byte) 0x80, (byte) 0xe2, (byte) 0xeb, 0x27,(byte) 0xb2, 0x75 ,/* 4 */ 0x09, (byte) 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a,(byte) 0xa0, 0x52, 0x3b, (byte) 0xd6, (byte) 0xb3,0x29, (byte) 0xe3, 0x2f, (byte) 0x84 ,/* 5 */ 0x53, (byte) 0xd1, 0x00, (byte) 0xed, 0x20,(byte) 0xfc, (byte) 0xb1, 0x5b, 0x6a, (byte) 0xcb,(byte) 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, (byte) 0xcf ,/* 6 */ (byte) 0xd0, (byte) 0xef, (byte) 0xaa, (byte) 0xfb,0x43, 0x4d, 0x33, (byte) 0x85, 0x45, (byte) 0xf9, 0x02,0x7f, 0x50, 0x3c, (byte) 0x9f, (byte) 0xa8 ,/* 7 */ 0x51, (byte) 0xa3, 0x40, (byte) 0x8f, (byte) 0x92,(byte) 0x9d, 0x38, (byte) 0xf5, (byte) 0xbc,(byte) 0xb6, (byte) 0xda, 0x21, 0x10, (byte) 0xff,(byte) 0xf3, (byte) 0xd2 ,/* 8 */ (byte) 0xcd, 0x0c, 0x13, (byte) 0xec, 0x5f,(byte) 0x97, 0x44, 0x17, (byte) 0xc4, (byte) 0xa7,0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73 ,/* 9 */ 0x60, (byte) 0x81, 0x4f, (byte) 0xdc, 0x22, 0x2a,(byte) 0x90, (byte) 0x88, 0x46, (byte) 0xee,(byte) 0xb8, 0x14, (byte) 0xde, 0x5e, 0x0b, (byte) 0xdb ,/* a */ (byte) 0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c,(byte) 0xc2, (byte) 0xd3, (byte) 0xac, 0x62,(byte) 0x91, (byte) 0x95, (byte) 0xe4, 0x79 ,/* b */ (byte) 0xe7, (byte) 0xc8, 0x37, 0x6d, (byte) 0x8d,(byte) 0xd5, 0x4e, (byte) 0xa9, 0x6c, 0x56,(byte) 0xf4, (byte) 0xea, 0x65, 0x7a, (byte) 0xae, 0x08 ,/* c */ (byte) 0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, (byte) 0xa6,(byte) 0xb4, (byte) 0xc6, (byte) 0xe8, (byte) 0xdd,0x74, 0x1f, 0x4b, (byte) 0xbd, (byte) 0x8b, (byte) 0x8a ,/* d */ 0x70, 0x3e, (byte) 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03,(byte) 0xf6, 0x0e, 0x61, 0x35, 0x57, (byte) 0xb9,(byte) 0x86, (byte) 0xc1, 0x1d, (byte) 0x9e ,/* e */ (byte) 0xe1, (byte) 0xf8, (byte) 0x98, 0x11, 0x69,(byte) 0xd9, (byte) 0x8e, (byte) 0x94, (byte) 0x9b,0x1e, (byte) 0x87, (byte) 0xe9, (byte) 0xce, 0x55,0x28, (byte) 0xdf ,/* f */ (byte) 0x8c, (byte) 0xa1, (byte) 0x89, 0x0d,(byte) 0xbf, (byte) 0xe6, 0x42, 0x68, 0x41,(byte) 0x99, 0x2d, 0x0f, (byte) 0xb0, 0x54,(byte) 0xbb, 0x16 ;/* * 生成逆s盒矩阵 */private void BuildInvSbox()/ this.Sbox = new byte ;/ 0x52,0x09,0x6A,0xD5,0x30,0x36,0xA5,0x38,0xBF,0x40,0xA3,0x9E,0x81,0xF3,0xD7,0xFB,/ 0x7C,0xE3,0x39,0x82,0x9B,0x2F,0xFF,0x87,0x34,0x8E,0x43,0x44,0xC4,0xDE,0xE9,0xCB,/ 0x54,0x7B,0x94,0x32,0xA6,0xC2,0x23,0x3D,0xEE,0x4C,0x95,0x0B,0x42,0xFA,0xC3,0x4E,/ 0x08,0x2E,0xA1,0x66,0x28,0xD9,0x24,0xB2,0x76,0x5B,0xA2,0x49,0x6D,0x8B,0xD1,0x25,/ 0x72,0xF8,0xF6,0x64,0x86,0x68,0x98,0x16,0xD4,0xA4,0x5C,0xCC,0x5D,0x65,0xB6,0x92,/ 0x6C,0x70,0x48,0x50,0xFD,0xED,0xB9,0xDA,0x5E,0x15,0x46,0x57,0xA7,0x8D,0x9D,0x84,/ 0x90,0xD8,0xAB,0x00,0x8C,0xBC,0xD3,0x0A,0xF7,0xE4,0x58,0x05,0xB8,0xB3,0x45,0x06,/ 0xD0,0x2C,0x1E,0x8F,0xCA,0x3F,0x0F,0x02,0xC1,0xAF,0xBD,0x03,0x01,0x13,0x8A,0x6B,/ 0x3A,0x91,0x11,0x41,0x4F,0x67,0xDC,0xEA,0x97,0xF2,0xCF,0xCE,0xF0,0xB4,0xE6,0x73,/ 0x96,0xAC,0x74,0x22,0xE7,0xAD,0x35,0x85,0xE2,0xF9,0x37,0xE8,0x1C,0x75,0xDF,0x6E,/ 