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1、第三章第三章 密码学基础密码学基础版权所有，盗版必纠密码学基础密码学基础 “天王盖地虎，宝塔镇河妖”大家一定在电影里看过对暗号的场面。其实，这种暗号是一种最朴素的密码。只不过这种密码过于简单，经不起密码学家的分析，非常容易破译。将密码当成一种科学来研究，就产生了密码学。密码学源于希腊语krypts，意为隐藏的和 grphein意为 书写，传统意义上来说，是研究如何把信息转换成一种隐蔽的方式并阻止其他人得到它。密码学是信息安全的基础和核心，是防范各种安全威胁的最重要的手段。版权所有，盗版必纠密码学基本概念明文：需要秘密传送的消息。密文：明文经过密码变换后的消息。加密：由明文到密文的变换。解密：从
2、密文恢复出明文的过程。破译：非法接收者试图从密文分析出明文的过程。加密算法：对明文进行加密时采用的一组规则。解密算法：对密文进行解密时采用的一组规则。密钥：加密和解密时使用的一组秘密信息。版权所有，盗版必纠3.1.1密码学的历史密码学有悠久且多姿多彩的历史。最早的秘密书写只需纸笔，现在称为经典密码学(ClassicalCryptography)。其两大类别分别为：(1).置换加密法，将字母的顺序重新排列。(2).替换加密法，将一组字母换成其他字母或符号。版权所有，盗版必纠3.1.1密码学的历史Enigma密码机经典密码学现在仍未消失，常被用于考古学上，还经常出现在智力游戏之中。在20世纪早期,
3、包括转轮机的一些机械设备被发明出来用于加密,其中最著名的是用于第二次世界大战的密码机“迷”(Enigma)版权所有，盗版必纠3.1.1密码学的历史Enigma密码机经典密码学现在仍未消失，常被用于考古学上，还经常出现在智力游戏之中。在20世纪早期,包括转轮机的一些机械设备被发明出来用于加密,其中最著名的是用于第二次世界大战的密码机“迷”(Enigma)版权所有，盗版必纠3.1.2密码学的发展密码学的发展划分为3个阶段：1.第一阶段为古代到第一阶段为古代到1949年。年。这一时期可以看作是科学密码学的前夜时期，这阶段的密码技术可以说是一种艺术，而不是一种科学，密码学专家常常是凭知觉和信念来进行密
4、码设计和分析，而不是推理和证明。这个时期发明的密码算法在现代计算机技术条件下都是不安全的。但是，其中的一些算法思想，比如代换、置换，是分组密码算法的基本运算模式。版权所有，盗版必纠3.1.2密码学的发展2.第二阶段为1949年到1975年。1949年香农发表的为私钥密码系统建立了理论基础，从此密码学成为一门科学，但密码学直到今天仍具有艺术性，是具有艺术性的一门科学。这段时期密码学理论的研究工作进展不大，公开的密码学文献很少。版权所有，盗版必纠3.1.2密码学的发展3.第3阶段为1976年至今。1976年Diffie和Hellman发表的文章“密码学的新动向”一文导致了密码学上的一场革命。他们首
5、先证明了在发送端和接收端无密钥传输的保密通信是可能的，从而开创了公钥密码学的新纪元。从此，密码开始充分发挥它的商用价值和社会价值，普通人才能够接触到前沿的密码学。版权所有，盗版必纠3.1.33.1.3密码学的基本概念密码学的基本概念版权所有，盗版必纠3.1.33.1.3密码学的基本概念密码学的基本概念密码员：对明文进行加密操作的人员称作密码员或加密员（Cryptographer）。加密算法：密码员对明文进行加密时采用的一组规则称为加密算法(EncryptionAlgorithm)。接收者：传送消息的预定对象称为接收者(Receiver)。解密算法：接收者对密文进行解密时采用的一组规则称作解密算
6、法(dncryptionalgorithm)。加密密钥和解密密钥：加密算法和解密算法的操作通常是在一组密钥（Key）的控制下进行的，分别称为加密密钥(EncryptionKey)和解密密钥(Decryptionkey)。版权所有，盗版必纠3.1.33.1.3密码学的基本概念密码学的基本概念截收者：在消息传输和处理系统中，除了预定的接收者外，还有非授权者，他们通过各种办法，如搭线窃听、电磁窃听、声音窃听等来窃取机密信息，称其为截收者(Eavesdropper)。密码分析：虽然不知道系统所用的密钥，但通过分析可能从截获的密文推断出原来的明文，这一过程称为密码分析(Cryptanalysis)。密码
