数据加密技术之大数据加密35873

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,密 码 学,分组密码运行模式-大数据加密,一、,计算机数据,的特殊性,1、存在明显的数据模式：,许多数据都具有某种固有的模式。这主要是由,数据冗余,和,数据结构,引起的。,各种计算机语言的语句和指令都十分有限，因而在程序中便表现为,少量的语句和指令的大量重复,。,各种语言程序往往具有某种,固定格式,。,数据库的记录也往往具有某种,固定结构,。,操作系统和网络也有同样的问题。,一、,计算机数据,的特殊性,1、存在明显的数据模式：,根据明文相同、密钥相同，则密文相同的道理，这些固有的数据模式将在密文中表现出来。,掩盖明文数据模式的方法：,预处理技术(随机掩盖),链接技术,如果不能掩盖数据模式，既使采用安全的密码算法也是徒劳的。,一、,计算机数据,的特殊性,数据的特殊性带来的需求：,分组固定而待加密的数据量是不定的。,即使有了安全的分组密码算法，也需要采用适当的工作模式来隐蔽明文的统计特性、数据的格式等，以提高整体的安全性，降低删除、重放、插入、和伪造成功的机会。,不仅要保持各分组的完整性，还有保持各分组的次序不变。,二、分组密码,的工作模式,1977年DES颁布。1981年美国针对DES的应用制定了四种基本工作模式,：,电码本模式（ECB）,每个明文组独立地以同一密钥加密，单个数据加密。,密文反馈链接模式（CBC）,将前一组密文与当前明文组逐步异或后再进行分组、加密，用途：加密、认证。,二、分组密码,的工作模式,密码反馈模式（CFB）,每次只处理k位数据，将上一次的密文反馈到输入端，从加密器的输出取k位，与当前的k位明文逐位异或，产生相应密文；用途：一般传送数据的流加密，认证,输出反馈模式（OFB）,类似于CFB，以加密器输出的k位随机数字直接反馈到加密器的输入，用途：对有扰信道传送的数据流进行加密（如卫星数传）,二、分组密码,的工作模式,2000年美国在征集AES的同时又公开征集AES的工作模式。共征集到 15个候选工作模式。,新的工作模式标准还在评审中。,这些新的工作模式将为AES的应用作出贡献。,二、分组密码,的工作模式,1、,电码本模式（ECB）,直接利用分组密码对明文的各分组进行加密。,设 明文,M,=（,M,1,，,M,2,，,M,n,）,密钥为,K,，,密文,C,(,C,1,，,C,2,，,C,n,),其中,C,i,E,（,M,i,，,K,）,i=1,2,n,电码本方式是分组密码的基本工作模式。,缺点：可能出现短块，这时需要特殊处理。,缺点：,暴露明文的数据模式。,应用：,适合加密密钥等短数据,二、分组密码,的工作模式,2、,密文反馈链接模式（CBC）,明密文链接方式（,Plaintext and Ciphertext,Block,Chaining）,设 明文,M=（M,1,，M,2,，M,n,）,密钥为,K,，,密文,C=(C,1,，C,2,，C,n,),其中,E,（,M,i,Z,，,K,），,i=1,E,（,M,i,M,i-1,C,i-1,，,K,）,i=2,n,Z,为初始化向量。,C,i,=,二、分组密码,的工作模式,2、,密文反馈链接模式（CBC）,明密文链接方式,即使M,i,M,j,，但因一般都有M,i-1,C,i-1,M,j-1,C,j-1,，从而使C,i,C,j,，,从而掩盖了明文中的数据模式。,加密时，当M,i,或C,i,中发生一位错误时，自此以后的密文全都发生错误。,这种现象称为错误传播无界。,解密时也是错误传播无界。,二、分组密码,的工作模式,2、,密文反馈链接模式（CBC）,明密文链接方式,错误传播无界的缺点：当磁盘发生一点损坏时将导致整个文件无法解密。,错误传播无界的优点：可用于数据完整性、真实性认证。