0x47,0xF1,0x1A,0x71,0x1D,0x29,0xC5,0x89,0x6F,0xB7,0x62,0x0E,0xAA,0x18,0xBE,0x1B,/ 0xFC,0x56,0x3E,0x4B,0xC6,0xD2,0x79,0x20,0x9A,0xDB,0xC0,0xFE,0x78,0xCD,0x5A,0xF4,/ 0x1F,0xDD,0xA8,0x33,0x88,0x07,0xC7,0x31,0xB1,0x12,0x10,0x59,0x27,0x80,0xEC,0x5F,/ 0x60,0x51,0x7F,0xA9,0x19,0xB5,0x4A,0x0D,0x2D,0xE5,0x7A,0x9F,0x93,0xC9,0x9C,0xEF,/ 0xA0,0xE0,0x3B,0x4D,0xAE,0x2A,0xF5,0xB0,0xC8,0xEB,0xBB,0x3C,0x83,0x53,0x99,0x61,/ 0x17,0x2B,0x04,0x7E,0xBA,0x77,0xD6,0x26,0xE1,0x69,0x14,0x63,0x55,0x21,0x0C,0x7D,int x, y;this.iSbox = new byte1616;for (int i = 0; i 16; i+)/ System.out.println(i=+i);for (int j = 0; j 4) & 0x0f);y = (int) (this.Sboxij & 0x0f);/ System.out.println(x=+x+ y=+y);this.iSboxxy = (byte) (16 * i + j);/* * 扩展密钥 */private void KeyExpansion()this.w = new byteNb * (Nr + 1)4;for (int row = 0; row Nk; +row)this.wrow0 = this.key4 * row;this.wrow1 = this.key4 * row + 1;this.wrow2 = this.key4 * row + 2;this.wrow3 = this.key4 * row + 3;byte temp = new byteNb;for (int row = Nk; row 6 & (row % Nk = 4)temp = SubWord(temp);this.wrow0 = (byte) (this.wrow - Nk0 temp0);this.wrow1 = (byte) (this.wrow - Nk1 temp1);this.wrow2 = (byte) (this.wrow - Nk2 temp2);this.wrow3 = (byte) (this.wrow - Nk3 temp3);/* * SubWord方法 * * param subWord * return */private byte SubWord(byte subWord)for (int c = 0; c 4) & 0x0f(subWordc & 0x0f);return subWord;/* * RotWord方法 * * param rotWord * return */private byte RotWord(byte rotWord)byte temp = rotWord;byte b = new byte4;for (int i = 0; i 4; i+)bi = temp(i + 1) % 4;return b;/* * 轮密钥加 * * param round */private void AddRoundKey(int round)for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)this.Staterc = (byte) (this.Staterc w(round * Nb)+ cr);/* * SubBytes方法 */private void SubBytes()for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c 4) & 0x0f(this.Staterc & 0x0f);/* * InvSubBytes方法 */private void InvSubBytes()for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c 4) & 0x0f(this.Staterc & 0x0f);/* * 行移位 */private void ShiftRows()byte temp = new byte4Nb;for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)temprc = this.Staterc;for (int r = 1; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)this.Staterc = tempr(c + r) % Nb;/ System.out.println();/ for (int r = 0; r 4; r+)/ / for (int c = 0; c 4; c+)/ / System.out.print(Staterc+ );/ / System.out.println();/ /* * 逆行移位 */private void InvShiftRows()byte temp = new byte4Nb;for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)temprc = this.Staterc;for (int r = 1; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)this.Staterc = tempr(c - r + Nb) % Nb;/ System.out.println();/ for (int r = 0; r 4; +r)/ / for (int c = 0; c 4; +c)/ / System.out.print(this.Staterc + );/ / System.out.println();/ /* * 列混合 */private void MixColumns()byte temp = new byte4Nb;for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)temprc = this.Staterc;for (int c = 0; c Nb; +c)this.State0c = (byte) (gfmultby02(temp0c) gfmultby03(temp1c) gfmultby01(temp2c) gfmultby01(temp3c);this.State1c = (byte) (gfmultby01(temp0c) gfmultby02(temp1c) gfmultby03(temp2c) gfmultby01(temp3c);this.State2c = (byte) (gfmultby01(temp0c) (gfmultby01(temp1c) gfmultby02(temp2c) gfmultby03(temp3c);this.State3c = (byte) (gfmultby03(temp0c) gfmultby01(temp1c) (gfmultby01(temp2c) gfmultby02(temp3c);/* * 逆列混合 */private void InvMixColumns()byte temp = new byte4Nb;for (int r = 0; r 4; +r)for (int c = 0; c Nb; +c)temprc = this.Staterc;for (int c = 0; c Nb; c+)this.State0c = (byte) (gfmultby0e(temp0c) gfmultby0b(temp1c) gfmultby0d(temp2c) gfmultby09(temp3c);this.State1c = (byte) (gfmultby09(temp0c) gfmultby0e(temp1c) gfmultby0b(temp2c) gfmultby0d(temp3c);this.State2c = (byte) (gfmultby0d(temp0c) (gfmultby09(temp1c) gfmultby0e(temp2c) gfmultby0b(temp3c);this.State3c = (byte) (gfmultby0b(temp0c) gfmultby0d(temp1c) (gfmultby09(temp2c) gfmultby0e(temp3c);/ 有限域GF(28)部分变换private byte gfmultby01(byte b)return b;private byte gfmultby02(byte b)/ if (b = 0) / !这里比较大小的时候注意符号位/ return (byte) (b 1);/ else/ return (byte) (b 7) & 0x01) = 0) / !这里比较大小的时候注意符号位return (byte) (b 1);elsereturn (byte) (b 1) (byte) 0x1b);/ 消除符号位可以用b&0xffprivate byte gfmultby03(byte b)return (byte) (gfmultby02(b) gfmultby01(b);private byte gfmultby09(byte b)return (byte) (gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b) gfmultby01(b);private byte gfmultby0b(byte b)return (byte) (gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b) gfmultby02(b) gfmultby01(b);private byte gfmultby0d(byte b)return (byte) (gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b) gfmultby02(gfmultby02(b) gfmultby01(b);private byte gfmultby0e(byte b)return (byte) (gfmultby02(gfmultby02(gfmultby02(b) gfmultby02(gfmultby02(b) gfmultby02(b);/* 公有方法 */* * 加密过程 * * param input * param output */public void Cipher(byte input, byte output)this.State = new byte4Nb;for (int i = 0; i (4 * Nb); i+)this.Statei / Nbi % Nb = inputi;/ 初始化状态矩阵AddRoundKey(0);/ 轮密钥加for (int round = 1; round Nr; +round)SubBytes();/ S盒变换ShiftRows();/ 行移位MixColumns();/ 列混合AddRoundKey(round);SubBytes();/ S盒置换ShiftRows();/ 行移位AddRoundKey(Nr);/ 轮密钥加for (int i = 0; i (4 * Nb); i+)outputi = this.Statei / Nbi % Nb; System.out.println(i%Nb);/ 输出密文public void Cipher(String input, String output)/* * 解密过程 * * param inputs * param output */public void Invcipher(byte input, byte output)this.State = new byte4Nb;for (int i = 0; i 0; round-)InvShiftRows();/ 逆行移位InvSubBytes();/ 逆S盒置换AddRoundKey(round);/ 轮密钥加InvMixColumns();/ 逆列混合InvShiftRows();/ 逆行移位InvSubBytes();/ 逆S盒置换AddRoundKey(0);/ 轮密钥加for (int i = 0; i (4 * Nb); +i)outputi = this.Statei / Nbi % Nb;/ 输出结果/* * 辅助类 处理明文字符输入字节数不匹配等问题 * * author DC * */public class AesCipherAndInvCipherprivate byte key;/ 密钥private byte pt;/ 明文字节数组private byte ct;private int mode;private int Nb = 0;private int dataLength;private int blockSize = 4;/ 分组大小32位,4bytespublic AesCipherAndInvCipher(byte kb)this.key=kb;/* * 加密 * * param kb * param plainText * return 加密后密文字节数组 */private byte