古典密码学
密码学基础-密码学(古典密码)-精品文档
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古典密码
象形文字的修改(Modified Hieroglyphics)：密 码学的第一个例子是对标准书写符号的修改 ，例如古埃及法老坟墓上的文字（3200-1100 B.C.），核心思想是代替(Substitution)
古典密码
400 B.C.，希腊人艾奈阿斯《城市防卫论 》
艾奈阿斯绳结密码 不同的绳结距离代表不同的字母
第一章 古典密码
密码学的意义 •密码学的历史、现状和未来 •基本术语和定义 •古典密码和相关基础数学理论 •如何用精确的数学语言定义和分析古典密码
•
密码学的重要性
密码学是信息安全技术的核心和基石，在 信息安全领域起着基本的、无可替代的作 用。这方面的任何重大进展，都会有可能 改变信息安全技术的走向 密码技术和理论的发展始终深刻影响着信 息安全技术的发展和突破
古典密码
曾公密码
选择一首五言律诗作为密码本
国破山河在，城春草木深 感时花溅泪，恨别鸟惊心 烽火连三月，家书抵万金 白头搔更短，浑欲不胜簪
——杜甫《春望》
加密过程：找到军情对应的字，做标记后 放在普通公文中发送 解密过程：字验
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古典密码
500 B.C.，斯巴达人在军事上用于加解密
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密码学的地位
信息安全大厦
应用安全
系统安全 网络安全 安全协议 安全的密码算法
密码学
学习密码学的意义
密码学相关理论和技术，是进一步学习和 运用安全技术的基本功
数据保密 身份鉴别 数字签名 数字水印
密码学的发展历史
密码学发展的四个阶段
密码学发展的四个阶段：
1.古代加密方法：这是密码学发展的最早阶段，主要源于应用的需求推动技术发明和进步。
2.古典密码：这个阶段可以追溯到19世纪末，是密码学发展的重要阶段，出现了许多经典的加密算法。
3.近代密码：这个阶段从20世纪初开始，一直持续到1949年。
这个阶段的密码学发展以计算机通信技术的发展和
普及为基础，由于信息在计算机通信中的存储和传输要求，推动了密码学的进一步发展。
4.现代密码：从1949年香农发表的划时代的论文“保密系统的加密理论”开始，密码学进入了现代阶段。
这个阶段出
现了公钥密码等新的加密技术，为现代信息安全提供了重要保障。
密码学-古典密码
P 中同行, 为紧靠各自右端的字母 P 中同列, 为紧靠各自下方的字母
密文 非同行同列, 为确定矩阵的对角字母
2. Vigenere体制
设明文m = m1m2…mn，k = k1k2…kn，则密文 c = Ek(m) = c1c2…cn，
其中ci = (mi + ki) mod 26, i = 1, 2, …, n。 当密钥的长度比明文短时，密钥可以周期性地
4. Vernam体制
Vernam密码在加密前首先将明文编码为(0, 1)字符串。
设明文m = m1m2…mn，k = k1k2…kn，其中mi , ki∈GF(2) ， 则密文c = c1c2…cn ，其中
ci = mi⊕ki , i ≥1。
在用Vernam密码对明文加密时，如果对不同的明文使 用不同的密钥，则这时Vernam密码为“一次一密”（onetime pad）密码，在理论上是不可破译的。如果存在不 同的明文使用相同的密钥，则这时Vernam密码就比较 容易被破译。
例2.5（P16）
2.3.2 多表古典密码的统计分析
在多表古典密码的分析中，首先要确定密钥字的长度, 也就是要首先确定所使用的加密表的个数，然后再分析确 定具体的密钥。
确定密钥字长的常用方法有：
设设 设
对任意
对任意
密文
对任意
密其密文中文其的中乘的法加都法是都模是q 模乘q法加. 法显.然显, 然简,单简乘单法
密加码法的密密码钥的量密为钥量为
其中的加法和乘法都是模q 加法和乘法.
