密码学基础-实验指导书
密码学基础课程设计指导书
《现代密码学基础》课程设计指导书杨柳编湖南科技大学计算机科学与工程学院2014年12月一、概述本课程在简要复习数学基础知识之后，探讨了密码学研究的基本问题：通过不安全的通信媒介如何进行安全通信。
也可以理解为关心任何希望限制不诚实者达到目的的问题，把度量和评价一个密码体制（协议）的安全性作为一个重点。
就目前来说，密码学的研究领域已从消息加密扩大到了数字签名、消息认证、身份识别、抗欺骗协议等。
无疑，在整个教学过程中非常重视密码学的基础，当然包括数学基础。
并针对实际的密码体制（协议）强调设计与分析（攻击），对现代密码学的主要研究问题都进行了介绍。
对于密码学这样的课程，同学们一定要从理论、技术、应用三个方面进行学习与思考。
密码体制（协议）无疑是我们的学习重点，密码体制（协议）也可以单纯地理解为计算机算法，从而有设计、分析、证明、实现的问题。
实现密码体制（协议）就是我们经常讲的八个字：模型、算法、程序、测试。
二、课程设计步骤课程设计步骤要求如下：模型从数学的角度看，解决任何问题都要建立一个数学模型，对于密码学来说更是如此。
我们还可以认为，数据结构中的存储结构也是模型。
于是这一部分的任务就是建立起问题的逻辑结构和存储结构，为算法设计和编码实现打下基础。
算法这一部分对同学们的要求是能看懂书上的常用算法，并对其中的参数可以进行调整和设置，能实现和应用它们。
程序编码实现得到程序。
4. 测试5. 提交课程设计报告三、课程设计报告编写要求课程设计报告开头标明课程设计题目、设计者的班级、姓名、学号和完成日期，内容包括：模型、算法、程序、测试四个部分。
四、设计要求可以只做第7题，不做第7题的要做第1题-第6题。
五、课程设计题目题目1 大整数运算包的设计与实现1．问题描述大整数运算是现代密码学算法实现的基础，重要性不言而喻。
大整数我们指的是二进制位512、1024和2048的数，一般的语言不支持。
2．基本要求以类库头文件的形式实现。
密码学案例实验报告书
一、实验背景随着信息技术的飞速发展，信息安全问题日益突出。
密码学作为保障信息安全的核心技术，在数据加密、身份认证、数字签名等领域发挥着重要作用。
为了加深对密码学原理的理解，提高实际应用能力，我们开展了本次密码学案例实验。
二、实验目的1. 掌握DES加密算法的基本原理和操作步骤。
2. 熟悉RSA加密算法的原理和应用。
3. 学习数字签名技术的应用。
4. 培养动手实践能力，提高解决实际问题的能力。
三、实验内容1. DES加密算法（1）实验目的：了解DES加密算法的基本原理，掌握DES加密和解密过程。
（2）实验内容：① 设计一个简单的DES加密程序，实现明文到密文的转换。
② 设计一个简单的DES解密程序，实现密文到明文的转换。
（3）实验步骤：① 编写DES加密程序，输入明文和密钥，输出密文。
② 编写DES解密程序，输入密文和密钥，输出明文。
2. RSA加密算法（1）实验目的：了解RSA加密算法的基本原理，掌握RSA加密和解密过程。
（2）实验内容：① 设计一个简单的RSA加密程序，实现明文到密文的转换。
② 设计一个简单的RSA解密程序，实现密文到明文的转换。
（3）实验步骤：① 编写RSA加密程序，输入明文和密钥对，输出密文。
② 编写RSA解密程序，输入密文和私钥，输出明文。
3. 数字签名技术（1）实验目的：了解数字签名技术的基本原理，掌握数字签名的生成和验证过程。
（2）实验内容：① 设计一个简单的数字签名程序，实现签名生成和验证。
（3）实验步骤：① 编写数字签名程序，输入明文、私钥和签名算法，输出签名。
② 编写数字签名验证程序，输入明文、公钥和签名，验证签名是否正确。
四、实验结果与分析1. DES加密算法实验结果通过编写DES加密和解密程序，成功实现了明文到密文和密文到明文的转换。
实验结果表明，DES加密算法在保证数据安全的同时，具有较高的效率。
2. RSA加密算法实验结果通过编写RSA加密和解密程序，成功实现了明文到密文和密文到明文的转换。
《密码学基础》课程教学大纲
