第三章 密码学基础及应用PKI

❖二战中美国陆军和海 军使用的条形密码设备 M-138-T4。根据1914年 Parker Hitt的提议而设 计。25个可选取的纸条 按照预先编排的顺序编 号和使用，主要用于低 级的军事通信。
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Japan:紫密
二战期间，日本采用M-209转轮机械加密改进型— —紫密，在手工计算的情况下不可能在有限时间内破 解，美国利用计算机轻松地破解了日本的紫密密码， 是日本在中途岛海战中一败涂地，日本海军主力损失 殆尽。
• 密码分析者能够选择不同的密文并能得到对应的明文， 密码分析的目的是推导出密钥。（暂时控制解密机）
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密码分析的其他方式
❖ 旁路攻击（side channel）
▪ 通过收集“外面”的信息来破解密码，而不是直接处理“里面” 的东西。
▪ 检测加解密过程所消耗的能量，所释放的辐射来计算过程时间。
❖ 重放攻击（replay attack）
▪ 90年代，逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法。
公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输的保密通 信成为可能！
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什么是密码学
❖密码学基本概念 ❖密码体制分类
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密码学基本概念
密码学（Cryptology） • 研究信息系统安全保密的科学。由两个
相互对立、相互斗争，而且又相辅相成、 相互促进的分支科学所组成的，分别称 为密码编码学（Cryptography）和密码分 析学（Cryptanalysis）。
在设计一个密码系统时，目标是在Kerckhoff 密码分析是研究密钥未知的情况下恢复明文的科学， 成功的密码分析恢复明文或密钥。
❖ 密码分析常用的方法有以下4类：
▪ 唯密文攻击（cybertext only attack）：
• 密码分析者知道一些消息的密文（加密算法相同）， 并且试图恢复尽可能多的消息明文，并进一步试图推 算出加密消息的密钥（以便通过密钥得出更多的消息 明文。
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单码替换密码
❖ 简单的方法给出密钥 ❖♦ 写出密钥（删除重复字母）♦ 在其下面依次写
出剩余字母（以横、纵行） ❖♦ 按列读取字母得到密文。
举例
❖ 给定密钥字"STARWARS" ❖ ♦ 去掉重复字母得到"STARW" ❖ ♦ 填写剩余字母： ❖ STARW ❖ BCDEF ❖ GHIJK ❖ LMNOP ❖ QUVXY ❖Z ❖ ♦ 按列读取字母得到密文 ❖ ♦ Plain: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ ❖ ♦ Cipher: SBGLQZTCHMUADINVREJOXWFKPY ❖ ♦ 可以用这个密钥加密、解密 ❖ ♦ 例如Plaintext: I KNOW ONLY THAT I KNOW NOTHING ❖ ♦ Ciphertext: H UINF NIAP OCSO H UINF INOCHIT
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代替密码
1
2
3
4
5
1
A
B
C
D
E
2
F
G
H
IJ
K
3
L
M
N
O
P
4
Q
R
S
T
U
5
V
W
X
Y
Z
明文:POLYBIUS 密文:3534315412244543
举例3
斯巴达人用于加解密的一种军事设备。发送者把一条羊 皮螺旋形地缠在一个圆柱形棒上。
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举例4
❖ Phaistos圆盘，一种直径约为160mm的Cretan-Mnoan 粘土圆盘，始于公元前17世纪。表面有明显字间空 格的字母，至今还没有破解。
Monoalphabetic Substitution cipher Ployalphabetic Substitution cipher
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举例1
❖ 古希腊的斯巴达人曾将军事情报刻在普通的木板上 ，用石蜡填平，收信方只要用火烤热木板，融化石 蜡后，就可以看到密信。
❖ ������ 使用最广泛的密写方法恐怕要算化学密写了， 牛奶、白矾、果汁等都曾充当过密写药水的角色。
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古典密码学分类
Substitution cipher
Stream cipher
代替密码
古典密码学 Transposition Cipher 换位密码
（流密码） 单字母代替
多字母代替 （分组密码） Block cipher
单表代替密码
Polygram Substitution cipher 多表代替密码
▪ 攻击者捕获了一些类型的数据并重新提交它，寄希望于欺骗接收 设备误以为这些是合法信息。
▪ 时间戳和序列号是对付重放攻击的两个对策。
（2）密码编码学是包含数据变换的原理、工具和 方法的一门学科，这种数据变换的目的是为了隐藏 数据的信息内容，阻止对数据的篡改以及防止未经 认可使用数据。
（3）密码编码学是论述使明文变得不可懂的密文， 以及把已加密的消息变换成可懂形式的艺术和技巧。
