ch3 信息加密与PKI44337#

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传统密码体制所用的加密密钥和解密密钥相 同，或实质上等同，从一个可以推出另外一个， 我们称其为单钥或对称密码体制（One-Key or Symmetric Cryptosystem）。若加密密钥和解 密密钥不相同，从一个难以推出另一个，则称为 双钥或非对称密码体制（Two-Key or Asymmetric Cryptosystem），这是1976年由 Diffie和Hellman等学者所开创的新密码体制。
实际应用时多采用双钥和单钥密码相结合的 混合加密体制，即加解密时采用单钥密码，密钥 传送则采用双钥密码。这样既解决了密钥管理的 困难，又解决了加解密速度的问题。
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前面已述及保密系统以及密码体制的基本知 识，我们将在本章随后讨论各种密码体制涉及的 常用加密算法及其应用问题。
加密算法就其发展而言，共经历了古典密码、 对称密钥密码（单钥密码体制）、公开密钥密码 （双钥密码体制）三个发展阶段。
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X1
X2
Z (1) 1
Z (1) 2
Z (1) 5
X3 Z (1)
3
X4 Z (1)
4

Z (1) 6
Z (9) 1
Z (9) 2
Z (9) 3
Z (9) 4
表示16bit的整数做 mod 216 的加法运算
表示16bit子块间诸位做异或运算
表示16bit的整数做 mod(216 1) 的乘法运算
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3.1.3 单钥加密算法
单钥密钥体制的加密密钥与解密密钥相同或 等价，其加密模式主要有序列密码（也称流密码） 和分组密码两种方式。
流密码（Stream Cipher）是将明文划分成 字符（如单个字母），或其编码的基本单元（如 0、1数字），字符分别与密钥流作用进行加密， 解密时以同步产生的同样的密钥流解密。根据密 钥流是否依赖于明文流，可将流密码分为同步流 密码和自同步流密码，目前，同步流密码较为多 见。在流密码研究方面，我国处于国际领返先回本地章位首页。
第3章信息加密与PKI 内容提要： 信息加密与PKI概述 加密技术原理
信息加密与PKI概述
加密技术是保障信息安全的基石，它以 很小的代价，对信息提供一种强有力的安全 保护。近年来密码学得到了前所未有的重视 并迅速普及，同时其应用领域也广为拓展， 不仅服务于信息的加密和解密，还是身份认 证、访问控制、数字签名等多种安全机制的 基础。理论上，信息加密技术是利用密码学 的原理与方法对传输数据提供保护的手段， 它以数学计算为基础，信息论和复杂性理论
分组密码（Block Cipher）是将明文
消息编码表示后的数字序列
x1,x2,…,xi,…，划分为长为m的组
χ =(x0,x1,…,xm-1) ，各组（长为m的矢
量）分别在密钥k=(k0,k1,…,kl-1)控制下
变换成等长的输出数字序列
y=(y0,y密1钥,k… (k,0,yn-1) k1, , kl1) （长密钥为kn 的矢量）， (k0,k1, , kl1) 其
是多表代替密码的例子。
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4．多字母或多码代替 不同于前面介绍的代替密码都是每次加密一 个明文字母，多字母代替密码将明文字符划分为 长度相同的消息单元，称为明文组，对字符块成 组进行代替，这样一来使密码分析更加困难。 多字母代替的优点是容易将字母的自然频度 隐蔽或均匀化，从而有利于抗击统计分析。 Playfair密码、Hill密码都是这一类型的密码。
和相应消息的情况下，要确定加密密钥或系统地
伪装合法密文在计算上也是不可行的。（4）必要
时可由第三者作出仲裁。
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3.1.1 常用加密体制及算法
密码体制从原理上可分为两大类，即单钥体 制（One-Key System）和双钥体制（Two-Key System）。
单钥体制不仅可用于数据加密，也可用于消 息的认证，因其加密密钥和解密密钥相同，故也 称私钥密码体制，最有影响的单钥密码是1977年 美国国家标准局颁布的DES算法。单钥系统对数 据进行加解密的过程如图3-2所示，其中系统的 保密性主要取决于密钥的安全性。
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为了保护信息的机密性，抗击密码分析行为，保 密系统需满足下列要求：
（1）系统即使在理论上不是可靠的，也应当是实 际上不可攻破的。也就是说，从截取的密文或某些已知 明文密文对，要决定密钥或任意明文在计算上是不可实 现的。（2）系统的保密性不依赖于对加密体制或算法 的保密，而依赖于密钥。这就是著名的Kerckhoff原则。 （3）加密和解密算法适用于所有密钥空间中的元素。 （4）系统便于实现和使用方便。
单钥密码体制的优点是安全性高且加解密速度快， 其缺点是进行保密通信之前，双方必须通过安全信道传 送所用密钥，这对于相距较远的用户可能要付出较大的 代价，甚至难以实现。
对于单钥体制存在的问题，采用双钥体制则可以完 全克服，特别是多用户通信网，双钥体制可以明显减少 多用户之间所需的密钥量，从而便于密钥管理。
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认证理论和技术是近20年来随着计算机通信 的普遍应用而迅速发展起来的，它已成为密码学 研究的重要领域。