《密码学基础》课程教学大纲（Fundamentals of Cryptography）课程编号: 1223527课程性质：专业课适用专业：计算机科学与技术先修课程：线性代数、概率论与数理统计、离散数学后续课程：总学分：2学分一、教学目的与要求1. 教学目的密码学包含两个密切相关的方面，其一是密码编码学，研究编写出好的密码系统的方法；其二是密码分析学，研究攻破一个密码系统的途径，恢复被隐蔽信息的本来面目。
通过本课程的学习使学生初步掌握密码编码学的知识、了解密码分析学的基本概念和方法。
2. 教学要求通过本课程的学习，要求学生能初步掌握密码学的主要内容，包括：公钥密码，分组密码，伪随机序列发生器，序列密码，数字签名等等。
要求重点掌握各种密码算法和密码协议及其设计原理，掌握密钥管理、数字签名、身份认证、散列函数等核心技术。
二、课时安排三、教学内容1. 密码学的基本概念(2学时)(1)教学基本要求了解：信息安全模型；信息安全与密码学的关系；密码学的发展方向。
理解：密码学的发展与分类；密码学的基本概念；现代密码学的理论基础。
(2)教学内容①对安全威胁的被动攻击（截获）与主动攻击（中断、篡改、伪造）；②信息安全的三个特性（保密性Confidentiality、完整性Integrity、可用性Availability）；③密码学的分类（密码编码学、密码分析学、密码密钥学）；④密码编码学的分类（对称密码与非对称密码）；⑤密码分析及对密码系统攻击能力等级。
2. 分组密码(4学时)(1)教学基本要求了解：DES；对DES的攻击方法；分组密码设计的一般原理；IDEA；Double-DES，Triple-DES；AES的产生背景。
理解：DES算法；分组密码(DES)的使用模式；IDEA的总体结构；AES算法；逆元的计算；分组密码的工作模式。
(2)教学内容①DES算法的整体结构(重点)；②初始置换、逆初始置换、乘积变换、16轮迭代、函数f、S-盒、P置换；③子密钥的生成及DES的解密过程；④DES的雪崩效应、DES的弱密钥及半弱密钥、对DES的攻击；⑤Double-DES与Triple-DES；⑥分组密码设计的一般原理及分组密码的工作模式（ECB、CBC、CFB、OFB）；⑦IDEA的总体结构，8轮迭代、输出变换、密钥调度、乘积运算；⑧逆元的计算；⑨DES，Double-DES，Triple-DES，IDEA的安全性；⑩AES分组密码算法（轮变换、加轮密钥、密钥调度、密钥扩展等）。
密码学基础与实践教程
密码学基础与实践教程第一章：密码学基础概述密码学作为一门研究如何保护信息安全的学科，是现代通信和计算机科学领域的重要组成部分。
本章将介绍密码学的基本概念、目标和分类，并简要介绍几个密码学的关键术语。
1.1 密码学的定义与目标密码学旨在研究如何设计算法和协议，以确保信息在传输和存储过程中的保密性、完整性和可用性。
其目标主要包括保密性、完整性、身份认证和不可否认性。
1.2 密码学基本概念本节将介绍几个密码学中常用的基本概念，包括明文、密文、密钥和加密算法。
1.2.1 明文与密文明文是指未经加密处理的原始信息，而密文是指经过加密算法处理后的不易被理解的信息。
1.2.2 密钥密钥是密码学中用于加密和解密的参数。
在对称加密算法中，使用相同的密钥进行加密和解密；而在非对称加密算法中，使用公钥进行加密，私钥进行解密。
1.2.3 加密算法加密算法是密码学中用于对明文进行加密的数学算法。
常见的对称加密算法有DES、AES等，非对称加密算法有RSA、ECC等。
第二章：对称加密算法对称加密算法是指加密和解密使用相同密钥的加密方法。
本章将介绍DES和AES两个常见的对称加密算法，并分析其优缺点及应用场景。
2.1 DES算法DES（Data Encryption Standard）是一种对称加密算法，被广泛应用于各种信息系统的数据加密。
本节将介绍DES算法的基本原理、特点和应用场景。
2.2 AES算法AES（Advanced Encryption Standard）是一种高级加密标准算法，是目前应用最广泛的对称加密算法之一。
本节将介绍AES算法的设计思路、安全性和性能分析，并介绍其在信息安全中的应用。
第三章：非对称加密算法非对称加密算法是指加密和解密使用不同密钥的加密方法，包括公钥加密和数字签名等技术。
本章将介绍RSA和ECC两个常见的非对称加密算法，并讨论其应用场景。
3.1 RSA算法RSA算法是一种基于大数分解困难性的加密算法，被广泛应用于数字证书、安全通信等领域。
