Information Security - 密碼學介紹-對稱式金鑰 Introduction to Symmetric-Key Encryption Algorithm
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Please see: http://autekroy.blogspot.tw/ This is my presentation PowerPoint for the information security course. My apology for the viewers don't know Chinese. The information security series in this blog are almost in Chinese. The topic is "Introduction to Symmetric Encryption Algorithm." 下面是我在大二上資訊安全的課程時所製作的上課報告投影片 這份主題是"密碼學介紹-對稱式金鑰"
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Information Security - 密碼學介紹-對稱式金鑰 Introduction to Symmetric-Key Encryption Algorithm
- 1. 密碼學介紹 (對稱式金鑰) Author: 張耀仁 wing Blogger: http://autekroy.blogspot.tw/ Email: autek-roy@hotmail.com
- 2. 基本用語 • • • • • • 明文:Plain text 密文:Cipher text 加密:Encryption/Encipherment 解密:Decryption/Decipherment 加密金鑰:Encryption key 解密金鑰:Decryption key
- 3. 資料和加密金鑰 明文 Plain text 加密金鑰 Encryption key 解密金鑰 Decryption key 密文 Cipher text
- 5. 加密方式分類
- 6. 對稱式加密 • 金鑰數目:n人時，需要金鑰數目 = n(n-1) 2 串流密碼 stream cipher: 以1位元或1位元組的連續加密方式 ex:Vernam Cipher 加密分類 區塊密碼 block cipher: 將資料依一定長度(區塊)區分再加密 ex:DES
- 8. 凱薩密碼(Caesar cipher) • 對稱式-加密金鑰只有25種! • 將明文各個字母依序推遲n個字母的加密演 算法ex: n=3時，AD,RU,XA,YB,ZC EX: M O M O T A R O P R PRWDUR
- 9. 替代密碼(substitution cipher) • 對稱式，將凱薩密碼變複雜 • 將明文各個字母推遲得字數有變化的加密演 算法 • 將字母作一對一的轉換，即為代替法 • 加密金鑰有26!種約=4.0329 X 10^26
- 10. 多字母密碼(polyalphabetic cipher) • 對稱式，又稱多字母代替法、多字元加密法 • 將每n個字母分割為一區塊，改變各區的文字 推遲數，擴張版的凱薩密碼 • 金鑰數=26^n M O M O T A R O (明文) Ex : n=4 第1個文字推遲2個字元 第2個文字推遲5個字元 第3個文字推遲3個字元 第4個文字推遲1個字元 MOMO TARO O T P P V F U P (密文)
- 11. 置換密碼(transposition cipher) • 對稱式，又稱換位密碼、換位法 • 將每n個字母分割為一塊，改變各區的文字 順序者 • 金鑰數=n! Ex : n=4 置換規則= 1234 2413 第1個文字置換為第2個字元 第2個文字置換為第4個字元 第3個文字置換為第1個字元 第4個文字置換為第3個字元 M O M O T A R O (明文) MOMO TARO OOMO A O T R (密文)
- 12. 絕對安全的密碼 弗納姆密碼 : Vernam Cipher 一種串流密碼 使用一次性密碼本(以亂數為基礎) 即於明文中附加相同長度亂數列，因為沒 有其他可以對照的資料，所以沒法破解 • Vernam 1917年提出 • Shannon 1949證明不可能被破解 • • • •
- 14. DES (Data Encryption Standard) • DES為早期最廣泛使用的對稱金鑰的演算 法。 • 由 IBM 公司在1970年代所發展出的加密演 算法並在1977年經美國國家標準局 （NBS）採用為聯邦標準（FIPS PUB 462） • 在2001年，DES作為一個標準已經被高階 加密標準（AES）所取代。
- 15. DES原理 • 利用Shannon的多重加密的觀念，並利用Confusion（混 淆）與Diffusion（散佈）等方式：將明文(Plain Text)轉換 成其他格式，並散佈明文的每一個小部分擴散到密文的各 部分以達到加密效果。 • 將原始資料「明文」弄得非常散亂，讓破解者無法利用統 計方式或其他數學分析技巧將加密後的「密文(Cipher text)」還原成原來的明文。 • 採用56位元的金鑰來對64位元的資料區段進行加密，剩下 8位元用於同位檢查
