密码技术概述
14/74
3.2 数据保密通信模型
保密通信系统相关术语
明文(Plain text)：需要安全保护的原始信息 /数据，常记为m。所 有明文构成明文空间，常记为M。 密文(Cipher text)：原始数据经加密变换得到的数据，常记为c。 所有密文构成密文空间，常记为C。 加密(Encryption)：c＝Ek1(m) 解密(Decryption)：m＝Dk2(c)。 密钥 (Key)：用于加解密的秘密信息。所有密钥构成密钥空间，常 记为K。 公众信道：数据公开传递的信道，也称公共信道。 秘密信道：代指安全信道，用于传递密钥。
2018/11/24
5/74
3.1 密码术及发展
保密性要求即使非授权者获取 了数据副本，他也无法从副本 中获得有用的信息。
This message must be secret!
GY$^)*JO*-+$%^GQLANH
霜停白远 叶车云上 红坐深寒 于爱处山 二枫有石 月林人径 花晚家斜
+
=
2018/11/24
复习与回顾
信息安全涉及范畴、安全属性需求以及信息安 全保障体系结构 动态和可适应的信息安全防御模型
风险评估、等级保护、安全测评的内容与方法
2018/11/24
1/74
第3章 密码技术概述
学习目标
本章介绍密码技术的基本概念、分类、实现和应 用原理。内容包括：
数据保密通信模型及基本术语 对称密码体制及其分类与工作原理 公钥密码体制及其工作原理 数字签名技术及其特性 消息完整性保护及认证 如何定义和衡量密码体制的安全性
6/74
3.1 密码术及发展
古典密码
北宋曾公亮、丁度等编撰《武经总要》“字验”； 公元前405年，斯巴达将领来山得使用了原始的错乱密码； 公元前一世纪，古罗马皇帝凯撒曾使用有序单表代替密码；
古典密码使用的基本方法
置换加密法：将字母的顺序重新排列。 替换加密法：将一组字母用其它字母或符号代替。
Secret Transmission?
2018/11/24
13/74
3.2 数据保密通信模型
窃听者
明文 m
加密 (Encrypttion)
密文 c=E k1(m)
搭线信道 公众信道 解密 (Decryption)
明文 m=Dk2(c)
发送方
加密密钥 k1
秘密信道
解密密钥 k2
接收方
2018/11/24
2018/11/24 10/74
3.1 密码术及发展
现代密码学发展过程中的重大事件
1985 年， Miller 和 Koblitz 首次将有限域上的椭圆曲线 用到了公钥密码系统中。 1989年，Mathews,Wheeler,Pecora和Carroll等人首 次把混沌理论使用到序列密码及保密通信理论。 2001 年， NIST 发布高级加密标准 AES ，替代 DES 作 为商用密码标准。
2018/11/24 3/74
目 录
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 密码术及发展 数据保密通信模型 对称密码体制 公钥密码体制 数字签名 消息完整性保护 认证 计算复杂理论 密码分析
2018/11/24 4/74
3.1 密码术及发展 什么是密码术？
Cryptography?