显然, 简单仿射密码的密钥量为
2. 2 几种典型的古典密码体制
几种典型的单表 古典密码体制
第4章 古典密码学[zhuzhuzhuzhu]
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第4章 古典密码学
1、单表代换密码
（3）仿射密码 例 2.7 假 设 从 仿 射 密 码 获 得 的 密 文 为 ： FMXVEDKAPHFERBNDKRXRSREFM ORUDSDKDVSHVUFEDKAPRKDLYEVLRHHR H 仅有 57 个密文字母 R（8 次） D（7 次）
E，H，K（各 5 次） F，S，V（各 4 次）
第4章 古典密码学
1、单表代换密码 （3）仿射密码
明文为： Algorithms are quite general definitions of arithmetic processes
a b c d e f g h i j k l mn o p q r s t u v w x y z
F G H I J K L M N O P Q R S T U V WX Y Z A B C D E
c=m+5mod26 m=c-5mod26
第4章 古典密码学
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古典密码学的特点
古典密码学的特点
古典密码学是指在计算机技术出现之前使用的密码学方法。
其特点如下：
1. 单一密钥：古典密码学中使用的加密方法只有一个密钥，也就是说加密和解密都需要使用同一个密钥。
这种方法容易被破解，因为只要攻击者得到了密钥，就可以轻松地解密密文。
2. 易于破解：古典密码学中使用的加密方法很容易被破解，因为它们都有一些固有的弱点。
例如，凯撒密码只有26种可能的密钥，因此可以通过穷举法轻松破解。
3. 重复模式：古典密码学中使用的加密方法通常会产生重复模式，这使得攻击者可以轻松地识别出重复的部分并进行破解。
4. 机械化：古典密码学中使用的加密方法通常是机械化的，也就是说它们需要使用一些特殊的机器或设备来进行加密和解密。
这种方法不太适合现代通信，因为它需要使用大量的设备和人力资源。
5. 无法应对现代攻击：古典密码学中使用的加密方法无法应对现代的攻击方法，例如差分攻击、线性攻击和巨集攻击等。
这些攻击方法可以轻松地破解古典密码学中使用的加密方法。
总之，古典密码学虽然在历史上发挥了一定的作用，但是在现代加密领域已经被淘汰了。
现代加密方法通常采用复杂的数学算法和密钥管理系统，以保护数据的安全性和机密性。
《古典密码学》课件
03
古典密码学的加密 方式
替换式密码
原理：将明文中的每个字符 替换为其他字符
例子：凯撒密码，每个字符 向后移动3位
优点：简单易用，易于实现
缺点：安全性较低，容易破 解
错位式密码
原理：通过改变字母的 位置来加密信息
应用：广泛应用于古代 军事、外交等领域
政治机密保护
古代战争：传递军事情报，保护军事机密 外交谈判：保护外交机密，防止泄露 皇室宫廷：保护皇室机密，防止篡位夺权 商业贸易：保护商业机密，防止竞争对手窃取商业信息
商业秘密保护
商业合同：保护商业合同中的机密信息 商业谈判：保护商业谈判中的机密信息 商业计划：保护商业计划中的机密信息 商业策略：保护商业策略中的机密信息
文艺复兴时期的密码学
起源：文艺复 兴时期，密码 学开始兴起
代表人物：莱 昂纳多·达·芬奇、 伽利略等
密码类型：替 换密码、移位 密码等
应用领域：军 事、外交、商 业等
古典密码学的概念
古典密码学的主要目的是 保护信息的机密性
古典密码学是研究如何将 明文转换为密文的学科
古典密码学的主要方法包 括替换密码和置换密码
古典密码学与现代密码学的关系
古典密码学： 基于数学和 逻辑的加密 方法，如凯 撒密码、维 吉尼亚密码 等
现代密码学： 基于计算机 和通信技术 的加密方法， 如RSA、 AES等
关系：古典 密码学是现 代密码学的 基础，现代 密码学在古 典密码学的 基础上进行 了改进和创 新
局限性：古 典密码学在 安全性和效 率上存在局 限性，容易 被破解
步骤：收集足够多的密文 样本，统计字符频率，找
出最可能的字符
古典密码的加密方法
古典密码的加密方法
古典密码是指在密码学中较早出现和较简单的加密方法，主要包括凯撒密码、凯恩密码、维吉尼亚密码等。
1. 凯撒密码：由罗马帝国大军领袖凯撒所使用的密码。
加密时，将明文中的每个字母向后移动固定的位置。
