密码学的基本概念和理论基础
精品课件- 密码技术应用
二、对称密码体制
1、概念：也称共享密钥，对称密码算法是指加密密钥为同一密钥 或虽然不相同，但是由其中任意一个可以很容易推导出另一个的 密码算法。
2、对称密码技术原理 通过同一密钥，得出对称的加密和解密算法，进行加密和解密操 作。
二、对称密码体制
3、DES加密算法 （1）入口参数：
Key占8个字节，有效密钥长度为56位，8位用于奇偶校验； Data占8个字节，内容为要被加密或解密的数据； Mode为DES的工作方式，加密或解密。
二、数字签名原理
1、发送方签名过程 将原文进行哈希运算生成定长的消息摘要—>利用私钥加密信息 摘要得到数字签名—>将原文和数字签名一起发送给接收方
2、接收方验证过程 将消息中的原文和数字签名分离—>使用公钥解密数字签名得到 摘要—>使用相同的哈希函数计算原文的信息摘要—>比较解密后 获得的摘要和重新计算生成的摘要是否相等。
一、数字签名的含义
2、数字签名 含义：是电子签名的一种方式，只有信息的发送者才能产生，其 他人无法伪造的一段数字串，是对发送信息的真实性的证明。是 使用哈希函数生成消息摘要后使用公钥加密系统对其进行加密形 成的电子签名。
二、数字签名的作用与用途
1、数字签名的作用 （1）信息传输的保密性 （2）交易者身份的可鉴别性 （3）数据交换的完整性 （4）发送信息的不可否认性 （5）信息传递的不可重放性
二、对称密码体制
（2）工作原理： 将明文的64位数据块按位重新组合，进行前后置换操作，后经过 迭代运算生成新的64位数据块，进行与初始置换相反的逆置换， 最终得到密文输出。
二、对称密码体制
4、对称密码的优缺点 优点：安全性较高，加密解密速度快 缺点：
密码学的理论基础
码学和密码分析学的统称。
使消息保密的技术和科学叫做密码编码学（cryptography) 破译密文的科学和技术就是密码分析学（cryptanalysis） – 明文：是作为加密输入的原始信息，即消息的原始形 式，通常用m或p表示。所有可能明文的有限集称为明 文空间，通常用M或P来表示。
– 在第一次世界大战期间，敌对双方都使用加密系统（Cipher System），主要用于战术通信，一些复杂的加密系统被用于高级 通信中，直到战争结束。而密码本系统（Code System）主要用于 高级命令和外交通信中。 – 到了20世纪20年代，随着机械和机电技术的成熟，以及电报和无 线电需求的出现，引起了密码设备方面的一场革命——发明了转 轮密码机（简称转轮机，Rotor），转轮机的出现是密码学发展的 重要标志之一。美国人Edward Hebern认识到：通过硬件卷绕实 现从转轮机的一边到另一边的单字母代替，然后将多个这样的转 轮机连接起来，就可以实现几乎任何复杂度的多个字母代替。转 轮机由一个键盘和一系列转轮组成，每个转轮是26个字母的任意 组合。转轮被齿轮连接起来，这样就能实现当一个齿轮转动
• 近代密码（计算机阶段）
– 密码形成一门新的学科是在20世纪70年代，这是受计算机科学蓬 勃发展刺激和推动的结果。快速电子计算机和现代数学方法一方 面为加密技术提供了新的概念和工具，另一方面也给破译者提供 了有力武器。计算机和电子学时代的到来给密码设计者带来了前 所未有的自由，他们可以轻易地摆脱原先用铅笔和纸进行手工设 计时易犯的错误，也不用再面对用电子机械方式实现的密码机的 高额费用。总之，利用电子计算机可以设计出更为复杂的密码系
.
