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1、 信息安全技术基础 数据加密标准数据加密标准DES(Data Encryption Standard)-主讲主讲 唐西林唐西林2023/1/231 信息安全技术基础 本节课的内容提要：数据加密标准（数据加密标准（DES）3DES 2023/1/232 信息安全技术基础 数据加密标准 美国国家标准局(NBS)，即现在的国家标准和技术研究所(NIST)于1973年5月向社会公开征集标准加密算法并公布了它的设计要求：-算法必须提供高度的安全性 -算法必须有详细的说明，并易于理解 -算法的安全性取决于密钥，不依赖于算法 -算法适用于所有用户 -算法适用于不同应用场合 -算法必须高效、经济 -算法必须能
2、被证实有效 2023/1/233 信息安全技术基础 1974年8月27日,NBS开始第二次征集，IBM提交了算法LUCIFER，该算法由Feistel领导的团队研究开发，采用64位分组以及128位密钥IBM用改版的Lucifer算法参加竞争，最后获胜，成为数据加密标准(Data Encryption Standard,DES)1976年11月23日，采纳为联邦标准，批准用于非军事场合的各种政府机构。1977年1月15日，数据加密标准，即FIPS PUB 46正式发布DES是分组密码的典型代表，也是第一个被公布出来的加密标准算法。现代大多数对称分组密码也是基于Feistel密码结构 2023/1
3、/234 信息安全技术基础 DES加密过程 DES同时使用了代换代换和置换置换两种技巧 它用56位密钥加密64位明文，最后输出64位密文 整个过程分为两大部分组成：一是加密过加密过程程，另一是子密钥产生过程子密钥产生过程 图3.4是DES加密算法简图 2023/1/235 信息安全技术基础 2023/1/236 信息安全技术基础 图图3.4左半边左半边的处理过程可以分三个部分：(1)64位明文经过初始置换被重新排列，然后分左右两半，每半各32位；(2)左右两半经过16轮置换和代换迭代，即16次实施相同的变换。然后再左右两半互换；(3)互换后的左右两半合并，再经过逆初始置换输出64位密文。图图3
4、.4右半部右半部则由56位密钥，产生16个48位子密钥，分别供左半边的16轮迭代加密使用 2023/1/237 信息安全技术基础 初始置换 初始置换(Initial Permutation,IP)是数据加密的第1步将64位的明文按照图3.5置换。置换表中的数字表示输入位在输出中的位置 2023/1/238 信息安全技术基础 置换后将数据M分成两部分：左半部分L0和右半部分R0各32位。划分方法原则是偶数位移到左半部，奇数位移到右半部，即：2023/1/239 信息安全技术基础 DES每轮结构 上一轮的右边Ri-1直接变换为下一轮的左边Li上一轮的左边Li-1与加密函数F异或后作为下一轮的右边R
5、i加密函数F则是上一轮右边Ri-1和子密钥Ki的函数。即Li=Ri1Ri=Li1 F(Ri1,Ki)2023/1/2310 信息安全技术基础 图图3.6 DES每一轮结构每一轮结构Li-1Ri-1LiRiKiF+2023/1/2311 信息安全技术基础 加密函数F 本质上是Ri-1和子密钥Ki的异或从图3.6可以看出加密函数F是32位，而Ri-1是32位，子密钥Ki是48位，因此Ri-1和Ki不能直接异或DES这样处理这个问题：先用扩展置换E(如图3.8所示)将Ri-1扩展为48位，与48位子密钥异或，输出48位；再使用8个S盒压缩成32位；然后经置换函数P(如图3.9所示)输出32位的加密函
6、数F。2023/1/2312 信息安全技术基础 加密函数F的计算过程 Ki(48 bits)Ri-1(32 bits)48 bitsE+S1S2S3S4S5S8S6S7F(32 bits)P2023/1/2313 信息安全技术基础 图3.8 扩展置换E图3.9 置换函数P2023/1/2314 信息安全技术基础 S盒 在加密函数计算过程中使用了8个S盒；盒；S盒盒是DES保密性的关键所在；S盒有6 位输入，4 位输出；48位数据经过8个S盒后输出32位数据；每个S盒都由4行(表示为0,1,2,3)和16列(0,1,15)组成，如图3.10所示 2023/1/2315 信息安全技术基础 2023
7、/1/2316 信息安全技术基础 每行都是全部的16个长为4比特串的一个全排列每个比特串用它对应的二进制整数表示,如1001用9表示。对每个S盒，将6位输入的第一位和最后一位组成一个二进制数，用于选择S盒中的一行。用中间的4位选择S盒16列中的某一列，行列交叉处的十进制数转换为二进制数可得到4位输出。例如对于S1盒而言,如果输入为011001，则行是01(十进制1，即S盒的第2行)，列1100(12，即S盒的第13列)，该处的值是9，转换为二进制数为1001，即为该S盒的输出 2023/1/2317 信息安全技术基础 DES 子密钥产生 DES加密过程共迭代16轮，每轮用一个不同的48位子密钥
