密码学概论
第2章密码学概论
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w q n g r z g v t
w a v z h c q y g l m
维吉尼亚密码示例 明文为polyalphabetic cipher,（多字母替换密码） 密钥K=RADIO， 用维吉尼亚密码加密。 方法：将明文串转化为对应的数字(a-0,…,z-25)，每5个 一组，进行模26运算。
法国密码分析人员断定这种密码是不可破译的。他们甚至根 本就懒得根据搞到的情报去复制一台ENIGMA。
在十年前法国和波兰签订过一个军事合作协议。波兰方面一 直坚持要取得所有关于ENIGMA的情报。既然看来自己拿着 也没什么用，法国人就把从施密特那里买来的情报交给了波 兰人。和法国人不同，破译ENIGMA对波兰来说至关重要， 就算死马也要当作活马医。后来英国应情报部门在波兰人的 帮助下于1940年破译了德国直至1944年还自认安全可靠的 ENIGMA的密码系统。
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第1单元密码学概论精品PPT课件
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密文
1.1.4 基本概念
➢ 1. 加密与解密算法 ➢ 一个敏感的数据转换为不能理解的乱码的过程，
称为加密；将加密后的数据恢复为原文，称之为 解密。
➢ “算法”这个词用来描述一个方法或一个循序渐 进的过程。它是指一系列有特定顺序的指令或者 要以特定顺序做的事情。一个算法要遵循一个固 定的指令系列，或者包含一系列问题，并根据这 些问题的答案来描述要遵循的相应步骤。
给定一个置换 ：
f 12243143
1 234 E NG I N EER I NG
换位密码（续）
现在根据给定的置 换，按第2列，第4列， 第1列，第3列的次序排 列，就得得到密文：
NIEGERNEN IG
在这个加密方案中，密 钥就是矩阵的行数m和 列数n，即m*n＝3*4， 以及给定的置换矩阵。 也就是：
专有名词、特殊用语等的代码来发送消息，一般只能用于传送一 组预先约定的消息。
2．替换加密 将明文字母表M中的每个字母替换成密文字母表C中的字母。
这一类密码包括移位密码、替换密码、仿射密码、乘数密码、多 项式代替密码、密钥短语密码等。这种方法可以用来传送任何信 息，但安全性不及代码加密。因为每一种语言都有其特定的统计 规律，如英文字母中各字母出现的频度相对基本固定，根据这些 规律可以很容易地对替换加密进行破解。典型的有凯撒密码。
古典密码体制-----代替密码
代替密码：明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符。 四类典型的代替密码：简单代替密码、多名码代替密码、多字母代
替密码、多表代替密码换位密码。
密文： 算法： 明文：
密码学——第1章密码学概述
第 1 章密码学概述1.1 信息安全Alvin Toffler 在《第三次浪潮》中预言：计算机网络的建立和普及将彻底改变人类生存和生活模式。
信息化以它有别于传统方式的信息获取、存储、处理、传输和使用，给现代社会的正常发展带来了一系列的前所未有的风险和威胁。
传统的一切准则在电子信息环境中如何体现与维护，到现在并没有根本解决，一切都在完善中。
今天，人们一方面享受着信息技术带来的巨大变革，同时也承受着信息被篡改、泄露、伪造的威胁，以及计算机病毒及黑客入侵等安全问题。
信息安全的风险制约着信息的有效使用，并对经济、国防乃至国家的安全构成威胁。
一方面：没有信息安全，就没有完全意义上的国家安全。
另一方面：信息安全还涉及个人权益、企业生存和金融风险防范等。
密码技术和管理是信息安全技术的核心，是实现保密性、完整性、不可否认性的关键。
“ 9.11 事件”后，各国政府纷纷站在国家安全的角度把信息安全列入国家战略。
重视对网络信息和内容传播的监控，更加严格的加固网络安全防线，把信息安全威胁降到最低限度。
2000 年我国开始着力建立自主的公钥基础设施，并陆续启动了信息系统安全等级保护和网络身份认证管理服务体系。
因此，密码学的基本概念和技术已经成为信息科学工作者知识结构中不可或缺的组成部分。
1.2 密码学引论1. 密码学的发展概况密码学是一门既古老又年轻的学科。
自有了战争，就有了加密通信。
交战双方都为了保护自己的通信安全，窃取对方的情报而研究各种信息加密技术和密码分析技术。
古代行帮暗语和一些文字游戏等，实际上就是对信息的加密。
这种加密方法通过原始的约定，把需要表达的信息限定在一定的范围内流通。
古典密码主要应用于政治、军事及外交等领域。
电报发明以后，商业方面对密码学的兴趣主要集中在密码本的编制上。
20 世纪初，集中在与机械和电动机械加密的设计和制造上。
进入信息时代，大量敏感信息要通过公共通信设施或计算机网络进行交换，密码学的应用已经不仅仅局限在政治、军事、外交等领域，其商业和社会价值日益显著，并与人们的日常生活紧密相关。
第2章密码学概论
2020/1/9
现代生活 （政治、经济、军事、社会生活）
信息网络 （公网、专网）
信息安全
2020/1/9
密码学
原来密码学这么重要呀！
密码学作为信息安全理论与技术的基石，在 信息安全领域发挥着中流砥柱的作用。密码
学理论的应用，成为现代信息网络得以生存 和不断发展的基本前提。
• 1976年以后 密码学的新方向——公钥密码学
2020/1/9
密码学的发展历史(1)
自人类社会出现战争便产生了密码
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。
Julius Caesar发明了凯撒密码
M=(M1, M2,… ,Mn) ，C=(C1, C2 , … ,Cn,)，其中 Ci=E(Mi,Ke)， i=1,2…,n。