7、分析者:从事密码分析工作的人称作密码分析员或密码分析者(Cryptanalyst)。Kerckholf假设：通常假定密码分析者或敌手（Opponent）知道所使用的密码系统，这个假设称为Kerckholf假设。版权所有，盗版必纠密码体制的分类密码体制的分类密码体制的分类密码体制的分类 根据密钥的特点将密码体制分为对称密码体制(SymmetricCryptosystem)和非对称密码体制(AsymmetricCryptosystem）两种。对称密码体制又称单钥(One-key)或私钥（PrivateKey）或传统(Classical)密码体制。非对称密码体制又称双钥(Two-Key)或公钥(Pu
8、blicKey)密码体制。版权所有，盗版必纠密码体制的分类密码体制的分类密码体制的分类密码体制的分类 那么，什么样的密码体制是安全的呢？有一种理想的加密方案，叫做一次一密密码（One-TimePad），它是由MajorJosephMauborgne和AT&T公司的GilbertVernam在1917年发明的。一次一密的密码本是一个大的不重复的真随机密钥字母集，这个密钥字母集被写在几张纸上，并一起粘成一个密码本。版权所有，盗版必纠3.1.53.1.5对密码攻击的分类对密码攻击的分类根据密码分析者破译时已具备的前提条件，通常人们将攻击类型分为4种。1.唯密文攻击(Ciphertext-onlyAt
9、tack)：密码分析者有一个或更多的用同一密钥加密的密文，通过对这些截获的密文进行分析得出明文或密钥。2.已知明文攻击(KnownPlaintextAttack)：除待解的密文外，密码分析者有一些明文和用同一个密钥加密这些明文所对应的密文。3.选择明文攻击(ChosenPlaintextAttack)：密码分析者可以得到所需要的任何明文所对应的密文，这些明文与待解的密文是用同一密钥加密得来的。4.选择密文攻击(ChosenCiphertextAttack)：密码分析者可得到所需要的任何密文所对应的明文（这些明文可能是不大明了的），解密这些密文所使用的密钥与解密待解的密文的密钥是一样的。版权所有
10、，盗版必纠3.1.63.1.6密码学与信息安全的关系密码学与信息安全的关系密码技术是保护信息安全的主要手段之一。密码学通常用来保证安全的通信。希望通过安全通信来获得以下4个特性:(1)保密性：只有应该收到的接收者能够解密码，其他人拿到文件也无法获得里面的信息。(2)完整性:接收者可以确定信息在传送的过程中有无更改。(3)认证性:接收者可以认出发送者，也可以证明声称的发送者确实是真正的发送者。(4)不可抵赖性：发送者无法抵赖曾经送出这个信息。版权所有，盗版必纠3.23.2古典密码学古典密码学3.2.13.2.1密码通信模型密码通信模型w版权所有，盗版必纠3.2.23.2.2代替密码代替密码代替密
11、码（SubstitutionCipher)又叫替换密码，就是明文中的每一个字符被替换成密文中的另一个字符。接收者对密文做反向替换就可以恢复出明文。典型的代替密码是凯撒密码。凯撒密码是一个古老的加密方法，当年凯撒大帝行军打仗时用这种方法进行通信，因此得名。它的原理很简单，其实就是单字母的替换。让看一个简单的例子：“ThisisCaesarCode”。用凯撒密码加密后字符串变为“vjkukuEcguctEqfg”。看起来似乎加密得很“安全”。可是只要把这段很难懂的东西每一个字母换为字母表中前移2位的字母，结果就出来了。版权所有，盗版必纠3.2.23.2.2代替密码代替密码图3.5字母的频度表版权所