2018/11/24
11/74
目 录
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 密码术及发展 数据保密通信模型 对称密码体制 公钥密码体制 数字签名 消息完ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性保护 认证 计算复杂理论 密码分析
2018/11/24 12/74
3.2 数据保密通信模型
如何在开放网络中保密传输数据？
Kerchhoff假设
一个密码体制，对于所有密钥，加密和解密算法迅速有效； 密码体制的安全性不应该依赖于算法的保密，而仅依赖密钥 的保密。
2018/11/24 16/74
3.2 数据保密通信模型
密码技术、密码体制与密码算法
密码技术是利用密码体制实现信息安全保护的技术； 密码体制是使用特定密码算法实现信息安全保护的具 体方法； 密码算法是使用密钥实现数据加解密变换的数学处理 过程 密码体制分类（根据密钥情况分类）
2018/11/24 8/74
3.1 密码术及发展
密码学
已经发展成一门跨学科的学问，它以信息理论为基础， 同时使用大量数学和其它领域的工具，而计算机技术和 计算理论又支撑和推动了现代密码学的应用和发展。 密码学包括密码编码学和密码分析学两大分支。 密码编码学研究如何对信息进行加解密。 密码分析学研究如何在不知道密钥的情况对密码进行 破译。
古典密码原理简单，容易遭受统计分析攻击。
2018/11/24 7/74
3.1 密码术及发展
现代密码
1863 年 普 鲁 士 人 卡 西 斯 基 著 《 密 码 和 破 译 技 术 》 , 1883年法国人克尔克霍夫所著《军事密码学》； 20世纪初，产生了最初的可以实用的机械式和电动式密 码机，同时出现了商业密码机公司和市场； 第二次世界大战德国的Enigma转轮密码机，堪称机械式 古典密码的巅峰之作。 1949年美国人香农 (C.Shannon)发表论文《保密系统的 通信理论》标志现代密码学的诞生。
2018/11/24 15/74
3.2 数据保密通信模型
密码体制(Cipher System)
对于m∈M，k1,k2∈K，有 ，五元组（M,C,K,E,D）称为一 个密码体制，其中 E和 D代表具体的密码算法 ——具体的变换 过程或数学方法。可以看出，加密可以看做是将密钥与明文 混合变换的过程，而解密是从密文中剥离密钥的过程，因此 也称脱密过程。
2018/11/24 9/74
3.1 密码术及发展
现代密码学发展过程中的重大事件
1976年，美国政府颁布数据加密标准（DES）。 1976 年， Diffie 和 Hellman 发表论文《密码学的新动 向》，开创了公钥密码的新思想。 1978年，Rivest，Shamir和Adleman实现了RSA公钥 密码体制。 1969年，哥伦比亚大学的Stephen Wiesner首次提出 “共轭编码”概念。 1984 年 Bennett 和 Brassard 在此 思想启发下，提出量子理论BB84协议。
第3章密码技术
密码算法是在密钥控制下的一簇数学运算。根 据消息密级的不同，算法强度可以不同。
1.密码算法的分类
（1）对称密码算法
也称为单密钥密码算法。其特征是加密与解密 的密钥是一样的或相互可以导出的。
对称加密体制，如图3.3所示。
明文
E1 加密
密文
信道
密文
E2 解密
明文
通过试算我们找到，当d=7时，e×d≡1 mod φ(n)同余 等式成立。因此，可令d=7。从而我们可以设计出一 对公私密钥，加密密钥（公钥）为：KU =(e,n)=(3,33)，解密密钥（私钥）为：KR =(d,n)=(7,33)。
将明文信息数字化，假定明文英文字母编码表为按字 母顺序排列数值，则字母y的明文信息为25，对其加 密得密文：C=253（mod 33）=16；对16解密得明文： M=167（mod 33）=25。
（6）RSA体制
一个可逆的公钥密码体制，它利用了如下基本事实：
寻找大素数是相对容易的，而分解两个大素数的积在 计算上是不可行的。
RSA体制的密钥对的产生过程如下：
选择两个大素数p和q（典型在10100以上）。
计算n=pq，φ(n)=(p-1)(q-1)。
选择e，并使e与φ(n)互为素数。
（3）公钥密码体制的两种基本应用模式 加密模式：公钥加密，私钥解密。 认证模式：私钥加密，公钥解密。
可用于这两种模式的公钥密码体制称为可逆公钥密码 体制，只能用于认证模式的公钥密码体制称为不可逆 公钥密码体制。
（4）公钥密码体制的安全性基础 对算法设计者来说，公钥密码体制的设计比对称密码
3.4 密钥及密钥管理框架
密钥是密码算法中的可变参数。现代密码学中有句名 言：“一切秘密寓于密钥之中”。密钥需要保密，而 密码算法是公开的。密码体制的安全性是建立在对密 钥的保密基础上的。
