密码学基础

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2.1.2密码学基本术语

加密、解密、加密算法、解密算法


将明文变换成密文的过程称为加密(Encryption)。 将密文变换成明文的过程称为解密(Decryption)。 对明文进行加密时所采用的一组规则称为加密算法 (Encryption Algorithm)。通常用E表示。 对密文进行解密时所采用的一组规则称为解密算法 (Decryption Algorithm)。通常用D表示。 加密和解密算法的操作通常都是在一组密钥(Key)的控制 下进行的，分别称为加密密钥和解密密钥。通常用Ke和 Kd表示。

双钥（Two-Key）或公钥（Public Key）密码体制。
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2.1.3密码体制分类

按照加密方式不同，私钥密码体制被分为


流密码（Stream Cipher）（或称序列密码） 分组密码（Block Cipher） 区别是：流密码是将明文消息按字符逐位加密；分 组密码是将明文消息先进行分组，再逐组加密。
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2.1.3密码体制分类



密钥空间K，它是全体密钥的集合，其中每一个密钥K均 由加密密钥和解密密钥组成，即有； 加密算法E，它是由明文空间到密文空间的加密变换，即 有； 解密算法D，它是由密文空间到明文空间的解密变换，即 有。
攻击者
明 文
M
加 密 算 法
Ke 加密密钥
C
信 道

密码系统

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2.1 概述

2.1.3密码体制分类 根据密钥的特点

对称密码体制（Symmetric Cryptosystem）

单钥（One-Key）体制或私钥（Private Key）体制或传 统密码体制（Classical Cryptosystem）；

非对称密码体制（Asymmetric Cryptosystem）。
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2.1 概述

2.1.1 密码学发展历史 分为三个阶段



第一阶段是从古代到1949年。这一时期被称作 “科学密码学的前夜”，所研究的内容被称为古典 密码学。 第二阶段是从1949年到1975年。1949年 Shannon发表的“保密系统的信息理论”一文标 志着密码学从此成为一门科学，由此拉开了现代密 码学研究的序幕。该文，奠定了密码学的理论基础。 第三阶段从1976年至今。非对称密钥提出
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10 位密钥 加密过程 8 位明文 P10 解密过程 8 位明文
Shift IP K1 fK P8 K1 fK IP-1
SW
Shift
SW
P8 fK K2 K2 fK
IP-1
IP
8 位密文
8 位密文
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2.2.1简化DES（S-DES）

S-DES算法 描述
AES
分组密码
IDEA
分组密码
RC4
流密码
RC5
分组密码
Blowfish
分组密码
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私钥密码算法比较
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2.2 私钥密码体制


2.2.1简化DES（S-DES） 为了帮助读者加深对DES算法的理解，掌握 DES算法的结构，本节介绍简化DES(S-DES)。 S-DES与DES有着相似的性质和结构，但是参 数要比DES小得多 算法结构如图所示
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8 位明文
2.2.1简化DES（S-DES）
fK
F
IP
E/P 4位 8位 8位 K1
S-DES加密 S-DES加密过程包括4个函 数，5步操作。下面根据 这些函数使用的先后顺 序对这四个函数进行详 细介绍。

4位
4位 S0 2位
4位 S1 2位
P4 4位 4位 SW
4 E/P
C
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
解 密 算 法 Kd 解密密钥
M
明 文
安全信道
密钥 K
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2.2 私钥密码体制
算法名称 DES 算法类型 分组密码 算法参数 分组长度：64比特 密钥长度：64比特 迭代圈数：16 比特 分组长度（可变）：128、192、256 比特 密钥长度（可变）：128、192、256 比特 迭代圈数（可变）10，12，14圈 分组长度：64比特 密钥长度：128比特 迭代圈数：8圈 密钥长度可变 算法特点 从1977年公布以来，使用最广泛的分组密 码算法，算法简单易实现。目前为保证其 安全性，常使用双重或三重DES 2000年公布的最新分组密码加密标准，是 目前常用的安全强度较高的分组密码，常 用分组长度为128比特，密钥长度为128比 特，迭代圈数为10圈 1992年正式使用以来，被较多使用的一种 安全、效率较高的分组密码，被成功用于 PGP邮件加密系统中。 1987年RSA公司开发的流密码算法；采用 OFB模式，加密速度快，约为DES的10倍 RSA公司1994年设计，既适合于硬件实现 又适合于软件实现。 分组长度：64比特 密钥长度可变，最长可达448比特 适合于内存较大的微处理器，不适合于分 组交换、经常更换密钥和单向函数中。
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2.2 私钥密码体制