12、有，盗版必纠3.2.33.2.3置换密码置换密码置换密码(PermutationCipher)又称换位密码（TranspositionCipher)即明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。在这种密码中最简单的是栅栏技术，在该密码中以对角线顺序写下明文，并以行的顺序读出。例如，为了用深度2的栅栏密码加密明文消息“meetmeafterthetogaparty”，写出如下形式：MematrhtgpryEtefeteoaat被加密后的消息是：MEMATRHTGPRYETEFETEOAAT。版权所有，盗版必纠3.33.3对称密码学对称密码学所谓对称算法就是指加密和解密过程均采用同一把密钥。如DES、3D
13、ES、AES等算法都属于对称算法。图3.6所示为对称密码算法的原理图。对称算法所采用的基本技术大都是替换、置换和移位。比较典型的是DES、3DES、AES等算法。下面对有代表性的算法DES和3DES加以介绍。版权所有，盗版必纠3.33.3对称密码学对称密码学对称密码算法版权所有，盗版必纠3.3.1DES3.3.1DES加密算法加密算法DES加密算法（DataEncryptionStandard，数据加密标准）是美国经长时间征集和筛选后，于1977年由美国国家标准局颁布的一种加密算法。它主要用于民用敏感信息的加密，后来被国际标准化组织接收作为国际标准。DES主要采用替换和移位的方法加密。它用56
14、位密钥对64位二进制数据块进行加密，每次加密可对64位的输入数据进行16轮编码，经一系列替换和移位后，输入的64位原始数据转换成完全不同的64位输出数据。版权所有，盗版必纠3.3.1DES3.3.1DES加密算法加密算法DES算法仅使用最大为64位的标准算术和逻辑运算，运算速度快，密钥生产容易，适合于在当前大多数计算机上用软件方法实现，也适合于在专用芯片上实现。图3.7所示为DES算法的流程图。版权所有，盗版必纠3.3.1DES3.3.1DES加密算法加密算法DES加密算法版权所有，盗版必纠3.3.23DES3.3.23DES算法算法DES算法的弱点是不能提供足够的安全性，因为其密钥容量只有5
15、6位。由于这个原因，后来又提出了三重DES即3DES算法，使用3个不同的密钥对数据块进行（2次或）3次加密，该方法比进行3次普通加密快。其强度大约和112比特的密钥强度相当。这种方法用两个密钥对明文进行3次运算。设两个密钥是K1和K2，其算法的步骤如图3.8所示。版权所有，盗版必纠3.3.23DES3.3.23DES算法算法3DES算法版权所有，盗版必纠3.43.4非对称密码学非对称密码学所谓非对称算法就是指加密和解密用的不是同一个密钥。非对称算法的密钥分为二部分，通常称为“公钥”和“私钥”（或者称为“公开密钥”和“秘密密钥”）。公钥和私钥存在数学上的关系，使得用公钥加密的数据只能用对应的私钥
16、解密，用私钥加密的数据只能用对应的公钥解密。但是从公钥中推导出私钥是很难的（理论上是可以推导出来的，但是实际上找不到这么强的计算能力）。RSA、DSA、ECC(椭圆曲线加密算法)等算法属于非对称算法。图3.9为对称加密算法示意图。版权所有，盗版必纠3.43.4非对称密码学非对称密码学所谓非对称算法版权所有，盗版必纠3.43.4非对称密码学非对称密码学下面以RSA算法为例，介绍非对称加密算法。RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，也易于理解和操作。RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从1978年提出到现在已近30年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之
17、一。通常认为破译RSA的难度与大数分解难度相当。RSA特别适用于通过因特网传送的数据。这种算法以它的3位发明者的名字命名：RonRivest、AdiShamir和LeonardAdleman。RSA算法的安全性基于分解大数字时的困难（就计算机处理能力和处理时间而言）。在常用的公钥算法中，RSA与众不同，它能够进行数字签名和密钥交换运算。版权所有，盗版必纠3.43.4非对称密码学非对称密码学RSA算法既能用于数据加密，也能用于数字签名，RSA的理论依据为：寻找两个大素数比较简单，而将它们的乘积分解开则异常困难。在RSA算法中，包含加密密钥和解密密钥两个密钥，加密密钥是公开的。RSA算法的优点是密