单(多)表代换密码算法实现实验指导书(王菊香)
实验1 单/多表代换密码算法实现一、实验目的1、编程实现单/多表代换密码算法；2、了解攻击古典加密算法的方法。
二、实验内容编程实现恺撒密码、移位变换、仿射变换和多表代换加/解密算法；三、实验原理及步骤1、单表代换密码（1）恺撒密码恺撒密码的加密和解密代换：()()33mod26,025c E m m m =≡+≤≤()()33mod26,025m D c c c =≡-≤≤（2）移位变换它的加密和解密变换：()()mod26,0,25k c E m m k m k =≡+≤≤()()mod26,0,25k m D c c k c k =≡-≤≤（3）仿射变换它的加密和解密变换：()(),mod26a b c E m am b =≡+()()()1,mod26a b m D c a c b -=≡-其中a ，b 是密钥，为满足0,25a b ≤≤和()gcd ,261a =的整数。
其中()gcd ,26a 表示a 和26的最大公因子，()gcd ,261a =表示a 和26是互素的，1a -表示a 的逆元，即11mod 26a a -⋅≡2、多表代换密码多表代换密码首先将明文M 分为由n 个字母构成的分组12,,,j M M M ，对每个 分组i M 的加密为：()mod ,1,2,,i i C AM B N i j =+=其中(),A B 是密钥，A 是n n ⨯的可逆矩阵，满足()gcd ||,1A N =(||A 是行列式)。
()12,,,T n B B B B =,()12,,,T n C C C C =,()12,,,Ti n M m m m =。
对密文分组i C 的解密为：()()1mod ,1,2,,i i M A C B N i j -≡-=四、测试用例1、仿射变换算法用例设仿射变换的加解密分别是： ()()7,21721mod26c E m m =≡+()()()17,21721mod26m D c c -=≡-对security 加密，对vlxijh 解密。
密码学基础实验讲义
常熟理工学院计算机科学与工程系《密码学基础》实验指导书网络工程系2009年7月实验一、熟悉CAP4一、实验目的与要求通过实验，使学生对密码学有一定的感性认识；学会正确使用CAP（Cryptographic Analysis Program v4）软件，验证课堂中所学的古典密码算法；为学习现代密码算法及其应用奠定基础。
二、实验内容1、熟悉使用CAP4软件2、使用CAP4，验证课本中的一些加密算法，如凯撒密码、仿射密码等。
三、实验指导CAP是由Dr. Richard Spillman专门为教学而研制的密码制作和分析的工具（CAP is a general purpose tool for making and breaking ciphers. It is intended for educational purposes only. Dr. Richard Spillman is not responsible for any lost data or errors in the software.），已经在美国的很多高校得到了广泛地使用，受到了密码学习者的普遍欢迎。
CAP4的软件界面如下：基本涵盖了经典密码学和现代密码学中的算法，主要包括：Simple Shift，ADFGVX，Affine，AutoKey，Bazeries Cylinder，Celluler Automata 1d，Celluler Automata 2d，Column Trasposition，DES， DES Stream，Elgamal，Four Square，Hill，KeyWord，Knapsack，MultiLiteral，Nihilist，Permutation，Playfair，RC4，Rotor，RSA，Vigenere等等。
“Affine”，出现如下图所示的弹出框。
注意：菜单“Encipher”和“Decipher”是灰色的。
现代密码学实验指导书
5. if (a-b ) < 0, (t ← a, a ← b, b ← t ); 6. a ← (a-b )
7. if a = 0, g = 2 g b, input b, end , else goto 4.