2.2.3 高级加密标准AES 流程框图
K0
K1
明文M

E 字节代替 行移位 列混合 E

K N r 1

E1 字节代替 行移位
K Nr

密文C
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2.2 私钥密码体制
2.2.4 分组密码工作模式 指以某个分组密码算法为基础，构造一个分组 密码系统方法，构造出的分组密码系统不仅可 以解决对任意长度的明文加密问题的方法，还 可以构造随机数生成器、流密码、消息认证码 及杂凑函数等。 主要有：
fK F
4 4 S0 2 P4 4 4 4 S1 2 8
4 8 K2
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IP-1
8 位密文
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2.2.1简化DES（S-DES）
初始置换（IP） S-DES算法的输入是一个8位明文分组，我们首先使用函数对其 进行初始置换

2

6
3
1
4
8
5
7
函数 S-DES算法最复杂的部分，它由置换函数和代换函数组合而成。 函数可按如下方式表达。设L和R分别是的八位输入的左边4位 和右边4位。F是一个4位到4位的映射。则函数可以表示为

S-DES的密钥产生 在S-DES算法中，由收发双方共享的10位密钥通过 置换和移位操作产生了两个8位密钥，这两个8位密 钥被分别用在加解密的不同阶段， 如图描述了密钥产生过程。下面 介绍其产生过程
10 位密钥 10 位 P10 5位 LS-1 5位 P8 K1 8位
5位
LS-1 5位
LS-2
LS-2 5位
f K L, R L F R, SK , R
其中，SK是子密钥，第一轮取值为K1 ，第二轮取值为K2 ，是 按位异或函数。
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2.2.1简化DES（S-DES）
函数F主要包括4步操作。 第一步：E/P扩展置换操作 4 1 2 3 2 3 4 1 第二步：与子密钥异或相加 将8位子密钥K1与E/P扩展置换输出的八位按位异或。 S盒运算 将第二步的输出结果分为左右两部分，各4位。将左4位 输入到中得到一个2位的输出。将右4位输入中产生另 一个2位的输出。 S盒的操作规则如下：第1位和第4位作为一个2位二进 制数决定了S盒的行，第2位和第3位决定了S盒的列。 输出也是一个2位的二进制数。
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2.2.2 DES简介

DES的意义
具体表现在以下几个方面 它公开展示了能完全适应某一历史阶段中信息安全要求的一 种密码体制的构造方法； 它是世界上第一个数据加密标准，并确立了这样一个原则， 即算法的细节可以公开而密钥必须是保密的； 它极大地推动了密码算法标准化工作； 它的出现及引发的讨论确立了安全设计和使用分组密码的若 干准则，并引发了分组密码设计的高潮； 它推动了密码分析理论和技术的快速发展，先后出现了差分 分析、线性分析等多种新的有效的密码分析方法。

密钥

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2.1.2密码学基本术语

截收者

在消息的传输和处理系统中，除了信息的合法授权接收者外，还 有非授权者，他们通过各种手段,如：搭线窃听、电磁窃听、声 音窃听等来窃取机密信息，称其为截收者。

主动攻击、被动攻击

攻击者主动向系统窜扰，采用删除、更改、增填、重放、伪造等 手段向系统注入假消息，以达到一定的目的，这样的攻击手段称 作主动攻击；对一个密码系统采取截获密文进行分析的这类攻击 称作被动攻击。 通常简称为密码体制（Cryptosystem），由五元组 （M,C,K,E,D）构成密码系统模型参见图2-1。 五元组（M,C,K,E,D）描述如下： 明文空间M，它是全体明文的集合； 密文空间C，它是全体密文的集合；
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2.1 概述

密码学（Cryptology）是研究密码编制、密 码破译和密钥管理的一门综合性应用科学。其 主要研究内容包括两个分支：密码编码学 （Cryptography）和密码分析学 （Cryptanalytics），两者既相互对立，又相 互促进发展。


密码编码学是研究如何对信息进行编码实现信息的 隐蔽； 密码分析学是研究如何分析破译密码。