18、钥空间大，缺点是加密速度慢，如果RSA和DES结合使用，则可弥补这个缺点。即将DES用于明文加密，RSA用于DES密钥的加密。由于DES加密速度快，适合加密较长的报文，而RSA可解决DES密钥分配的问题。RSA算法的原理如下。版权所有，盗版必纠3.43.4非对称密码学非对称密码学1、密钥对的产生、密钥对的产生选择两个大素数p和q，计算：n=pq。然后随机选择加密密钥e，要求e和(p-1)(q-1)互质。最后，利用Euclid算法计算解密密钥d，使其满足:ed=1(mod(p-1)(q-1)其中n和d要互质。数e和n是公钥，d是私钥。两个素数p和q不再需要，应该丢弃，不要让任何人知道。2、加密、
19、加密加密信息m（二进制表示）时，首先把m分成等长数据块m1,m2,.,mi，块长s，其中2s=n,s尽可能大。加密的公式是：ci=mie(modn)3、解密、解密解密时作如下计算：mi=cid(modn)版权所有，盗版必纠1、选择两个素数p=7,q=172、计算机n=pXq=7X17=1193、计算(n)=(p-1)(q-1)=964、选择一个e,它小于(n)且与(n)=96互素。这里e=55、求出d,使得de=1mod96,既5d=1mod96,且d96此处的取值是d=77,因为77*5=385=4*96+16、得到的密钥为：公钥KU=5，119，密钥KR=77，119二对明文的加密与解密1
20、、发送方输入明文M=192、在使用公钥KU=15，119加密时，求19的5次方得2476099版权所有，盗版必纠3、将19的5次方除以119后，计算得到的余数为66，既195 66 mod 119,密文为664、发送密文665、接收方使用密钥KR=77，119解密时，明文由 6677 19 mod 119 所确定。接收方解密后得到发送方明文M=19。版权所有，盗版必纠3.5Hash3.5Hash算法算法Hash算法，也称为单向散列函数、杂凑函数、哈希算法、散列算法或消息摘要算法。它通过把一个单向数学函数应用于数据，将任意长度的一块数据转换为一个定长的、不可逆转的数据。这段数据通常叫做消息摘要（
21、比如，对一个几兆字节的文件应用散列算法，得到一个128位的消息摘要）。消息摘要代表了原始数据的特征，当原始数据发生改变时，重新生成的消息摘要也会随之变化，即使原始数据的变化非常小，也可以引起消息摘要的很大变化。因此，消息摘要算法可以敏感地检测到数据是否被篡改。消息摘要算法再结合其他的算法就可以用来保护数据的完整性。Hash算法处理流程如图3.10所示。版权所有，盗版必纠3.5Hash3.5Hash算法算法Hash算法版权所有，盗版必纠3.5Hash3.5Hash算法算法好的单向散列函数必须具有以下特性。1.1.计算的单向性计算的单向性给定M和H，求hH(M)容易，但反过来给定h和H，求MH-1
22、(h)在计算上是不可行的。2.2.弱碰撞自由弱碰撞自由给定M，要寻找另一信息 M，满足 H(M)H(M)在计算上不可行。3.3.强碰撞自由强碰撞自由要寻找不同的信息M 和M，满足 H(M)H(M)在计算上不可行。版权所有，盗版必纠3.5Hash3.5Hash算法算法单向散列函数的使用方法为：用散列函数对数据生成散列值并保存，以后每次使用时都对数据使用相同的散列函数进行散列，如果得到的值与保存的散列值相等，则认为数据未被修改(数据完整性验证)或两次所散列的原始数据相同(口令验证)。典型的散列函数有：MD4、MD5、SHA-1、HMAC、GOST等。单向散列函数主要用在一些只需加密不需解密的场合：
23、如验证数据的完整性、口令表的加密、数字签名、身份认证等。表3.1列出了MD4、MD5、SHA算法在一些属性上的比较。版权所有，盗版必纠3.5Hash3.5Hash算法算法1.MD5算法简介算法简介MD5即Message-DigestAlgorithm5（信息-摘要算法5），是一种用于产生数字签名的单项散列算法，在1991年由MIT计算机科学实验室（MITLaboratoryforComputerScience）和RSA数据安全公司（RSADataSecurityInc）的RonaldL.Rivest教授开发出来，经由MD2、MD3和MD4发展而来。版权所有，盗版必纠3.5Hash3.5Hash