(
)
2. 扩展 Euclid 算法
设m ∈ Z + ,b ∈ Z，求 b 的模 m 的乘法逆元 b −1。
z
0.001
其中：以上字母分成 5 组： 1. 2. 3. 4. 5. e 的概率大约为 0.120 t,a,o,i,n,s,h,r 的概率为 0.06-0.09 d,l 的概率大约为 0.4 c,d,m,w,f,g,y.p,b 的概率为 0.015-0.023 v,k,j,x,q,z 的概率小于 0.01
a
0.082
b
0.015
c
0.028
d
0.043
e
0.127
f
0.022
g
0.020
h
0.061
i
0.070
j
0.002
k
0.008
l
0.040
m
0.024
n
0.067
o
0.075
p
0.019
q
0.001
r
0.060
s
0.063
t
0.091
u
0.028
v
0.010
w
0.023
x
0.001
y
0.020
3. 维吉尼亚密码的分析方法
z z 用卡西斯基测试法或重合指数法确定密钥长度 确定每个子密钥
五、
实验报告要求
程序给出源代码和相应的注释，密码分析部分给出详细推导或计算过程和程序实现则要 给出全部代码。
密码学基础实验报告材料实用模板
实用标准文案西安邮电大学通信与信息工程学院密码学报告专业班级： 学生姓名： 学号(班内序号):2015年 12月 25 日——————————————————————————装订线————————————————————————————————报告份数：实验一棋盘密码一.实验目的编写实现棋盘密码体制的程序并进行验证二.实验要求1．能对明文中出现的26个英文字母（包括大小写）及标点符号等加密。
2．从键盘输入密钥并输出棋盘进行验证。
3．能对给定的明文或密文进行正确的加密和解密。
三.实验原理古代最早的棋盘密码体制是这样的：将26个字母排列在一个5*5的方格里，其中i 和j填在同一个里，每个字母对应一数αβ，其中αβ分别是该字母所在的行、列标号。
这样就可以将明文的字母集合转换成密文的数字集合。
四.实验步骤1.编写实现棋盘密码体制的程序，包括加密和解密。
2.运行程序，输入棋盘密钥。
3.选择加密，并输入明文，根据棋盘验证加密结果是否正确。
4.选择解密，并输入密文，根据棋盘验证解密结果是否正确。
5．流程图：五.实验结果实验二仿射密码一.实验目的编写实现仿射密码体制的程序并进行验证。
二、实验要求1 给出仿射密码的的加密程序。
2 要求密钥从键盘输入。
3 掌握仿射密码的密码译制，弄清其加密过程。
三、实验原理令P = C = Z26 , K = { (a,b) ∈Z26 * Z26 },对任意的(a , b) ∈K，定义：加密：y = e k(x) = (a * x + b) mod 26,解密：d k(y) = a -1 ( y - b) mod 26 .a ,b 为密钥，密钥空间为26 ×26。
在加密的过程中，要使所加密有唯一的解，必须满足a 与26互素。
这是由下面的定理得出。
定理：设a ∈Z m , a 为任意的，b ∈Z m ,同余方程:a * x ≡b mod m 有唯一解的充要条件是：a 与m 互素。
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五邑大学本科生实验指导书《密码学基础》实验指导书课程名称：密码学基础课程编号：课程性质：专业选修课课程总学时：48实验总学时：8任课教师：***一、实验教学目的和基本要求《密码学基础》是计算科学与技术本科专业开设的一门专业选修课，本课程的主要目标是让学生学习和了解密码学的一些基本概念，理解和掌握一些常用密码算法，包括加密和解密、认证理论及算法、安全计算原理及算法，学会进行效率分析和安全性分析。
密码学是信息安全的核心技术，是实现安全通信的基础，所以实验和理论一样都很重要，实验能够让学生通过多个密码算法的程序设计实现，更好地掌握密码算法设计的机理和方法，熟悉网络攻击和防范方法。
同时，基于密码系统设计的基本方法和基本步骤，帮助学生理解密码学在信息安全中的地位，并引导了解密码学领域及信息安全领域的新进展、新方向。
具体要求如下：1．要求学生在上机前对本次实验的原理、内容、方案进行充分准备。
2．每次实验必须按要求的格式撰写《实验报告》，内容大体包括：实验目的、实验内容、实验及算法原理、程序清单、结果分析、总结。
3．实验成绩作为平时成绩的一部分。
二、实验内容及学时分配实验一 古典密码学实验（2学时）一、实验目的通过实现简单的古典密码算法，理解密码学的相关概念如明文（plaintext ）、密文（ciphertext ）、加密密钥(encryption key)、解密密钥（decryption key ）、加密算法(encryption algorithm)、解密算法(decryption algorithm)等。
