密碼學(xué)課件3(流密碼).ppt

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1、第2章流密碼2.1流密碼的基本概念2.2線性反饋移位寄存器（重點(diǎn)）2.3線性移位寄存器的一元多項(xiàng)式（不做要求）2.4m序列的偽隨機(jī)性（不做要求）2.5m序列密碼的破譯（不做要求）2.6非線性序列（部分內(nèi)容）習(xí)題流密碼的基本思想是利用密鑰k產(chǎn)生一個(gè)密鑰流z=z0z1…，并使用如下規(guī)則對(duì)明文串x=x0x1x2…加密：y=y0y1y2…=Ez0(x0)Ez1(x1)Ez2(x2)…。密鑰流由密鑰流發(fā)生器f產(chǎn)生：zi=f(k,σi)，這里σi是加密器中的記憶元件（存儲(chǔ)器）在時(shí)刻i的狀態(tài)，f是由密鑰k和σi產(chǎn)生的函

2、數(shù)。分組密碼與流密碼的區(qū)別就在于有無(wú)記憶性（如圖2.1）。流密碼的滾動(dòng)密鑰z0=f(k,σ0)由函數(shù)f、密鑰k和指定的初態(tài)σ0完全確定。由于輸入加密器的明文可能影響加密器中內(nèi)部記憶元件的存儲(chǔ)狀態(tài)，因而σi(i>0)可能依賴于k，σ0，x0，x1，…，xi-1等參數(shù)。2.1流密碼的基本概念流密碼與分組密碼的比較：流密碼的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：處理速度快，實(shí)時(shí)性能好，錯(cuò)誤傳播小缺點(diǎn)：明文擴(kuò)散性差，密鑰須同步分組密碼的特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：明文擴(kuò)散性好，不需密鑰同步缺點(diǎn)：加密速度慢，錯(cuò)誤易擴(kuò)散和傳播圖2.1分組密碼和流密碼的比較圖

3、2.1分組密碼和流密碼的比較根據(jù)加密器中記憶元件的存儲(chǔ)狀態(tài)σi是否依賴于輸入的明文字符，流密碼可進(jìn)一步分成同步和自同步兩種。σi獨(dú)立于明文字符的叫做同步流密碼，否則叫做自同步流密碼。由于自同步流密碼的密鑰流的產(chǎn)生與明文有關(guān)，因而較難從理論上進(jìn)行分析。目前大多數(shù)研究成果都是關(guān)于同步流密碼的。在同步流密碼中，由于zi=f(k,σi)與明文字符無(wú)關(guān)，因而此時(shí)密文字符yi=Ezi(xi)也不依賴于此前的明文字符。因此，可將同步流密碼的加密器分成密鑰流產(chǎn)生器和加密變換器兩個(gè)部分。如果與上述加密變換對(duì)應(yīng)的解密變換為x

4、i=Dzi(yi)，則可給出同步流密碼體制的模型如圖2.2所示。2.1.1同步流密碼圖2.2同步流密碼體制模型圖2.2同步流密碼體制模型同步流密碼的加密變換Ezi可以有多種選擇，只要保證變換是可逆的即可。實(shí)際使用的數(shù)字保密通信系統(tǒng)一般都是二元系統(tǒng)，因而在有限域CF(2)上討論的二元加法流密碼（如圖2.3）是目前最為常用的流密碼體制，其加密變換可表示為yi=zixi。見圖2.3說(shuō)明。2.1.1同步流密碼——常用的流密碼體制圖2.3加法流密碼體制模型圖2.3加法流密碼體制模型一次一密密碼是加法流密碼的原型。事

5、實(shí)上，如果（即密鑰用作滾動(dòng)密鑰流），則加法流密碼就退化成一次一密密碼。實(shí)際使用中，密碼設(shè)計(jì)者的最大愿望是設(shè)計(jì)出一個(gè)滾動(dòng)密鑰生成器，使得密鑰經(jīng)其擴(kuò)展成的密鑰流序列具有如下性質(zhì)：極大的周期、良好的統(tǒng)計(jì)特性、抗線性分析、抗統(tǒng)計(jì)分析。加法流密碼的設(shè)計(jì)目標(biāo)：有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)是具有離散輸入和輸出（輸入集和輸出集均有限）的一種數(shù)學(xué)模型，由以下3部分組成：①有限狀態(tài)集S={si

6、i=1,2,…,l}。②有限輸入字符集A1={A(1)j

7、j=1,2,…,m}和有限輸出字符集A2={A(2)k

8、k=1,2,…,n}。③轉(zhuǎn)移函數(shù)

9、A(2)k=f1(si,A(1)j)，sh=f2(si,A(1)j)即在狀態(tài)為si，輸入為A(1)j時(shí)，輸出為A(2)k，而狀態(tài)轉(zhuǎn)移為sh。2.1.2有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)例2.1S={s1,s2,s3}，A1={A(1)1,A(1)2,A(1)3}，A2={A(2)1,A(2)2,A(2)3}，轉(zhuǎn)移函數(shù)由表2.1給出。（見12頁(yè)表2.1）有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)可用有向圖表示，稱為轉(zhuǎn)移圖。轉(zhuǎn)移圖的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)于自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)，若狀態(tài)si在輸入A(1)i時(shí)轉(zhuǎn)為狀態(tài)sj，且輸出一字符A(2)j，則在轉(zhuǎn)移圖中，從狀態(tài)si到狀態(tài)sj有

10、一條標(biāo)有(A(1)i,A(2)j)的弧線，見圖2.4。圖2.4有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)移圖圖2.4有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)移圖例2.1中，若輸入序列為A(1)1A(1)2A(1)1A(1)3A(1)3A(1)1，初始狀態(tài)為s1，則得到狀態(tài)序列s1s2s2s3s2s1s2輸出字符序列A(2)1A(2)1A(2)2A(2)1A(2)3A(2)1有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的狀態(tài)求解例題：同步流密碼的關(guān)鍵是密鑰流產(chǎn)生器。一般可將其看成一個(gè)參數(shù)為k的有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)，由一個(gè)輸出符號(hào)集Z、一個(gè)狀態(tài)集∑、兩個(gè)函數(shù)φ和ψ以及一個(gè)初始狀態(tài)σ0組成（

11、如圖2.5）。狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)φ:σi→σi+1，將當(dāng)前狀態(tài)σi變?yōu)橐粋€(gè)新狀態(tài)σi+1，輸出函數(shù)ψ:σi→zi，當(dāng)前狀態(tài)σi變?yōu)檩敵龇?hào)集中的一個(gè)元素zi。這種密鑰流生成器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于找出適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)φ和輸出函數(shù)ψ，使得輸出序列z滿足密鑰流序列z應(yīng)滿足的幾個(gè)條件，并且要求在設(shè)備上是節(jié)省的和容易實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須采用非線性函數(shù)。2.1.3密鑰流產(chǎn)生器圖2.5作為有限狀態(tài)自動(dòng)機(jī)的密鑰流生成器圖2.5作為有限狀態(tài)自動(dòng)