试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 201371060113 系别计算机专业 2016 年3月13日 物联网（1） 班 专业课 课程类型 班级姓名金东海 学时数 2013 级物 联网 课程名称 实验名称 物联网信息安全实验 对称密码基本加密 实验内容实验内容 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 mm0,m1,m2,,mL-1，每组分别在密钥 kk0,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 cc0,c1,c2,,cL-1。分 组密码的模型如图 1.1.4-1 所示。 图 1.1.4-1 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、一、DESDES 算法算法 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,R0IP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i1,2,,16LiRi-1 ，Ri-1Li-1fRi-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-1R16,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,,k16k16,k15,,k1。 DES 算法的一轮迭代处理过程如图1.1.4-2 所示。 图 1.1.4-2 DES 的计算过程如图 1.1.4-3 所示。 图 1.1.4-3 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,R0IPcIPIP-1R16,L16，即L0,R0R16,L16；在第一轮中，L1R0L16R15， R1L0fR0,k1R16fL16,k1[L16fR15,k16]fR15,k16L15，即L1,R1R15,L15；同样 的，在接下来的15 轮迭代中，可以得到L2,R2R14,L14，，L16,R16R0,L0；最后一轮 结束后，交换 L16和 R16，即R16,L16L0,R0，IP-1L0,R0IP-1IPmm，解密成功。 二、二、3DES3DES 算法算法 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 。 三、三、IDEAIDEA 算法算法 ， 其 中 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 2161 乘，即 ； 。 IDEA 的整体结构如图 1.1.4-4 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 分别记为 。64 位的密文也分为 4 个子块，每块 16 位， 。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 为第 r 轮迭代使用的第 i 个子密