二、实验内容1）用C\C++语言实现仿射变换（Affine ）加/解密算法；2）用C\C++语言实现统计26个英文字母出现的频率的程序；3）利用仿射变换加/解密程序对一段较长的英文文章进行加密，再利用统计软件对明文和密文中字母出现的频率进行统计并作对比，观察有什么规律。
放射变换：加密：()26mod ,b am m E c b a +==解密：()()26mod 1,b c a c D m b a -==-其中a, b 为密钥，25,0≤≤b a ，且gcd(a, 26)=1实验要求：加/解密程序对任意满足条件的a 、b 都能够处理。
三、实验步骤(1)统计26个英文字母出现的频率的程序#include<iostream>#include<fstream>#include<vector>using namespace std;void main(){ifstream in("a.txt");vector<int> s;vector<int> n(26,0);for(int i=0;i<26;++i)s.push_back(97+i);for(char x;in>>x; )for(int i=0;i<26;++i)if(int(x)==s[i]){n[i]++;}float sum=0.0;for(int j=0;j<26;++j)sum+=n[j];cout<<"统计结果如下："<<endl;for(int k=0;k<26;++k){// n[k]=n[k]/sum;cout<<' '<<char(k+97)<<"出现的概率为："<<n[k]/sum<<endl;//cout<<n[k]<<endl;}（2）仿射变换加/解密程序对一段较长的英文文章进行加密#include <stdafx.h>#include<iostream>#include<fstream>#include<vector>using namespace std;//////////判断两个数是不是互素（辗转相除）////////bool gcd(int a){int f=26,g,r;g=a;do{r=f%g;f=g;g=r;}while(r);if(f==1)return 1;elsereturn 0;}//////////////////求逆//////int inv(int a){int x,i;for(i=1;i<=30;++i)if((26*i+1)%a==0){x=(26*i+1)/a;break;}return x;}//////////////////////////////////////////////////////////void main(){cout<<"请你选择操作密码的方式:"<<endl<<" 0-表示加密"<<endl<<" 1-表示解密"<<endl;int z;cin>>z;if(z==0||z==1){//////////////////////////////////////////cout<<"请输入密钥a和b："<<endl;int a,b;cin>>a>>b;if((a<1||a>25)||(b<0||b>25))cout<<"a，b的输入范围有错！"<<endl;elseif(gcd(a)==0)cout<<"密钥a有误，与26不互素"<<endl;else{if(z==0)////加密算法{ifstream in("a.txt");ofstream out("b.txt");vector<int> s;for(char x;in>>x; )s.push_back(int(x));for(int i=0;i<s.size();++i){s[i]=(a*(s[i]-97)+b)%26;out<<char(s[i]+97);}cout<<endl;cout<<"加密成功！明文请见\"b.txt\""<<endl;}else////解密算法{ifstream in("b.txt");ofstream out("a.txt");vector<int> s;for(char x;in>>x; )s.push_back(int(x));for(int i=0;i<s.size();++i){s[i]=inv(a)*(s[i]-97-b+26)%26;out<<char(s[i]+97);}out<<endl;cout<<"解密成功！密文请见\"a.txt\""<<endl;}}////////////////////////////////////////}elsecout<<"所选操作无效！"<<endl;}四、实验结果及分析该程序是对文件进行操作，结果如下：(1)统计26个英文字母出现的频率的程序(2)仿射变换加/解密程序对一段较长的英文文章进行加密下面是文本内容：实验二 AES密码的实现（4学时）一、实验目的通过实现AES密码算法，理解对称密码机制。