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密码分析学
（1）密码分析学是密码学的一个分支，它与另一个 分支学科——密码编码学是两个相互对立、相互依 存、相辅相成、相互促进的学科。
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现代密码学
Shannon
1949～1975年： ▪ 1949年，Shannon的论文“The Communication Theory of Secret Systems” 。 ▪ 1967年，David Kahn的专著《The Code breakers》。 ▪ 1971年～1973年，IBM Watson实验室的Horst Feistel等人发表的几篇技术报告。 ▪ 1974年，IBM提交了算法LUCIFER，后来成为 了DES。
5
密码学重要性
1.机密性（Confidentiality）：保证信息为授权者享用而不泄漏给未经授权者 2.完整性（Integrity）：数据完整性，未被未授权篡改或者损坏。
系统完整性，系统未被非授权操纵，按既定的功能运行。 3.可鉴别性（Authentication）：使一定能确认数据的来源就是他。 ---实体鉴别 ---数据源鉴别 4.抗抵赖性（Nonrepudiation）：收发双方在事后都不能抵赖进行了本次通信活
密码学的发展直接影响了二战的战局。
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Kryha密码机（1926）
❖Kryha密码机大约在 1926年由Alexander vo Kryha发明。这是一个多 表加密设备，密钥长度 为442，周期固定。一个 由数量不等的齿的轮子 引导密文轮不规则运动 。
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哈格林密码机C-36（1936）
❖哈格林（Hagelin）密 码机C-36，由 Aktiebolaget Cryptoeknid Stockholm 于1936年制造密钥周期 长度为3,900,255。
第二个阶段： 1949年到1976年——近代密码 标志: Shannon （香农）发表”Communication Theory of Secrecy System” （保密系统的信息理论） 密码学进入了科学的轨道，密码学成为科学 主要技术: 单密钥的对称密钥加密算法
第三个阶段： 1976年以后——现代密码 标志 : W. Diffie和M. Hellman发表论文”New Dircetions in Cryptography” 一种新的密码体制 : 公开密钥体制
（2）密码分析学是企图挫败编码技术以及更一般说 来的信息安全服务的数学技术学科。
（3）密码分析学是对密码体制、密码体制的输入输 出关系进行分析，以便推出机密变量、包括明文在 内的敏感数据。有时又称作密码破译学（code breaking）
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Kerckhoff原理
Kerchhoff假设：密码分析者知道双方使用的密 码系统，包括明文的统计特性、加解密体制等， 唯一不知道的是密钥。
动。 5.可用性（Availability）；保证信息和信息系统随时为授权者提供服务，而不要
出现非授权者滥用却对授权者拒绝服务的情况。
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密码学发展
第一个阶段：从古代到1:49——古典密码（classical cryptography) 计算机技术出现以前 密码学作为一种艺术,而不是一门科学
Auguste Kerckhoff在1883年发表了一篇论文，认为一个 密码系统中唯一应该保密的只有密钥。他认为，密码算法 应该对外公开，如果一个密码系统需要保密的越多，可能 的弱点也越多。
这种观点对于密码研究者和私营部门来说已经是一种常 识，但是军事部门和政府则不这么认为。世界上大部分的 政府都研制自己的算法并且不对外公开。
新特点：数据的安全基于密钥而不是算法的保密。 27
公钥密码学
Whitfield_Diffie
1976年以后：
Martin-Hellman
▪ 1976年，Diffie & Hellman的“New Directions in Cryptography”提出了非对称密钥密码。
▪ 1977年，Rivest,Shamir & Adleman提出了RSA 公钥算法。
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近代密码学
20世纪初到1949年： ▪ 主要标志是机械密码/机电密码，用机电代替手 工。 ▪ 近代密码体制是用机械或电动机械实现的，最著 名的就是转轮机（Rotor Machine）。
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举例：密码广播
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小测试？
余则成接受广播呼叫所使用的密码本是 ❖A 红楼梦 ❖B 朱子家训 ❖C 蝴蝶梦 ❖D 康熙字典
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密码编码学 Vs. 密码分析学
密码编码学（Cryptography） • 主要研究对信息进行编码，实现对信息的隐
蔽。 密码分析学（ Cryptanalysis ） • 主要研究加密消息的破译或消息的伪造。
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密码编码学