- 17. DES之缺點 • 加密與解密需用同一個key： 所以在傳輸時，要如何使雙方都使用同一個key，為一 重要問題。 • 容易攻破 – 金鑰只有56 bits，資料區塊 為 64 位 元 ： 因其中每個位元組(8 bits) 皆 取 1 位 元 作 為 同 位 (parity)核 對故 有 效 鍵 長 56 位 元 (在其第 8、 16、24、32、40、48、56、64為同位元檢查碼， 同位元檢查碼沒有真正使用。) – 金鑰相當於猜測256種數據資料，很容易被破解 – 因此專家認為金鑰應該考慮採用Triple-DES。(3DES) 17
- 18. 3DES • 1992年，研究人員發現DES可以反覆使用來增加強 度，因此Triple DES應運而生。(運算48回合) • 3DES可以使用二把或三把金鑰 • 比其它演算法較慢，類型：DES-EEE3、DES-EDE3、 DES-EEE2、DES-EDE2 • 許多網路應用系統採用3DES，如PGP、S/MIME
- 20. 3DES-金鑰長度 • 三把金鑰:K1(加密)、K2(解密)、K3(加密) • 二把金鑰，K1和K3相同，K2不同 金鑰長度=56 X 2 = 112 • 三把金鑰，K1、K2、K3全都不同 金鑰長度=56 X 3 = 168
- 21. AES(Advanced Encryption Standard) • 進階加密標準 form Rijndael演算法 • 來源:NIST()為了取代DES於1997年4月正式公告 徵求下一代的區塊加密碼器AES，以保護敏感 (sensitive)但非機密(unclassified)的聯邦資料 • 2000年10月，NIST宣佈來自比利時(Belgium)的 兩位密碼學者Joan Daemen、Vincent Rijmen所 提出的Rijndael演算法贏得這項徵選活動並作為新 一代的加密標準。
- 22. AES • AES和Rijndael加密法不完全一樣（實際應用中二 者可互換） • Rijndael使用的密鑰和區塊長度可以是32位元的 整數倍，以128位元為下限，256位元為上限。 • AES的區塊長度固定為128 位元，密鑰長度則可 以是128，192或256位元 • JAVA有內建128-bits的實作
- 23. AES • 大多數AES計算是在一個特別的有限域完 成 • AES加密過程是在一個4×4的位元組矩陣上 運作，這個矩陣又稱為state，其初值就是 一個明文區塊 • Rijndael加密法因支援更大的區塊，其矩陣 行數可視情況增加
- 24. AES 各輪AES加密迴圈（除最後一輪）均包含之後4個步驟: (請與下頁的圖相互對照) 1. AddRoundKey:矩陣中的每一個位元組都與該次回合 金鑰（round key）做XOR運算；每個子密鑰由密鑰 生成方案產生。 2. SubBytes:透過一個非線性的替換函數，用尋找表的 方式把每個位元組替換成對應的位元組。 3. ShiftRows:將矩陣中的每個橫列進行循環式移位 4. MixColumns:為了充分混合矩陣中各個直行的操作。 這個步驟使用線性轉換來混合每行內的四個位元組。 最後一個加密迴圈中省略MixColumns步驟，而以另 一個AddRoundKey取代。
- 25. AES 1 3 2 4
- 26. DES、3DES、AES比較
- 27. IDEA • 由瑞士聯邦技術協會發展出來，解密方法與加密方法相 同，只有subkey選取方式不同（同一套系統可以加解 密） • Confusion (迷惑)：加密器的密文與明文之間的關係十 分複雜，無法從數學上去描述，或從統計上去分析。 • Diffusion（擴散）：明文中的任一位元及密鑰中的任一 位元，都對全體密文位元有影響。
- 28. IDEA • 金鑰長度為128-bit對區塊為64-bit的明文 • key比較長，可以對抗暴力破解法 • 設計核心是建立在三種簡單的代數運算上 1.以位元為單位的exclusive-OR，以 表示 2.mod 216 運算：以 表示 3.mod 216++1運算：以⊙表示
- 30. IDEA-subkey補充 • 用了52個子密鑰(8輪中的每一輪需要6個， 其他4個用與輸出變換) • 將128-位密鑰分成8個16-位子密鑰。 這些 是算法的第一批8個子密鑰（第一輪六個， 第二輪的頭兩個）。然後，密鑰向左環移x 位後再分成8個子密鑰。 開始4個用在第二 輪，後面4個用在第三輪。 密鑰再次向左環 移25位產生另外8個子密鑰，如此進行直到 算法結束。
- 31. IDEA加解密流程
- 32. RC系列算法 • 大名鼎鼎的RSA三人組設計 • 金鑰長度可變的串流密碼 • RC系列算法可以使用2048位的密鑰，該算 法的速度可以達到DES加密的10倍左右。 • RC2:以連續的64-bit為單位的區塊密碼 • RC4:單位不定的串流密碼 • 目前最流行的是RC4算法
- 33. RC4 • 1987年RSA三人組中的Ron Rivest所設計 • 金鑰長度可變 • 目前還沒有發現密鑰長度達到128位的RC4 有重複的可能性 • RC4也是目前最安全的加密算法之一
- 34. RC4-簡介算法 • 算法有兩部分 • 1.初始化算法:將一個256字節(長度不定， 但一般為256)的初始數簇進行隨機攪亂 • 2.偽隨機子密碼生成算法:得到不同的子密 鑰序列，將得到的子密鑰序列和明文進行 XOR運算後，得到密文
- 35. The end Thank you very much