二、实验内容1）在深入理解AES加密/解密算法理论的基础上，设计一个AES加密/解密软件系统；2）完成一个明文分组的加解密，明文和密钥是十六进制，长度都为64比特（16个16进制数），输入明文和密钥，输出密文，进行加密后，能够进行正确的解密；3）程序运行时，要求输出每一轮使用的密钥，以及每一轮加密或解密之后的16进制表示的值；4）要求提供所设计系统的报告及完整的软件。
三、实验步骤1.字节替换SubBytes（）变换是一个基于S盒的非线性置换，它用于将输入或中间态的每一个字节通过一个简单的查表操作，将其映射为另一个字节。
映射方法是把输入字节的高四位作为S盒的行值，低四位作为列值，然后取出S盒中对应的行和列的元素作为输出。
unsigned char subbytes(unsigned char state[4][4]){printf("after subbyte:\n"); //取出中间态state映射到S盒中的值赋给中间态state for(i=0;i<4;i++){for(j=0;j<4;j++)state[i][j]=sbox[state[i][j]]; }for(i=0;i<4;i++) //输出到屏幕显示state{for(j=0;j<4;j++)printf("\t\t%02x ",state[i][j]);printf("\n");}printf("\n");return 0;}2．行移位ShiftRows（）完成基于行的循环移位操作，变换方法是第0行不动，第一行循环左移一个字节，第二位循环左移两个字节，第三行循环左移三个字节。
unsigned char shiftrows(unsigned char state[4][4]){printf("after shiftrows:\n"); // 在中间态的行上，k=state[1][0]; // 第0行不变state[1][0]=state[1][1]; // 第一行循环左移一个字节state[1][1]=state[1][2]; // 第二行循环左移两个字节state[1][2]=state[1][3]; // 第三行循环左移三个字节state[1][3]=k;k=state[2][0];state[2][0]=state[2][2];state[2][2]=k;k=state[2][1];state[2][1]=state[2][3];state[2][3]=k;k=state[3][0];state[3][0]=state[3][3];state[3][3]=state[3][2];state[3][2]=state[3][1];state[3][1]=k;for(i=0;i<4;i++) //输出到屏幕显示state{for(j=0;j<4;j++)printf("\t\t%02x ",state[i][j]);printf("\n");}printf("\n");return 0;}3．列混合MixColumns（）实现逐列混合，方法是s’(x)=c(x)*s(x)mod(x^4+1)unsigned char mixcolumns(unsigned char state[4][4]){ printf("after mixcolumns:\n");// 实现(02 03 01 01) 与中间态state分别相乘后异或得相应值for(i=0;i<4;i++) // (01 02 03 01){ // (01 01 02 03)k=state[0][i]; // (03 01 01 02)temp[0] = state[0][i] ^ state[1][i] ^ state[2][i] ^ state[3][i] ;temp[1] = state[0][i] ^ state[1][i] ; temp[1] = xtime(temp[1]); state[0][i] ^= temp[1] ^ temp[0] ;temp[1] = state[1][i] ^ state[2][i] ; temp[1] = xtime(temp[1]); state[1][i] ^= temp[1] ^ temp[0] ;temp[1] = state[2][i] ^ state[3][i] ; temp[1] = xtime(temp[1]); state[2][i] ^= temp[1] ^ temp[0] ;temp[1] = state[3][i] ^ k ; temp[1] = xtime(temp[1]); state[3][i] ^= temp[1] ^ temp[0] ;}for(i=0;i<4;i++) //输出到屏幕显示state{for(j=0;j<4;j++)printf("\t\t%02x ",state[i][j]);printf("\n");}printf("\n");return 0;}4．轮密钥加AddRoundKey()用于将输入或中间态S的每一列与一个密钥字ki进行按位异或，每一个轮密钥由Nb个字组成。