8、 子密钥由算法的56位密钥产生 DES算法的输入密钥长度是64位，但只用了其中的56位 如图3.11所示,图中无阴影部分，也就是每行的第8位被忽略，主要用于奇偶校验，也可以是随意设置 子密钥的产生过程如图3.12所示 2023/1/2318 信息安全技术基础 图3.11 DES的输入密码2023/1/2319 信息安全技术基础 2023/1/2320 信息安全技术基础 56位密钥首先经过置换选择1(如图3.13所示)将其位置打乱重排将前28位作为C0(如图3.13的上面部分)，后28位D0(如图3.13的下面部分)2023/1/2321 信息安全技术基础 接下来经过16轮，产生16个子密钥每一
9、轮迭代中,Ci-1和Di-1循环左移1位或者2位，如图3.14所示Ci-1和Di-1循环左移后变为Ci和Di，将Ci和Di合在一起的56位，经过置换选择2(如图3.15所示)，从中挑出48位作为这一轮的子密钥再将Ci和Di循环左移后，使用置换选择2产生下一轮的子密钥，如此继续，产生所有16个子密钥。2023/1/2322 信息安全技术基础 图3.14每轮左移次数的规定图3.15置换选择22023/1/2323 信息安全技术基础 DES解密 DES解密过程与加密过程本质上一致加密和解密使用同一个算法，使用相同的步骤和相同的密钥主要不同点是将密文作为算法的输入，但是逆序使用子密钥ki，即第1轮使用
10、子密钥k16，第2轮使用子密钥k15，最后一轮使用子密钥k1 2023/1/2324 信息安全技术基础 DES的强度 从发布时起，DES就备受争议 争论的焦点主要集中在密钥的长度、迭代次数以及S盒的设计等方面 DES的安全性是依赖S盒,但是S盒设计详细标准至今没有公开 有人怀疑S盒里隐藏了陷门（trapdoors）。然而到目前为止也没有任何证据证明DES里确实存在陷门。事实上，后来表明S盒是被设计成能够防止差分密码分析 DES是将Lucifer算法作为标准，Lucifer算法的密钥长度128位，但DES将密钥长度改为56位,这不能抵抗穷尽密钥搜索攻击 2023/1/2325 信息安全技术基础
11、1997年，克罗拉多州的程序员Verser在Inrernet上数万名志愿者的协作下用96天的时间找到了密钥长度为40位和48位的DES密钥1998年电子边境基金会（EFF）使用一台价值25万美元的计算机在56小时之内破译了56位的DES1999年，电子边境基金会（EFF）通过互联网上的10万台计算机合作，仅用22小时15分破译了56位的DES另外，DES存在弱密钥弱密钥。如果一个密钥所产生的所有子密钥都是一样的，则这个外部密钥就称为弱密钥DES的密钥置换后分成两半，每一半各自独立移位。如果每一半的所有位都是“0”或者“1”，那么在算法的任意一轮所有的子密钥都是相同的2023/1/2326 信息
12、安全技术基础 三重DES DES由于安全问题，美国政府于1998年12月宣布DES不再作为联邦加密标准 新的美国联邦加密标准是高级加密标准(ASE)在新的加密标准实施之前，为了使已有的DES算法投资不浪费，NIST在1999年发布了一个新版本的DES标准（FIPS PUB46-3），该标准指出DES仅能用于遗留的系统，同时将三重DES（简写为3DES）取代DES成为新的标准3DES存在几个优点。首先它的密钥长度是168位，足以抵抗穷举攻击。其次，3DES的底层加密算法与DES的加密算法相同，该加密算法比任何其它加密算法受到分析的时间要长得多，也没有发现有比穷举攻击更有效的密码分析攻击方法 20
13、23/1/2327 信息安全技术基础 但是双重DES不安全双重DES存在中间相遇攻击，使它的强度跟一个56位DES强度差不多如果C=EK2EK1M，令X=EK1M=DK2C。若已知(M,C)，攻击方法如下：-先用256个可能的K1加密M，得到256个可能的值，将这些值从小到大存入一个表中 -再对256个可能的K2解密C，每次做完解密，将所得的值与表中的值比较，如果产生匹配，则它们对应的密钥可能是K1和K2 -用一个新的明文密文对检测所得两个密钥，如果两密钥产生正确的密文，则它们是正确的密钥 2023/1/2328 信息安全技术基础 为防止中间相遇攻击，可以采用3次加密方式，如图3.17所示 这
14、是使用两个密钥的三重EDS，采用加密解密加密(E-D-E)方案 注意的是,加密与解密在安全性上来说是等价的。这种加密方案穷举攻击代价是2112 EEK1K1CMB加密加密解密解密DK2ADDK1K1MCAEK2B2023/1/2329 信息安全技术基础 目前还没有针对两个密钥的三重两个密钥的三重DES实际的攻击方法但是感觉它不大可靠，如果采用三把密钥的三把密钥的三重三重DES则比较放心三把密钥的三重DES的密钥长度是168位，采用加密加密解密解密加密加密(E-D-E)方案其加密过程为C=EK3DK2 EK1M，解密过程为M=DK1EK2 DK3C这种加密方式已经被一些网络应用采用,如本书后面章节要讨论的PGP和S/MIME采用了这种方案 2023/1/2330 信息安全技术基础 希望大家能学出好成绩,我们一起努力!谢谢大家!2023/1/2331