计算机安全技术第5章
5.3 常用加密技术介绍
5.3 常用加密技术介绍
5.3 常用加密技术介绍
IDEA密码系统在加密和解密运算中，仅仅使用作用于16比特子块对的 一些基本运算，因此效率很高。IDEA密码系统具有规则的模块化结构， 有利于加快其硬件实现速度。由于IDEA的加密和解密过程是相似的，所 以有可能采用同一种硬件器件来实现加密和解密。
5.3 常用加密技术介绍
从上述要求可以看出，公开密钥密码体制下，加密密钥不等于解密密钥。加密 密钥可对外公开，使任何用户都可将传送给此用户的信息用公开密钥加密发送， 而该用户唯一保存的私有密钥是保密的，也只有它能将密文恢复为明文。虽然解 密密钥理论上可由加密密钥推算出来，但实际上在这种密码体系中是不可能的， 或者虽然能够推算出，但要花费很长的时间而成为不可行的，所以将加密密钥公 开也不会危害密钥的安全。
5.3.2 IDEA算法
国 际 数 据 加 密 算 法 IDEA（International Data Encryption Algorithm）是瑞士的著名学者提出的。IDEA是在DES算法的基础 上发展起来的一种安全高效的分组密码系统。
IDEA密码系统的明文和密文长度均为64比特，密钥长度则 为128比特。其加密由8轮类似的运算和输出变换组成，主要有异 或、模加和模乘三种运算。其加密概况如图所示：
在上例中，因为质数选择得很小，所以P必须小于33，因此，每个明文块只能包 含一个字符。结果形成了一个普通的单字母表替换密码。但它与DES还是有很大区 别的，如果p，q的选择为10100 ，就可得到n= 10200 ，这样，每个明文块就可多达 664比特，而DES只有64比特。
现有密码技术总结
现有密码技术总结
现有密码技术可以分为对称加密算法和非对称加密算法两大类。
1. 对称加密算法：是一种使用同一个密钥进行加密和解密的加密方式。
常见的对称加密算法有DES、3DES、AES等。
对称加密算法的优点是加密速度快，适合加密大量数据，但其密钥管理难度较大，容易受到中间人攻击等安全问题。
2. 非对称加密算法：也称为公钥加密，是一种使用不同的密钥进行加密和解密的加密方式。
常见的非对称加密算法有RSA、ECC等。
非对称加密算法的优点是具有更好的安全性，因为公钥可以公开，而私钥只有持有者知道，但非对称加密算法的加密速度相对较慢。
除了对称加密和非对称加密之外，还有哈希算法和数字签名算法等其他密码学技术。
哈希算法是一种将任意长度的消息压缩成固定长度的消息摘要的算法，通常用于确保信息的完整性。
数字签名算法则是在消息上应用非对称加密来实现数字签名，以验证发送方的身份和信息的完整性。
密码技术
9
2. DES算法关键操作 DES算法关键操作
(1) 初始置换,逆初始置换及其参数表 初始置换, DES算法在加密前 DES算法在加密前, 首先执行一个初始置换操 算法在加密前, 初始置换表将 位明文的位置 按照规定的初始置换表 64 位明文的 作 , 按照规定的 初始置换表 将 64位明文的位置 进行变换,得到一个乱序的64位明文 位明文. 进行变换,得到一个乱序的64位明文. 经过16轮运算后 通过一个逆初始置换操作, 轮运算后, 经过16轮运算后, 通过一个逆初始置换操作, 按照规定的逆初始置换表将左半部分32位和右 逆初始置换表将左半部分 按照规定的逆初始置换表将左半部分32位和右 半部分32位合在一起 得到一个64位密文 位合在一起, 位密文. 半部分32位合在一起,得到一个64位密文. 初始置换和逆初始置换并不影响 DES 的安全 性 , 其主要目的是通过置换将明文和密文数据 变换成字节形式输出,易于DES芯片的实现 芯片的实现. 变换成字节形式输出,易于DES芯片的实现.
10
(2) 密钥置换及其参数表 64位密钥中 每个字节的第8 位密钥中, 在64位密钥中, 每个字节的第8位为奇偶校验 经过密钥置换表置换后去掉奇偶校验位, 密钥置换表置换后去掉奇偶校验位 位,经过密钥置换表置换后去掉奇偶校验位, 实际的密钥长度为56位 实际的密钥长度为56位. 在每一轮运算中, 56位密钥中产生不同的 位密钥中产生不同的48 在每一轮运算中, 从56位密钥中产生不同的48 这些子密钥按下列方式确定: 位子密钥 Ki,这些子密钥按下列方式确定: 56位密钥分成两部分 每部分为28位 位密钥分成两部分, 将56位密钥分成两部分,每部分为28位; 根据运算的轮数, 按照每轮左移位数表 每轮左移位数表将这两 根据运算的轮数, 按照每轮左移位数表将这两 部分分别循环左移 1位或 2位; 按照压缩置换表 56位密钥中选出 位子密 压缩置换表从 位密钥中选出48 按照压缩置换表从56位密钥中选出48位子密 它也称压缩置换或压缩选择. 钥,它也称压缩置换或压缩选择.