– 密文：是明文经加密变换后的结果，即消息被加密处 理后的形式，通常用c表示。所有可能密文的有限集称 为密文空间，通常用C来表示。 – 密钥：是参与密码变换的参数，通常用k表示。一切可 能的密钥构成的有限集称为密钥空间，通常用K表示。 – 加密算法：是将明文变换为密文的变换函数，相应的 变换过程称为加密，即编码的过程（通常用E表示，即 c=Ek(p)）。 – 解密算法：是将密文恢复为明文的变换函数，相应的 变换过程称为解密，即解码的过程（通常用D表示，即 p=Dk(c)）。
第二章密码学概论
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第二章 密码学概论
2.2 经典密码体制
1、移位密码 ： 下面是用移位法加密的一个英文句子，请大家破解： TIF JT B TUVEFOU
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第二章 密码学概论
2.2 经典密码体制
2、替换密码 ：
对字母进行无规则替换，密钥空间K由26个符号0,1,…25的所有 可能置换构成。每一个置换π都是一个密钥
第二章 密码学概论
上述密码是对所有的明文字母都用一个固定的代换进行 加密，因而称作单表（简单）代替密码，即明文的一个字符 单表（简单）代替密码 单表 用相应的一个密文字符代替。加密过程中是从明文字母表到 密文字母表的一一映射。 单表密码的弱点：明文和密文字母之间的一一代替关系。 单表密码的弱点 这使得明文中的一些固有特性和规律（比如语言的各种统计 特性）必然反映到密文中去。
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第二章 密码学概论
2.2 经典密码体制
优点： 优点：
密钥空间26d>1.1*107 能抵抗简单的字母频率分析攻击。 多表密码加密算法结果将使得对单表置换用的简单频率分析方法失 效。 借助于计算机程序和足够数量的密文，经验丰富的密码分析员能在 一小时内攻破这样的密码。 –重合指数方法：用于预测是否为多表替换密码 –Kasiski方法：利用字母串重复情况确定周期
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第二章 密码学概论 给密码系统（体制）下一个形式化的定义： 定义: (密码体制）它是一个五元组（P,C,K,E,D)满足条件： （1）P是可能明文的有限集；（明文空间） （2）C是可能密文的有限集；（密文空间） （3）K是一切可能密钥构成的有限集；（密钥空间） ek ∈E *（4）任意k∈ K,有一个加密算法 dk : C → P 和相应的解 密算法 ，使得 和 分别为加密解密函数，满足dk(ek(x))=x, 这里 x ∈P。 加密函数e 必须是单射函数， 加密函数 k必须是单射函数，就是一对一的函数 密码系统的两个基本元素是算法和 密码系统的两个基本元素是算法和密钥 算法 好的算法是唯密钥而保密的 柯克霍夫斯原则 已知算法，无助于推导出明文或密
密码技术--复习
密钥管理系统密钥分类：
主要的密钥包括： 主要的密钥包括： （1）初始密钥。由用户选定或系统分配的，在较长的一 ）初始密钥。由用户选定或系统分配的， 段时间内由一个用户专用的秘密密钥。 段时间内由一个用户专用的秘密密钥。要求它既安全 又便于更换。 又便于更换。 （2）会话密钥。两个通信终端用户在一次会话或交换数 ）会话密钥。 据时所用的密钥。 据时所用的密钥。一般由系统通过密钥交换协议动态 产生。它使用的时间很短， 产生。它使用的时间很短，从而限制了密码分析者攻 击时所能得到的同一密钥加密的密文量。 击时所能得到的同一密钥加密的密文量。丢失时对系 统保密性影响不大。 统保密性影响不大。 （3）密钥加密密钥（Key Encrypting Key，KEK）。 ）密钥加密密钥（ ， ）。 用于传送会话密钥时采用的密钥。 用于传送会话密钥时采用的密钥。 ）。主密钥是对密钥加密密钥 （4）主密钥（Mater Key）。主密钥是对密钥加密密钥 ）主密钥（ ）。 进行加密的密钥，存于主机的处理器中。 进行加密的密钥，存于主机的处理器中。
密码分析学
最常见的破解类型如下： 唯密文攻击：O具有密文串y。 已知明文攻击：O具有明文串x和相应的密 文y。 选择明文攻击：O可获得对加密机的暂时 访问， 因此他能选择明文串x并构造出相 应的密文串y。 选择密文攻击：O可暂时接近密码机,可选 择密文串y，并构造出相应的明文x。
古典密码学基本技术
Feistel结构-1