例如，将明文中的每个字母向后移动三位。
解密时，将密文中的每个字母向前移动三位。
2. 凯恩密码：由大英帝国舰队司令官查尔斯·凯恩所使用的密码。
加密时，将明文中的每个字母移动一个随机位置。
解密时，将密文中的每个字母移动一个相反的位置。
3. 维吉尼亚密码：由伊丽莎白一世女王的情报官员布尔内特所使用的密码。
加密时，根据明文中的字母在密钥中找到对应的字母，将明文字母替换为密钥字母。
密钥是一个周期性的字母序列，长度与明文相同。
解密时，根据密文中的字母在密钥中找到对应的字母，将密文字母替换为密钥字母。
这些古典密码的加密方法在现代密码学中已经不再安全，容易被破解，因此不再被广泛使用。
现代密码学更多地采用基于数学原理的复杂加密算法，如对称加密算法、非对称加密算法等。
古典密码学ppt课件
出现频率：例如，在标准英语中，出现频率最高的是字母“e”，而“x”和 “z”则很少出现；字母的实际出现频率取决于具体文字的类型，科技文献 的字母出现频率与文学文献有很大的不同；
首选关联集：在标准英语中，多个字母常一起出现或不出现，例如，元 音字母“a”、 “i”和“o”互不相联。
安全性分析 每一密钥序列和明文序列都是等概率的出现，敌手没有任何信 息用来哪一密钥序列和明文消息是正确的。
古典密码编码学之外：使用和安全性
一个被安全用于密码协议中的移位密码(零知识证明)
假定一个Zn上的函数f(x)，具有以下两条性质
单向性：对于任意的x∈ Zn， f(x)能有效计算，而对几乎所有的x∈ Zn，对于 任意有效算法A，Prob[x←A(y) ∧f(x)=y]与y的大小相比是一个可忽略的量；
古典置换加密法是一种简单的换位加密法，其加密过程类似于洗一 副纸牌。它的密钥是(d，f)。 将密文分成固定长度的块，如长度为d； 置换函数f从1~d中选取一个整数排列； 将明文每个分块中的字母根据f重新排列。
例一：令d = 4，f = (2, 4, 1, 3)
第一个字符移位到位置二，第二个字符移到位置四，第三个字符移到 位置一，第四个字符移到位置三；
古典多码加密法：Vigenere密码
Vigenere表
明文
密文
古典多码加密法：Vigenere密码
加密过程：给定一个密钥字母k和一个明文字母p，密文字母就是位 于k所在的行与p所在的列的交叉点上的那个字母。
解密过程：由密钥字母决定行，在该行中找到密文字母，密文字母 所在列的列首对应的明文字母就是相应的明文。 例一：关键词为“hold”，那么关键词-明文-密文的关联如下
假设明文：“this is the plaintext” -> “this isth epla inte xt**” 密文：“itsh this leap tien *x*t”
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古典密码学
爱伦坡所说：密码可破!人类的智慧不可能造成这样的密码，使得人类本身的才智即使运用得当也无法破开它!
一、密码学的发展历程
密码学在公元前400多年就早已经产生了，正如《破译者》一书中所说“人类使用密码的历史几乎与使用文字的时间一样长”。
密码学的起源的确要追溯到人类刚刚出现，并且尝试去学习如何通信的时候，为了确保他们的通信的机密，最先是有意识的使用一些简单的方法来加密信息，通过一些（密码）象形文字相互传达信息。
接着由于文字的出现和使用，确保通信的机密性就成为一种艺术，古代发明了不少加密信息和传达信息的方法。
例如我国古代的烽火就是一种传递军情的方法，再如古代的兵符就是用来传达信息的密令。
就连闯荡江湖的侠士，都有秘密的黑道行话，更何况是那些不堪忍受压迫义士在秘密起义前进行地下联络的暗语，这都促进了密码学的发展。
事实上，密码学真正成为科学是在19世纪末和20世纪初期，由于军事、数学、通讯等相关技术的发展，特别是两次世界大战中对军事信息保密传递和破获敌方信息的需求，密码学得到了空前的发展，并广泛的用于军事情报部门的决策。
例如在希特勒一上台时，德国就试验并使用了一种命名为“谜”的密码机，“谜”型机能产生220亿种不同的密钥组合，假如一个人日夜不停地工作，每分钟测试一种密钥的话，需要约4.2万年才能将所有的密钥可能组合试完，希特勒完全相信了这种密码机的安全性。
然而，英国获知了“谜”型机的密码原理，完成了一部针对“谜”型机的绰号叫“炸弹”的密码破译机，每秒钟可处理2000个字符，它几乎可以破译截获德国的所有情报。