2_1密码技术基础分析
维吉尼亚表:
m=abcdefg
key=bag E(m)= BBIEELH key=egg E(m)=? E(m)=DCI key=bag
m=?
a a A b B c C d D e E f F g G … …
b B C D E F G H …
c C D E F G H I …
d D E F G H I J …
计算机网络安全基础
2.1 密码技术的基本概念
（2）双钥/非对称密码体制 使用相互关联的一对密钥，一个是公用密 钥，任何人都可以知道，另一个是私有密钥， 只有拥有该对密钥的人知道。如果有人发信给 这个人，他就用收信人的公用密钥对信件进行 过加密，当收件人收到信后，他就可以用他的 私有密钥进行解密，而且只有他持有的私有密 钥可以解密。
数据，或有足够多的明文、密文对，穷搜索法总是可以 成功的。但实际中任何一种能保障安全要求的实用密码 体制，都会设计得使这种穷搜索法在实际上是不可行的。 在理论上，这种方法也往往作为与其他攻击方法相比较 的基础，以此作为标准，判断其他各种攻击方法的有效 程度。
计算机网络安全基础
2.1 密码技术的基 密码技术的基本概念
（2）已知明文攻击（Known-Plaintext Attack）。密码分 析者不仅可得到一些消息的密文，而且也知道这些消 息的明文。分析者的任务就是用加密信息推出用来加 密的密钥或推导出一个算法，此算法可以对用同一密 钥加密的任何新的消息进行解密。 （ 3 ）选择明文攻击（ Chosen-Plaintext Attack）。分析 者不仅可得到一些消息的密文和相应的明文，而且他 们也可选择被加密的明文。这比已知明文攻击更有效。 因为密码分析者能选择特定的明文块去加密，那些块 可能产生更多关于密钥的信息，分析者的任务是推出 用来加密消息的密钥或导出一个算法，此算法可以对 用同一密钥加密的任何新的消息进行解密。
密码算法和密码技术
密码算法和密码技术
密码算法是一种数学和计算机科学的方法，用于对数据进行加密和解密。
密码技术是应用密码算法的实践，旨在保护数据的机密性、完整性和可用性。
常见的密码算法和密码技术包括：
1. 对称加密算法：使用相同的密钥对数据进行加密和解密，如DES、AES和RC4。
2. 非对称加密算法：使用一对密钥（公钥和私钥）对数据进行加密和解密，如RSA和ECC。
3. 哈希函数：将任意长度的数据映射为固定长度的哈希值，用于数据完整性校验，如MD5和SHA。
4. 数字证书和公钥基础设施（PKI）：用于对公钥进行认证和信任管理，确保数据传输的安全性。
5. 身份验证技术：用于确认用户的身份，如密码验证、生物特征识别和多因素认证。
6. 访问控制和权限管理：限制用户对系统和数据的访问权限，防止未经授权的访问。
7. 安全协议和通信安全性：确保网络通信的机密性和完整性，如SSL/TLS协议和IPsec。
8. 密码硬件和安全芯片：提供物理层面上的安全保护，如智能卡和加密芯片。
密码算法和密码技术的发展始终是一个动态的过程，随着计算机技术的进步和安全需求的变化，新的算法和技术不断涌现，以应对不断演进的安全威胁。
同时，破解密码算法和技术的方
法也在不断发展，密码学家们需要时刻保持警惕，并不断改进和加强密码算法和技术的安全性。
密码技术
换位操作，P变换的结果与上一圈的左半部 分异或，称为新的右半部分，开始下一圈
DES，即是分组密码的一个典型代表。 它采用多次位与代替相组合的处理方法。 DES的解密过程和加密过程完全类似，只要将16 轮的子密钥序列逆过来使用即可。
IDEA算法
国际数据加密算法（International Data Encryption Algorithm，IDEA）是在DES算法的基 础上发展起来的一种高效安全的分组密码系统。 IDEA密码系统的明文和密文长度均为64位，密钥 长度为128位。其加密由8轮类似的运算和输出变 换组成。
C=E（M）