,二、分组密码,的工作模式,M,1,E,C,1,M,1,D,M,2,E,C,2,D,M,n,E,C,n,D,M,n,M,2,加密,解密,K,K,K,K,K,K,Z,Z,二、分组密码,的工作模式,2、,密文反馈链接模式（CBC）,明密文链接方式具有加解密错误传播无界的特性，而磁盘文件加密和通信加密通常希望解密错误传播有界，这时可采用密文链接方式。,密文链接方式（,Ciphertext,Block,Chaining）,设 明文,M=（M,1,，M,2,，M,n,）,密钥为,K,，,密文,C=(C,1,，C,2,，C,n,),其中,E,（,M,i,Z,，,K,），,i=1,E,（,M,i,C,i-1,，,K,）,i=2,n,C,i,=,二、分组密码,的工作模式,M,1,E,C,1,M,1,D,M,2,E,C,2,D,M,n,E,C,n,D,M,n,M,2,加密,解密,K,K,K,K,K,K,Z,Z,二、分组密码,的工作模式,2、,密文反馈链接模式（CBC）,密文链接方式,加密：错误传播无界,解密时：错误传播有界,D,（,C,i,，,K,）,Z,，,i=1,D,（,C,i,，,K,）,C,i-1,i=2,n,C,i-1,发生了错误，则只影响M,i-1,和M,i,发生错误，其余不错，因此错误传播有界。,缺点也是要求数据的长度是密码分组长度的整数倍，否则最后一个数据块将是短块。,M,i,=,二、分组密码,的工作模式,3、,输出反馈模式(OFB),将一个分组密码转换为一个密钥序列产生器。从而可以实现用分组密码按流密码的方式进行加解密。,64移位寄存器,K位,E K位,明文K位,密文K位,种子R,0,K,二、分组密码,的工作模式,3、,输出反馈模式(OFB),如果分组密码是安全的，则产生的密钥序列也是安全的。,加解密都没有错误传播。,适于加密冗余度较大的数据，如语音和图象数据。,为了提高速度可输出最右边的 8位。,但因无错误传播而对密文的篡改难以检测。,二、分组密码,的工作模式,4、,密码反馈模式 CFB,（,Cipher Feedback,）,CFB模式也是用分组密码产生密钥序列。,64移位寄存器,K位,E K位,明文K位,密文k位,种子R,0,K,二、分组密码,的工作模式,4、,密码反馈模式(CFB),与,OFB,的不同是，把密文反馈到移位寄存器。,加密时若明文错了一位，则影响相应的密文错，这一错误反馈到移位寄存器后将影响到后续的密钥序列错，导致后续的密文都错。,解密时若密文错了一位，则影响相应的明文错，但密文的这一错误反馈到移位寄存器后将影响到后续的密钥序列错，导致后续的明文都错。,因错误传播无界，可用于检查发现对明密文的篡改。,二、分组密码,的工作模式,5、,X CBC(Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式,2000年美国学者J0hn Black和Phllip Rogaway提出X CBC模式，作为CBC模式的扩展，被美国政府采纳作为标准。,X CBC主要是解决了CBC要求明文数据的长度是密码分组长度的整数倍的限制，可以处理任意长的数据。如果用分组密码是安全的，则密钥序列就是安全的。,二、分组密码,的工作模式,5、,X CBC(Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式,设明文M=（M,1,，M,2,，M,n-1,，M,n,），相应的密文C=(C,1,，C,2,，C,n1,，C,n,)，而M,n,可能是短块。,使用3个密钥 K,1,，K,2,，K,3,进行加密。,使用填充函数,Pad（X）,对短块数据进行填充。,二、分组密码,的工作模式,5、,X CBC(Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式,填充函数Pad（,X,）定义如下：,X,，,当X不是短块,；,X,100，,当X是短块,。,经填充函数,Pad（X）,填充后的数据块一定是标准块。,Pad（,X,）,二、分组密码,的工作模式,5、,X CBC(Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式,令,Z,0，以,Z,作为初始化向量。