一一映射 较小时， 当n较小时，等价于代 较小时 替变换 当n较大时，比如 较大时， 较大时 n=64，无法表达这样 ， 的任意变换 Feistel结构很好地解 结构很好地解 决了二者之间的矛盾
DES和AES比较：
DES:分组密码，Feist结构，明文密文64位， 有效密钥56位。有弱密钥，有互补对称性。 适合硬件实现，软件实现麻烦。安全。算法 是对合的。 AES：分组密码，SP结构，明文密文128位， 密钥长度可变，大于等于128位。无弱密钥， 无互补对称性。适合软件和硬件实现。安全， 算法不是对合的。
密码学基本概念
密码学基本概念
密码学是一门研究保护信息安全的学科，其基本目标是保证信息在传输过程中不被非法获取和篡改。
在密码学中，有一些基本概念需要了解。
1. 密码学基础
密码学基础包括加密、解密、密钥、明文和密文等概念。
加密是将明文转换为密文的过程，解密则是将密文还原为明文的过程。
密钥是用于加密和解密的秘密码，明文是未经过加密的原始信息，密文则是加密后的信息。
2. 对称加密算法
对称加密算法指的是加密和解密时使用同一个密钥的算法，如DES、AES等。
在对称加密算法中，密钥必须保密，否则会被攻击者轻易获取并进行破解。
3. 非对称加密算法
非对称加密算法指的是加密和解密时使用不同密钥的算法，如RSA、DSA等。
在非对称加密算法中，公钥用于加密，私钥用于解密。
公钥可以公开，私钥必须保密，否则会被攻击者轻易获取并进行破解。
4. 数字签名
数字签名是用于保证信息的完整性和真实性的技术。
数字签名使用非对称加密算法，签名者使用私钥对信息进行加密，接收者使用公钥进行验证。
如果验证通过，则说明信息未被篡改过。
5. Hash函数
Hash函数是一种将任意长度的消息压缩成固定长度摘要的函数，常用于数字签名和消息验证。
Hash函数具有不可逆性，即无法通过消息摘要还原出原始数据。
以上就是密码学的基本概念，掌握这些概念对于理解密码学的原理和应用非常重要。
密码学
① 将信息理论引入到密码，把数千年历史的密码学推 向科学轨道，形成了科学的秘密钥密码学学科
② 用概率统计的观点对信息源、密钥源、接收和截获 的密文进行了数学描述和定量分析，提出了通用的 秘密钥密码系统模型 ③ 用信息论的观点分析消息源、密钥源、接收和截获 的密文，全面阐述了完全保密、纯密码、理论保密 和实际保密等新概念，为密码学奠定了理论基础
变革
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7.2 密码系统和密码体制 7.2.1 术语
明文(或消息)——需要进行变换来隐藏的消息 (载荷 着信息)
密文 ( 或密报 )—— 明文经过某种变换后成为一种载 荷着(不能被非授权者所理解的)隐藏信息的消息
加密——明文变换成密文的操作过程 解密——利用密钥从密文恢复明文的操作过程 接收者——预定接收密文的人员
关键——接收者需知道密钥
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7.2.1 术语(续)
加密算法——对明文进行加密所采用的一组法则 解密算法——用密钥将密文进行解密所用的一组法 则 加密密钥——控制加密算法进行的一组密钥 解密密钥——控制解密算法进行的一组密钥 单钥 ( 私钥 ) 密码体制 —— 加密密钥与解密密钥相同， 或从一个易得出另一个的密码体制 双钥 ( 公钥 ) 密码体制 —— 加密密钥与解密密钥不同， 且从一个难以得出另一个的密码体制 双钥体制是现代密码学的核心 密码分析——在未知密钥的情况下，通过分析从截 7
1949年，香农发表 “保密系统的通信理论” 论文
C.E.Shannon. Communication Theory of Secrecy
System. Bell Systems Technical Journal, 1949, (28):
密码学重要知识点总结
密码学重要知识点总结一、密码学的基本概念1.1 密码学的定义密码学是一门研究如何保护信息安全的学科，它主要包括密码算法、密钥管理、密码协议、密码分析和攻击等内容。
密码学通过利用数学、计算机科学和工程学的方法，设计和分析各种密码技术，以确保信息在存储和传输过程中不被未经授权的人所获得。
1.2 密码学的基本原理密码学的基本原理主要包括保密原则、完整性原则和身份认证原则。
保密原则要求信息在传输和存储过程中只能被授权的人所获得，而完整性原则要求信息在传输和存储过程中不被篡改，身份认证原则要求确认信息发送者或接收者的身份。
1.3 密码学的分类根据密码的使用方式，密码学可以分为对称密码和非对称密码两种。
对称密码是指加密和解密使用相同的密钥，而非对称密码是指加密和解密使用不同的密钥。