明文M 信源
加 密
密文C
信道
M=D（C）
密文C
解 密 信宿
明文M
算法与密钥
“算法”是一个数学上的概念，算法由一组公式 和运算规则构成，人们把算法编成各种各样的加 密程序，利用这些程序对数据进行加密，再对经 过加密的数据进行传输或储存。
密钥：一串适当长度的字符串或数字串，可以控制加密
确定签名人
与我们平时写在纸面文档上的签名相比，数字签 名在确定信件发信人方面的准确性和可靠性更强。 但当我们试图把一个特定的密钥和某个特定的人 联系起来的时候，问题也就出现了。你怎样才能 确信A的私人密钥没有泄密？你怎么知道B没有把 自己的密钥告诉给C？
这个问题的解决方案是引入一个第三方，由它来 确定密钥拥有者的身份并向收信人证明这一结论。 人们把这些第三方称为“颁证机构”（Certificate Authorities, CA ）,它们是公共密钥体系（public key infrastructure）的一个组成关键。
古典实例（2）
双轨密码：1861~1865年 例：明文：Discrete and System 密文：Dsrtadytm Iceensse 加密方法： D s r t a d y i c e e n s
密码技术
密码技术密码技术基本概念密码技术就是数据加解密的基本过程，就是对明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码，通常称为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出本来内容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法阅读的目的。
该过程的逆过程称为解密，即将该编码信息转化为原来数据的过程。
✹明文（Plaintext）：被隐蔽的数据消息；✹• 密文（Ciphertext）：隐蔽后的数据消息；✹• 加密（Encryption）：将明文转换为密文的过程；✹• 解密（Decryption）：将密文转换为明文的过程；✹• 密钥（Key）：控制加密、解密的安全参数；✹• 当前，密码技术的发展使得它已经能用于提供完整性、真实性、和非否认性等属性，成为保障信息安全的核心基础技术。
✹明文P用加密算法E和加密密钥K加密,得到密文C=E K（P）；✹在传送的过程中可能会出现密文截获者（又称攻击者或入侵者）；✹到了接收端，利用解密算法D和解密密钥K，解出明文为D K C）= D K（E K（P））=P；✹在这里我们假定加密密钥和解密密钥都是一样的，但实际上它们可以是不一样的（即使不一样，这两个密钥也必然有某种相关性）；✹密钥通常是由一个密钥源提供，当密钥需要向远地传送时，一定要通过另一个安全信道；✹根据KERCHOFF原则：算法是公开的，密钥是保密的。
在密码技术发展的早期，人们把数据的安全依赖于算法的是否保密，很显然这是不够安全的。
1883年Kerchoffs第一次明确提出编码原则：“加密算法应建立在算法的公开不影响明文和密钥安全的基础之上”。
这一原则成为判定密码强度的衡量标准，实际上也成为传统密码和现代密码的分界线。
密码的分类与算法1.按历史发展阶段划分（1）手工密码（2）机械密码（3）电子机内乱密码（4）计算机密码2.按保密程度划分(1)理论上保密的密码(2)实际上保密的密码(3)不保密的密码3.按密钥方式划分（1）对称式密码（2）非对称是密码4.按密码算法分（1）对称式密码算法（2）3DES（3）RC2和RC4（4）国际数据加密算法（5）公共密码算法（6）数字签名算法（7）AES（8）单向散列算法古典密码技术密码分析所谓密码分析，就是在未知密钥的前提下，从密文中恢复出明文或者推导出密钥，对密码进行分析的尝试。
密码学技术
密码学技术密码学技术是一种保护数据安全的技术，在计算机网络和信息安全领域中有着广泛的应用。
