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： 3 2016 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(Data Encryption Standard,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-1f(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1.1.42DES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=L0f(R0,k1)=R16f(L16,k1)=L16f(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（Xuejia Lai）和著名密码专家James L. Massey在EUROCRYPT 1990国际会议上提出了一个名叫PES（Proposed Encryption Standard）分组密码算法，稍后经过改进成IPES（Improved PES），并于1992年被最终定名为国际数据加密标准（International Data Encryption Algorithm，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（Pretty Good Privacy）、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：l 6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-Tech AG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(Advanced Encryption Standard,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44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)(mod x4+1)，其中c(x)=c3x3+c2x2+c1x+c0=03x3 +01x2+01x+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(A2)(A10)(A18)(A24)其中i表示32比特循环左移i位，A、B均为为32 比特。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)=(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(mod 256)；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