加密过程如下：,E,（,M,i,Z,，,K,1,），i=1,E,（,M,i,C,i-1,，,K,1,）,i=2,n1,E,（,M,n,C,n-1,K,2,，,K,1,），当,M,n,不是短块；,E,（PAD（,M,n,）,C,n-1,K,3,，,K,1,），当,M,n,是短块,。,C,i,C,n,二、分组密码,的工作模式,5、,X CBC(Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式,X CBC,与,CBC,区别：,CBC要求最后一个数据块是标准块，不是短块,。,X CBC,既允许最后一个数据块是标准块，也允许是短块。,最后一个数据块的加密方法与,CBC,不同,。,因为有填充，需要传输填充长度信息。,二、分组密码,的工作模式,5、,X CBC(Extended Cipher Block Chaining Encryption)模式,X CBC模式的主要优点：,可以处理任意长度的数据。,适于计算产生检测数据完整性的消息认证码MAC。,X CBC模式的主要缺点：,有填充，不适合文件和数据库加密。,使用3个密钥，需要传填充长度，复杂。,二、分组密码,的工作模式,6、,CTR（Counter Mode Encryption）模式,CTR模式是Diffie和Hellman于1979年提出的，在征集AES工作模式的活动中由California大学的Phillip Rogaway等人的推荐。,设T,1,，T,2,，T,n-1,，T,n,是一给定的计数序列，M,1,，M,2,，M,n-1,，M,n,是明文，其中M,1,，M,2,，M,n-1,是标准块，M,n,的可能是标准块，也可能是短块。设其长度等于,u,，,u,小于等于分组长度。,二、分组密码,的工作模式,6、,CTR（Counter Mode Encryption）模式,CTR的工作模式的加密过程如下：,O,i,E（T,i,，K），i=1,2,n.,CiM,i,O,i,，i=1,2,n-1.,C,n,M,n,MSB,u,（O,n,）.,其中MSB,u,（O,n,）表示O,n,中的高u位。,计数器,加密算法 E,M,i,C,i,T,i,O,i,K,T,1,时钟脉冲,二、分组密码,的工作模式,6、,CTR（Counter Mode Encryption）模式,CTR的工作模式的解密过程如下：,O,i,E（T,i,，K），i=1,2,n.,M,i,C,i,O,i,，i=1,2,n-1.,M,n,C,n,MSB,u,（O,n,）.,二、分组密码,的工作模式,6、,CTR（Counter Mode Encryption）模式,CTR的工作模式的优点：,CTR,模式的优点是安全、高效、可并行、适合任意长度的数据；,O,i,的计算可预处理高速进行；,加解密过程仅涉及加密运算，不涉及解密运算，因此不用实现解密算法。,适合随机存储数据的解密。,CTR模式的缺点是没有错误传播，因此不易确保数据完整性。,三、短块加密,分组密码一次只能对一个固定长度的明文（密文）块进行加（解）密。,称长度小于分组长度的数据块为短块。,必须采用合适的技术解决短块加密问题。,短块处理技术：,1、填充技术,2、密文挪用技术,3、序列加密,三、短块加密,1、填充技术,用无用的数据填充短块，使之成为标准块。,为了确保加密强度，填充数据应是随机的。,但是,收信者如何知道哪些数字是填充的呢,？,这就需要增加指示信息，通常用最后8位作为填充指示符。,填充法适于通信加密而不适于文件和数据库加密。,三、短块加密,M,n-1,a,a b,M,n,E,C,n,D,M,n,M,n-1,加密,解密,K,K,K,K,E,D,b M,n,a b,b M,n,C,n-1,2、密文挪用技术,三、短块加密,密文挪用法也需要指示挪用位数的指示符，否则收信者不知道挪用了多少位，从而不能正确解密。,密文挪用加密短块的优点是不引起数据扩