其目的是通过使用一些特定的数学和计算算法，保障数据传输和存储过程中不被恶意攻击者获取和篡改。
密码学技术可以分为三类：对称密钥加密技术、非对称密钥加密技术以及哈希算法技术。
对称密钥加密技术是密码学技术中最常用的一种技术，主要是以一条密钥作为加密和解密的钥匙。
在这种技术下，发件人和收件人需要事先同意一个密钥，将其作为加密算法的输入，然后使用相同的密钥来对明文进行加密解密操作。
这种类型的技术在加密效率方面表现优秀，但是密钥共享和管理的问题成为了它的瓶颈。
同时，如果密钥被恶意攻击者抓住，则明文就会变得毫无保障。
因此，密钥的安全性至关重要，这也是该技术亟需解决的一个问题。
非对称密钥加密技术是一种基于公钥和私钥的加密方法，由于其流程较为复杂而不易被破解，相较于对称密钥加密技术，非对称密钥加密技术更加安全。
在该技术下，用户拥有两种加密密钥：公钥和私钥。
公钥是公开的，任何人都可以拥有，可以用于加密数据；私钥则是用户自己持有的，用于解密收到的加密数据。
这样，即使把公钥传递给所有人，但只有该公钥对应的私钥的持有者才能解密出信息。
该技术优点在于，加密和解密过程无需事先共享密钥，并且新增人员也可以方便地加入加密和解密操作流程之中，但是其缺点是加密和解密的运算比较复杂，会导致加密和解密的效率相比较而言较低。
哈希算法技术，顾名思义，是将输入的数据通过哈希函数的处理，产生输出值的过程。
该技术常常用于验证数据完整性和防止数据伪造。
在这种技术下，数据输入进行哈希处理之后，无论输入有多大或者复杂，最终哈希值的长度都被规定为一定的位数。
由于哈希函数是不可逆的，因此无法通过哈希值还原未加密的明文，这也保证了该技术的安全性。
最后，与现代密码学技术的发展同样重要的是密钥管理，对密码技术的开发和使用都具有至关重要的意义。
另外，密码技术还需要面对的一些挑战是更先进的数据挖掘和隐私攻击技术、机器自学习以及大数据应用等。
密 码 技 术
1.2.2 变换密码
换位有时也称为排列，它不对明文字母进行变换， 只是将明文字母的次序进行重新排列。它的密钥 必须是一个不含重复字母的单词或短语，加密时 将明文按密钥长度截成若干行排在密钥下面，按 照密钥字母在英文字母表中的先后顺序给各列进 行编号，然后按照编好的序号按列输出明文即成 密文。
1.3.1 DES算法
数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）是由IBM 公司研制的加密算法，于1977年被美国政府采用，作为商业和 非保密信息的加密标准被广泛采用。尽管该算法较复杂，但易 于实现。它只对小的分组进行简单的逻辑运算，用硬件和软件 实现起来都比较容易，尤其是用硬件实现使该算法的速度快。
TDEA使用3个密钥，按照加密→解密→加密的次序执 行3次DES算法。
TDEA3个不同的密钥总有效长度为168比特，加强了 算法的安全性。
1.3.2 IDEA算法
国际数据加密算法IDEA是瑞士的著名学者提出的。 IDEA是在DES算法的基础上发展起来的一种安全 高效的分组密码系统。 IDEA密码系统的明文和密文长度均为64比特，密 钥长度则为128比特。其加密由8轮类似的运算和 输出变换组成，主要有异或、模加和模乘3种运算。
密钥长度越大，安全性也就越高，但相应的计算机速 度也就越慢。由于高速计算机的出现，以前认为已经 很具有安全性的512位密钥长度已经不再满足人们的 需要。1997年，RSA组织公布当时密钥长度的标准 是个人使用768位密钥，公司使用1024位密钥，而一 些非常重要的机构使用2048位密钥。
1.4 加密技术的典型应用
返回本节目录
一个较为成熟的密码体系，其算法应该是公开的，而 密钥是保密的。
在加密系统的设计中，密钥的长度是一个主要的设计 问题。一个2位数字的密钥意味着有100种可能性，一 个3位数字的密钥意味着有1000种可能性，一个6位数 字的密钥意味着有100万种可能性。密钥越长，加密 系统被破译的几率就越低。