1.4 密码学的应用密码学广泛应用于电子商务、金融交易、通信、军事、政府和企业等领域。
通过使用密码学技术，可以保护重要信息的安全，确保数据传输和存储的完整性，以及验证用户的身份。
二、密码算法2.1 对称密码对称密码是指加密和解密使用相同的密钥。
对称密码算法主要包括DES、3DES、AES 等，它们在实际应用中通常用于加密数据、保护通信等方面。
对称密码算法的优点是加解密速度快，但密钥管理较为困难。
2.2 非对称密码非对称密码是指加密和解密使用不同的密钥。
非对称密码算法主要包括RSA、DSA、ECC等，它们在实际应用中通常用于数字签名、密钥交换、身份认证等方面。
非对称密码算法的优点是密钥管理较为方便，但加解密速度较慢。
2.3 哈希函数哈希函数是一种能够将任意长度的输入数据映射为固定长度输出数据的函数。
哈希函数主要用于数据完整性验证、密码存储、消息摘要等方面。
常见的哈希函数包括MD5、SHA-1、SHA-256等。
2.4 密码算法的安全性密码算法的安全性主要由它的密钥长度、密钥空间、算法强度和密码破解难度等因素决定。
密码算法的安全性是密码学研究的核心问题，也是密码学工程应用的关键因素。
密码学基础知识
密码学基础知识密码学是研究加密、解密和信息安全的学科。
随着信息技术的快速发展，保护敏感信息变得越来越重要。
密码学作为一种保护信息安全的方法，被广泛应用于电子支付、网络通信、数据存储等领域。
本文将介绍密码学的基础知识，涵盖密码学的基本概念、常用的加密算法和密码学在实际应用中的运用。
一、密码学的基本概念1. 加密与解密加密是将明文转化为密文的过程，而解密则是将密文转化为明文的过程。
加密算法可分为对称加密和非对称加密两种方式。
对称加密使用同一个密钥进行加密和解密，速度较快，但密钥的传输和管理相对复杂。
非对称加密则使用一对密钥，公钥用于加密，私钥用于解密，更安全但速度较慢。
2. 密钥密钥是密码学中重要的概念，它是加密和解密的基础。
对称加密中，密钥只有一个，且必须保密；非对称加密中，公钥是公开的，私钥则是保密的。
密钥的选择和管理对于信息安全至关重要。
3. 摘要算法摘要算法是一种不可逆的算法，将任意长度的数据转化为固定长度的摘要值。
常见的摘要算法有MD5和SHA系列算法。
摘要算法常用于数据完整性校验和密码验证等场景。
二、常用的加密算法1. 对称加密算法对称加密算法常用于大规模数据加密，如AES（Advanced Encryption Standard）算法。
它具有速度快、加密强度高的特点，广泛应用于保护敏感数据。
2. 非对称加密算法非对称加密算法常用于密钥交换和数字签名等场景。
RSA算法是非对称加密算法中最常见的一种，它使用两个密钥，公钥用于加密，私钥用于解密。
3. 数字签名数字签名是保证信息完整性和身份认证的一种方式。
它将发送方的信息经过摘要算法生成摘要值，再使用私钥进行加密，生成数字签名。
接收方使用发送方的公钥对数字签名进行解密，然后对接收到的信息进行摘要算法计算，将得到的摘要值与解密得到的摘要值进行比对，以验证信息是否完整和真实。
三、密码学的实际应用1. 网络通信安全密码学在网络通信中扮演重要的角色。
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柯克霍夫斯(Kerckhoffs)假设
❖ 假定：密码分析者知道对方所使用的密码系统 包括明文的统计特性、加密体制（操作方式、处理方法 和加/解密算法 ）、密钥空间及其统计特性。 不知道密钥。
❖ 密码体制的安全性仅应依赖于对密钥的保密，而不应依赖于 对算法的保密。只有在假设攻击者对密码算法有充分的研究， 并且拥有足够的计算资源的情况下仍然安全的密码才是安全 的密码系统。
密码系统（Cryptosystem）
❖ 定义: (密码体制）它是一个五元组（P,C,K,E,D)满足条件： （1）P是可能明文的有限集；（明文空间） （2）C是可能密文的有限集；（密文空间） （3）K是一切可能密钥构成的有限集；（密钥空间）
*（4）任意 k K ,有一个加密算法 ek E 和相应的解密算法 dk D ，使得 ek : P C 和 dk : C P 分别为加密解密函
案例：莫尔斯电码里的爱情
④ 在第四步中，片羿天使用了包括凯撒、乘法等等方法，对 第三步几乎可以看出来的答案进行了进一步的解码，最后 发现只有栅栏密码才能读得通。片羿天使将这组字母分成 了“O T O E O I”和“ O U Y V L”两排，然后对插重组得 到第四步的字母排列：“OOTUOYEVOLI”。
⑤ 第五步于 是变得最为简单起来，那便是将 “OOTUOYEVOLI”倒序排列，即“I LOVE YOU TOO”。
