密码基础及应用 2

《密码学应用基础》课程教学单元设计教学单元3分组密码应用授课教师：授课班级：授课时间：学时数：10教学条件高性能实训机房、Python编程环境（需预装pycryptodome库）、多媒体投影设备、极域广播软件。教学素材《密码学应用基础》教材（项目3）、国密SM4算法发展与应用史料、数据抓包“明文vs乱码盲盒”对比演示案例、超星平台教学视频。教学目的引导学生化身“校园安全架构师”，掌握分组密码的核心原理（分组、填充）与常见算法（DES、AES、SM4）；深入理解分组密码的五种工作模式，并能通过Python编程实现数据的加解密，提升守护静态数据和网络通信安全的实战能力。教学目标设计能力目标：能通过Python（如pycryptodome库）或工具实现DES、AES、SM4的加解密操作；能编写代码实现明文数据的对齐与填充（如PKCS#7填充函数）；能根据应用场景（如短数据或长文件加密）正确选择并运用ECB、CBC等工作模式进行数据保护。知识目标：理解分组密码的核心概念（分组大小、密钥长度、填充机制），区分其与序列密码的本质差异；掌握DES（56位密钥）、AES（128/192/256位密钥）、SM4（128位密钥）的加解密流程及核心组件；熟悉ECB、CBC、CFB、OFB、CTR五种工作模式的原理、特点及适用场景。素质目标：培养在面对复杂算法结构（如Feistel网络、SPN结构）时严谨细致的工程分析与逻辑推导能力；提升系统性思考信息安全架构、解决实际网络安全问题的素养。思政育人目标：家国情怀：

通过学习国密算法SM4的自主设计背景及与国际标准（AES）的技术对标，增强科技自立自强意识与民族自豪感；责任担当：

以“安全架构师”视角代入，理解“最好的安全技术往往藏在看不见的地方”，牢固树立用密码技术守护国家和公民数字隐私的使命感。教学内容1.分组密码基础概念：分组大小、密钥长度与数据填充机制（Padding）；

2.经典算法解析：DES（Feistel结构、S盒）与AES（轮函数、状态矩阵）；

3.国密之光：SM4分组密码算法基本原理与技术对标；

4.分组密码的五大工作模式（重点剖析ECB与CBC的区别与场景）；

5.项目实施：使用Python编程实现DES的加解密、SM4的加解密，以及ECB工作模式的具体实现。教学重难点教学重点：

掌握DES、AES、SM4算法的核心流程；ECB与CBC工作模式的区别及应用选择。

教学难点：

理解复杂的轮函数机制（如AES的字节代换、行移位等）；在代码层面处理数据块的长度对齐与填充逻辑（如PKCS#7）。训练任务或案例案例模拟：校园门禁系统数据的加密防护；

2.编写Python代码实现DES的加密和解密过程；

3.编写Python代码实现SM4的加密和解密过程；

4.编写代码实现分组密码工作模式ECB并验证其缺陷。参考资料参考教材：《密码学应用基础》（本教材）及配套习题。

网络资源：

国家密码管理局关于SM4的官方标准文档、Python

pycryptodome库在线开发手册。

拓展阅读：

分组密码的差分分析与线性分析简介。课后作业理论辨析：

简述ECB模式和CBC模式的优缺点，并结合图形加密的案例，说明为什么加密大文件/长数据时不建议使用ECB模式。

2.编程实践：

编写一个简单的“文件加密工具”Python脚本，利用AES算法的CBC模式，对给定的文本文件进行加密和解密，提交完整代码与运行结果截图。教学体会本单元通过“校园安全架构师”的角色带入，使学生对原本枯燥的分组算法流程产生了强烈的实战兴趣。在对比DES的被淘汰与我国SM4算法的崛起时，思政教育水到渠成，激发了学生的专业认同感。实操环节中，部分学生对数据填充（Padding）的代码逻辑容易产生报错，通过在黑板上画出数据块的字节对齐图，结合Python单步调试演示，帮助学生顺利跨越了从理论到代码落地的障碍。教学过程设计序号主要步骤教学内容教学方法教学手段师生活动1课程导入与思政教育创设情境：化身“校园安全架构师”。展示明文像货物般被加密，嗅探软件抓取的内容变成“乱码盲盒”。引入国密SM4，讲述自主密码标准的重要性。讲授法

情境法多媒体

抓包视频演示教师：演示抓包工具下的明文泄露与密文保护，传递“技术向善”使命。

学生：沉浸角色，认识到隐蔽安全防线的重要性，萌发自豪感。2核心概念讲授讲解分组密码与序列密码的差异（逐块处理vs逐位处理）。详细讲解分组长度、密钥长度概念，以及处理非对齐数据时的填充机制（如PKCS#7）。讲授法

图解法多媒体

板书辅助教师：在黑板画出数据切块图解，演示如何填充不足的字节。

学生：理解并计算给定明文在128位分组下的填充字节数。3经典算法解析(DES与AES)解析DES（56位密钥/64位分组）的Feistel结构、S盒替换；讲解其因密钥过短被淘汰的历史。解析AES（128位分组）的SPN结构及轮函数变换。讲授法

对比法课件演示

图表展示教师：结合流程图对比DES与AES的安全性和结构差异。

学生：掌握两大国际标准算法的演进逻辑与核心组件。4国密算法解析(SM4)讲解SM4（128位密钥/128位分组）的基本原理、非平衡Feistel结构设计。对比SM4与AES，强调国密算法的安全性与应用前景。讲授法

讨论法课件演示教师：介绍SM4在无线局域网及政务网中的应用。

学生：讨论国密替换的必要性，树立自主可控意识。5工作模式分析重点讲解ECB（电子密码本）、CBC（密码分组链接）等5种模式。演示著名的“Linux企鹅图”加密案例，直观展示ECB模式保留数据特征的致命弱点。演示法

案例法多媒体演示

图像对比教师：展示企鹅图经ECB加密后依然能看出轮廓的图片。

学生：震撼于视觉效果，深刻理解CBC引入初始向量(IV)的必要性。6项目实施：代码演示演示Python中pycryptodome库的调用。逐行解读DES加解密、SM4加解密及ECB工作模式的代码实现，重点演示Padding函数编写。示范法

讲解法代码投屏

操作演示教师：现场编写并运行加密脚本，展示密文的Hex输出。

学生：记录第三方库的导入方法及核心加密类接口的使用。7课堂实践：动手操作学生根据项目任务，自主编写DES和SM4加解密程序，实现ECB工作模式测试，并尝试修改代码进行密文还原。任务驱动

实操指导机房实操

广播教学教师：巡回指导，解答关于字节类型(bytes)转换、库安装的报错。

学生：敲击代码，调试程序，完