后来又研制出一种每秒钟可处理5000个字符的“巨人”型密码破译机并投入使用，至此同盟国几乎掌握了德国纳粹的绝大多数军事秘密和机密，而德国军方却对此一无所知；太平洋战争中，美军成功破译了日本海军的密码机，读懂了日本舰队司令官山本五十六发给各指挥官的命令，在中途岛彻底击溃了日本海军，击毙了山本五十六，导致了太平洋战争的决定性转折。
因此，我们可以说，密码学为战争的胜利立了大功。
在当今密码学不仅用于国家军事安全上，人们已经将重点更多的集中在实际应用，在你的生活就有很多密码，例如为了防止别人查阅你文件，你可以将你的文件加密；为了防止窃取你钱物，你在银行账户上设置密码，等等。
随着科技的发展和信息保密的需求，密码学的应用将融入了你的日常生活。
二、密码学的基础知识
密码学(Cryptogra phy)在希腊文用Kruptos(hidden)+graphein(to write)表达，现代准确的术语为“密码编制学”，简称“编密学”，与之相对的专门研究如何破解密码的学问称之为“密码分析学”。
密码学是主要研究通信安全和保密的学科，他包括两个分支：密码编码学和密码分析学。
密码编码学主要研究对信息进行变换，以保护信息在传递过程中不被敌方窃取、解读和利用的方法，而密码分析学则于密码编码学相反，它主要研究如何分析和破译密码。
这两者之间既相互对立又相互促进。
密码的基本思想是对机密信息进行伪装。
一个密码系统完成如下伪装：加密者对需要进行伪装机密信息（明文）进行伪装进行变换（加密变换），得到另外一种看起来似乎与原有信息不相关的表示（密文），如果合法者（接收者）获得了伪装后的信息，那么他可以通过事先约定的密钥，从得到的信息中分析得到原有的机密信息（解密变换），而如果不合法的用户（密码分析者）试图从这种伪装后信息中分析得到原有的机密信息，那么，要么这种分析过程根本是不可能的，要么代价过于巨大，以至于无法进
行。
在计算机出现以前，密码学的算法主要是通过字符之间代替或易位实现的，我们称这些密码体制为古典密码。
其中包括：易位密码、代替密码（单表代替密码、多表代替密码等）。
这些密码算法大都十分简单，现在已经很少在实际应用中使用了。
由于密码学是涉及数学、通讯、计算机等相关学科的知识，就我们现有的知识水平而言，只能初步研究古典密码学的基本原理和方法。
但是对古典密码学的研究，对于理解、构造和分析现代实用的密码都是很有帮助。
以下介绍我们所研究的古典密码学。
三、古典密码学的基本方法
从密码学发展历程来看，可分为古典密码（以字符为基本加密单元的密码）以及现代密码（以信息块为基本加密单元的密码）两类。
而古典密码有着悠久的历史，从古代一直到计算机出现以前，古典密码学主要有两大基本方法：
①代替密码：就是将明文的字符替换为密文中的另一种的字符，接收者只要对密文做反向替换就可以恢复出明文。
②置换密码(又称易位密码)：明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。
现在我们汇报我们研究的几种简单的古典密码学
1.滚桶密码
在古代为了确保他们的通信的机密，先是有意识的使用一些简单的方法对信息来加密。
如公元六年前的古希腊人通过使用一根叫scytale的棍子，将信息进行加密。
送信人先将一张羊皮条绕棍子螺旋形卷起来（如图），然后把要写的信息按某种顺序写在上面，接着打开羊皮条卷，通过其他渠道将信送给收信人。
如果不知道棍子的宽度（这里作为密匙）就是不容易解密里面的内容的，但是收信人可以根据事先和写信人的约定，用同样的scytale的棍子将书信解密。
2. 掩格密码
16世纪米兰的物理学和数学家Cardano发明的掩格密码，可以事先设计好方格的开孔，将所要传递的信息和一些其他无关的符号组合成无效的信息，使截获者难以分析出有效信息。
3. 棋盘密码
我们可以建立一张表，使每一个字符对应一数，是该字符所在行标号，是列标号。
这样将明文变成形式为一串数字密文。
例如：明文battle on Sunday
密文121144443115034330434533141154
（其中0表示空格）
例如：如图Polybius的棋盘密(B.C.200)也是一种在古希腊时已经发展的比较完备加密的方法。
希腊文字“”被加密为数字25 42 45 41 44 35 43
4.凯撒（Caesar）密码
据记载在罗马帝国时期，凯撒大帝曾经设计过一种简单的移位密码，用于战时通信。
这种加密方法就是将明文的字母按照字母顺序，往后依次递推相同的字母，就可以得到加密的密文，而解密的过程正好和加密的过程相反。