2.1 基本概念
2.1.1 什么是密码学
❖ 密码学是研究密码系统或通信安全的一门学科，分为密码编 码学和密码分析学。
❖ 密码编码学是使得消息保密的学科 ❖ 密码分析学实际要研究加密消息破译的学科
❖ 网友贴出了莫尔斯密码对照表，然后发现相应密码对应的数字组合 和英文字母组合分别是：“4194418141634192622374”、 “daiddahadafcdaibfbbcgd”
案例：莫尔斯电码里的爱情
① 网友“片羿天使”将莫尔斯密码对应的数字“41 94 41 81 41 63 41 92 62 23 74”转换成了手机键盘字母,以41为例，它 对应的就是传统手机键盘上的“4”的第一个字母，“94”则 是“9”的第4个字母。
被改变。 ❖ 不可否认性：发送方不能否认已发送的消息。
2.2 传统密码及其破译
古典加密技术
从古到今有无数种加密方法，但归类起来，古代主要是代替密 码、置换密码以及两者的结合。 ❖代替密码
第2讲 密码学的基本概
念和理论基础
案例：莫尔斯电码里的爱情
❖ 早已被新科技所取代的莫尔斯密码，却在中国的互联网世界里演绎 了一段费尽周折的爱情猜谜传奇。
❖ 一男子向一女子表白，女子却给了一段莫尔斯密码，以及很少的提 示，并表示，破译这个密码，一切秘密寓于密钥之中
密码分析
❖ 密码分析：从密文推导出明文或密钥 。 ❖ 密码分析：常用的方法有以下4类：
惟密文攻击（cybertext only attack）：密码分析者有一 个或更多的用同一个密钥加密的密文，通过对这些截获 的密文进行分析得出明文或密钥
已知明文攻击（known plaintext attack）：除要破译的 密文外，密码分析者有一些明文和用同一密钥加密这些 明文所对应的密文。
数，满足 dk (ek (x)) x,这里, x P。
密码体制的分类
❖ 几种不同的分类标准 按操作方式进行分类 操作方式：是明文变换成密文的方法。 ❖替代操作、置换操作、复合操作。 按照使用密钥的数量进行分类 ❖对称密钥（单密钥）。 ❖公开密钥（双密钥）。 按照对明文的处理方法进行分类 ❖流密码。 ❖分组密码。
② 这样片羿天使得到了第二步的答案：“G Z G T G O G X N CS”。
③ 片羿天使说“因为QWE的格式是被世人所认可的，也就有 可能成为密码的码表。码表QWE=ABC依次类推。”按照 这样的次序，上面的来自于手机键盘的字母，就转换到了 第三步答案：“O T O E O I O U Y V L”。
❖ 电码如下： “****-/*----/----*/****-/****-/*----/---**/*----/****-/*----/-****/***-/****-/*----/----*/**---/-****/**---/**---/***--/--***/****-/”
❖ “她唯一给我的提示就是这个是5层加密的密码，也就是说要破解5 层密码才是答案。最终语言是英语。 ”
密码学的发展历史
❖ 第1阶段：1949年以前。 ❖ 第2阶段：从1949年到1975年。
标志：1949年Shannon发表的《保密系统的信息理论》一 文。
❖ 第3阶段：1976年至今。 标志：1976年Diffie和Hellman发表了《密码学新方向》 一文。
Shannon模型
❖ X,明文（plain-text）： 作为加密输入的原始信息。 ❖ Y,密文（cipher-text）：对明文变换的结果。 ❖ E,加密（encrypt）：是一组含有参数的变换。 ❖ D,解密（decrypt）：加密的逆变换。 ❖ Z,密钥（key）：是参与加密解密变换的参数。
密码分析
选择明文攻击（chosen plaintext attack）：密码分析者 可得到所需要的任何明文所对应的密文，这些密文与要 破译的密文是用同一个密钥加密得来的
选择密文攻击（chosen ciphertext attack）：密码分析 者可得到所需要的任何密文所对应的明文，解密这些密 文所使用的密钥与要破译的密文的密钥是相同的
密码系统
❖ 一个好的密码系统应满足： 系统理论上安全，或计算上安全； 系统的保密性是依赖于密钥的，而不是依赖于对加密体 制或算法的保密； 加密和解密算法适用于密钥空间中的所有元素； 系统既易于实现又便于使用。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
加密的功能
❖ 保密性：基本功能，使非授权者无法知道消息的内容。 ❖ 鉴别：消息的接收者应该能够确认消息的来源。 ❖ 完整性：消息的接收者应该能够验证消息在传输过程中没有