24、算法算法2004年，山东大学王小云教授攻破了MD5算法，引起密码学界的轩然大波。MD5在90年代初由MITLaboratoryforComputerScience和RSADataSecurityInc的RonaldL.Rivest开发出来，经MD2、MD3和MD4发展而来。2004年8月17日的美国加州圣巴巴拉召开的国际密码学会议（Crypto2004）安排了3场关于杂凑函数的特别报告。在国际著名密码学家EliBiham和AntoineJoux相继做了对SHA-1的分析与给出SHA-0的一个碰撞之后，来自山东大学的王小云教授做了破译MD5、HAVAL-128、MD4和RIPEMD算法的报告。王
25、小云教授的报告轰动了全场，得到了与会专家的赞叹。不久，密码学家Lenstra利用王小云提供的MD5碰撞，伪造了符合X.509标准的数字证书，这就说明了MD5的破译已经不仅仅是理论破译结果，而是可以导致实际的攻击，MD5的撤出迫在眉睫。版权所有，盗版必纠3.63.6密码学的新方向密码学的新方向3.6.13.6.1密码专用芯片集成密码专用芯片集成密码技术是信息安全的核心技术，无处不在，目前已经渗透到大部分安全产品之中，正向芯片化方向发展。在芯片设计制造方面，目前微电子水平已经发展到0.1um工艺以下，芯片设计的水平很高。我国在密码专用芯片领域的研究起步落后于国外，近年来我国集成电路产业技术的创新和
26、自我开发能力得到了提高，微电子工业得到了发展，从而推动了密码专用芯片的发展。加快密码专用芯片的研制将会推动我国信息安全系统的完善。版权所有，盗版必纠3.6.2 3.6.2 量子密码技术量子密码技术量子密码技术量子密码技术 量子技术在密码学上的应用分为两类：一是利用量子计算机对传统密码体制的分析；二是利用单光子的测不准原理在光纤级实现密钥管理和信息加密，即量子密码学。量子计算机是一种传统意义上的超大规模并行计算系统，利用量子计算机可以在几秒钟内分解RSA129的公钥。版权所有，盗版必纠3.6.3DNA3.6.3DNA密码技术密码技术近年来，人们在研究生物遗传的同时，也发现DNA可以用于遗传学以外
27、的其他领域，如信息科学领域。1994年，Adleman等科学家进行了世界上首次DNA计算，解决了一个7节点有向汉密尔顿回路问题。此后，有关DNA计算的研究不断深入，获得的计算能力也不断增强。2002年，Adleman用DNA计算机解决了一个有20个变量、24个子句、100万种可能的3-STA问题，这是一个NP完全问题。研究DNA计算的科学家发现，DNA具有超大规模并行性、超高容量的存储密度以及超低的能量消耗，非常适用于信息领域。利用DNA，人们有可能生产出新型的超级计算机，它们具有前所未有的超大规模并行计算能力，其并行性远超过现有的电子计算机。这将会给人们带来惊人的计算能力，引发一场新的信息革
28、命。DNA计算的先驱Adleman这样评价DNA计算，“几千年来，人们一直使用各种设备提高自己的计算能力。但是只有在电子计算机出现以后，人们的计算能力才有了质的飞跃。现在，分子设备的使用使得人类的计算能力能够获得第二次飞跃”。版权所有，盗版必纠3.6.3DNA3.6.3DNA密码技术密码技术在现在密码系统中，密钥是随机独立选取的，而超大规模并行计算机非常适用于对密钥穷举搜索。DanBoneh等人用DNA计算机破译了DES，并且声称任何小于64位的密钥都可以用这种方法破译。Salomaa也宣称现有的很多数学困难问题可以通过DNA计算机进行穷举搜索得到结果，而期中很多困难问题都是现代密码系统的安全依据。人们不禁要问，密码学的大厦将会因为DNA计算的出现而倾覆吗？随着DNA计算的发展，有科学家开始把DNA用于密码学领域。Reif等人提出用DNA实现一次一密的密码系统，Celland等人提出用DNA隐藏消息。版权所有，盗版必纠总结这里主要给大家讲述了密码学基础。欢迎大家提问？版权所有，盗版必纠返回Thanks For Attendance!Thanks For Attendance!版权所有，盗版必纠