9、块密码：原理、实现与应用

块密码：原理、实现与应用

1. 块密码基础与攻击防护

在块密码领域，有一种潜在的攻击方式叫滑动攻击，其原理如图所示。使用轮密钥的一个潜在好处是能抵御侧信道攻击，即利用密码实现过程中泄露信息（如电磁辐射）的攻击。若从主密钥 (K) 到轮密钥 (K_i) 的转换不可逆，攻击者即便获取了 (K_i) 也无法据此找到 (K)。可惜的是，只有少数块密码具备单向密钥调度功能，例如 AES 的密钥调度算法允许攻击者从任意轮密钥 (K_i) 计算出主密钥 (K)。

2. 替换 - 置换网络

在密码学中，混淆和扩散是两个重要概念。混淆指输入（明文和加密密钥）经过复杂变换，扩散则意味着这些变换同等依赖输入的所有比特。在块密码设计中，混淆和扩散体现为替换和置换操作，它们组合在替换 - 置换网络（SPN）中。

2.1 替换操作

替换常以 S 盒（替换盒）的形式出现，S 盒是小型查找表，用于转换 4 位或 8 位数据块。例如，块密码 Serpent 的八个 S 盒中的第一个由 16 个元素 ((3 8 f 1 a 6 5 b e d 4 2 7 0 9 c)) 组成，每个元素代表一个 4 位半字节。这个 S 盒将 4 位半字节 0000 映射到 3（0011），0101（十进制的 5）映射到 6（0110）等。

需要注意的是，S 盒必须精心选择以确保密码学强度，应尽可能非线性（输入和输出通过复杂方程关联）且无统计偏差（例如，翻转输入位可能影响任意输出位）。

2.2 置换操作

置换操作在替换 - 置换网络中可以简单到只是改变比特顺序，但这种方式对比特的混合效果不佳。一些密码使用基本线性代数和矩阵乘