一般地，安全的认证系统应满足下列条件：
（1）意定的接收者能够检验和证实消息的合
法性和真实性。（2）消息的发送者对所发送的消
息不能抵赖。（3）除了合法消息发送者外，其他
人无法伪造出合法的消息。即使在已知合法密文
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3.1 加密技术原理
相关的基本概念
加密技术的基本思想就是伪装信息，使非法 接入者无法理解信息的真正含义。称伪装前的原 始信息为明文（Plaintext），经伪装的信息为 密文（Ciphertext），伪装的过程为加密 （Encryption）。加密在加密密钥（Key）的控 制下进行，用于对信息进行加密的一组数学变换 称为加密算法（Encryption Algorithm）。与 加密相逆的变换操作就是解密（Decryption）。
的加密或认证，密码分析技术主要解决破译密码
或伪造认证码问题，从而窃取保密信息或进行破
坏活动。
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PKI是一个用公钥密码算法原理和技术 来提供安全服务的通用性基础平台，用户 可利用PKI平台提供的安全服务进行安全通 信。PKI采用标准的密钥管理规则，能够为 所有应用透明地提供采用加密和数字签名 等密码服务所需要的密钥和证书管理。
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3.1.2 古典密码算法
密码体制从原理上可分为两大类，即单钥体 制（One-Key System）和双钥体制（Two-Key System）。
单钥体制不仅可用于数据加密，也可用于消 息的认证，因其加密密钥和解密密钥相同，故也 称私钥密码体制，最有影响的单钥密码是1977年 美国国家标准局颁布的DES算法。单钥系统对数 据进行加解密的过程如图3-2所示，其中系统的 保密性主要取决于密钥的安全性。
加密函数E：Vn×K→Vn，Vn是n维矢量空间， x 明文 (x0, x1, , xm1)
y 密文 ( y0 , y1, , yn1)
x 明文 (x0 , x1, , xm1)
K为密钥空间加密，算法如图3-4所示。解密算法
图3-4 分组密码原理框图
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围绕单钥密钥体制，密码学工作者已经开发 了众多行之有效的单钥加密算法，并且对基于这 些算法的软硬件实现进行了大量的工作。下面我 们将介绍其中的典型代表算法DES和IDEA。
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1. 1．数据加密标准DES
2. DES即数据加密标准（Data Encryption Standard），它于1977年由美国国家标准局公布， 是IBM公司研制的一种对二元数据进行加密的分 组密码，数据分组长度为64bit（8byte），密文 分组长度也是64bit，没有数据扩展。密钥长度 为64bit，其中有效密钥长度56bit，其余8bit为 奇偶校验。DES的整个体制是公开的，系统的安 全性主要依赖密钥的保密，其算法主要由初始置 换IP、16轮迭代的乘积变换、逆初始置换 以及 16个子密钥产生器构成，见图3-5所示。
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明文
加密器
Ek k
密钥产生器
密文
解密器
Dk
Байду номын сангаас
k
密钥信道
图3-2 单钥密钥体制
解密后明文
如何将密钥安全可靠地分配给通信对方，包 括密钥产生、分配、存储、销毁等多方面的问题 统称为密钥管理（Key Management），这是影响 系统安全的关键因素。
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古典密码作为密码学的渊源，其多种方法充分体现 了单钥加密的思想，典型方法如代码加密、代替加密、 变位加密、一次性密码薄加密等。
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输入
64bit明文数据
初始置换IP
标
准
乘积变换
数
（在密钥控制
据
下16次迭代）
加
密
算
逆初始置换IP-1
法
64bit密文数据
图3-5 DES算法框图
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2．国际数据加密算法IDEA
IDEA是International Data Encryption Algorithm的缩写，即国际数据加密算法。它是 根据中国学者朱学嘉博士与著名密码学家James Massey于1990年联合提出的建议标准算法PES （Proposed Encryption Standard）改进而来 的。它的明文与密文块都是64bit，密钥长度为 128bit，作为单钥体制的密码，其加密与解密过 程雷同，只是密钥存在差异，IDEA无论是采用软 件还是硬件实现都比较容易，而且加解密的速度 很快。IDEA算法的加密过程如图3-10所示。
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古典密码大都比较简单，可用手工或机械操 作实现加解密，虽然现在很少采用，但研究这些 密码算法的原理，对于理解、构造和分析现代密 码是十分有益的。古典密码算法主要有代码加密、 代替加密、变位加密、一次性密码薄加密等几种 算法。