序列密码体制（Stream Cipher）
将明文和密钥都划分为位(bit)或字符的序列，并且对 明文序列中的每一位或字符都用密钥序列中对应的分 量来加密。
M=(M1, M2,… ,Mn) ， Ke=(ke1, ke2,…,ken)，C=(C1, C2,…,Cn)，其中Ci=E(mi,kei) ，i=1,2,…,n。
2020/1/9
密码学的基本概念(3)
明文(消息)(Plaintext) ：被隐蔽消息。 密文(Ciphertext)或密报(Cryptogram)：明文经密 码变换成的一种隐蔽形式。 加密(Encryption)：将明文变换为密文的过程。 解密(Decryption)：加密的逆过程，即由密文恢复 出原明文的过程。 加密员或密码员(Cryptographer)：对明文进行加密 操作的人员。
第二章密码学概论
恺撒密码
破译以下密文：
wuhdwb lpsrvvleoh TREATY IMPOSSIBLE
加密算法： Ci=E(Pi)=Pi+3
字母表：(密码本）
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ defghijklmnopqrstuvwxyzabc
明文（Plaintext）：消息的初始形式； 密文（CypherText）：加密后的形式 记：
Cryptography” 提出了不对称密钥密
1977年Rivest,Shamir & Adleman 提出了RSA公钥算法 90年代逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法 主要特点：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
第3阶段 1976~
1977年DES正式成为标准 80年代出现“过渡性”的“Post DES”算法,如
密码学的起源和发展
三个阶段： • 1949年之前 密码学是一门艺术 • 1949～1975年 密码学成为科学 • 1976年以后 密码学的新方向——公钥密码学
• 1949年之前: 古典密码（classical cryptography) 密码学还不是科学,而是艺术 出现一些密码算法和加密设备 密码算法的基本手段(substitution & permutation)出现，针对的是字符 ������ 简单的密码分析手段出现
术报告 ������ Smith,J.L.,The Design of Lucifer, A Cryptographic Device for
Data Communication, 1971 1. ������ Smith,J.L.,…,An ExprementalApplication of Cryptogrphyto a
第2章 密码学概论(1)
密码分析
试图破译单条消息 试图识别加密的消息格式，以便借助直接的 解密算法破译后续的消息 试图找到加密算法中的普遍缺陷（无须截取加密算法 截取到明文、密文中已知或推测的数据项 数学或统计工具和技术 语言特性 计算机 技巧与运气
20
攻击传统密码方法
穷举攻击 试遍所有密钥直到有一个合法的密钥能够 把密文还原成为明文，就是穷举攻击。 密码分析学 对密码进行分析的尝试称为攻击。
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单表代换密码
任意替换：26！或者大于4×1026 种可
能的密钥，比DES的密钥空间要大 10个数量级，能够抵挡穷举攻击。 基于语言统计规律仍可破译
33
Brute Force Search穷举攻击
与密钥的长度正比 假设知道或者能够辨认是否明文
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单表代换密码安全性
共有 26! = 4 x 10^26 密钥 • 有这么多密钥应该安全了吧！ • !!!WRONG!!! • 问题是人类语言的统计特性
C = E(p) = (p + k) mod 26 p = D(C) = (C – k) mod 26
其中，K表示密钥，1≤K ≤ 25，需发送方和接收方事先 协商好。
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恺撒密码的特点
单字母密码（简单替换技术） 简单，便于记忆 缺点：结构过于简单，密码分析员只使用很 少的信息就可预言加密的整个结构
可以使用最常出现的那些单个字母，双字母对和 38 三字母对。
解密例子
给定密文: UZQSOVUOHXMOPVGPOZPEVSGZWSZOPFPESXUDBMETSXAIZ VUEPHZHMDZSHZOWSFPAPPDTSVPQUZWYMXUZUHSXEPYEPOP DZSZUFPOMBZWPFUPZHMDJUDTMOHMQ 计算每个字母出现的相对频率 猜测 P & Z 对应 e & t 假设 ZW 是 th ，因此 ZWP 就是the 继续试验可以得到下面的明文: it was disclosed yesterday that several informal but direct contacts have been made with political representatives of the viet cong in moscow
密码学概论
密码学概论哎，各位小伙伴，今儿咱们来聊聊一个听起来挺神秘，但实际上也挺有意思的学科——密码学概论。
别一听到“密码学”这三个字儿就觉得跟黑客、间谍啥的沾边儿，其实啊，它就像是咱们生活中的一把小锁，保护着咱们的隐私和安全。
话说那天，我正懒洋洋地躺在沙发上，手里拿着本《密码学概论》的书，准备打发打发时间。
一翻开书，嘿，里面讲的啥？什么公钥、私钥、加密算法、解密算法，看得我头晕眼花，心里那个烦啊，就像是被一群蜜蜂围着嗡嗡叫，赶都赶不走。
正当我准备把书一扔，继续躺尸的时候，突然，手机“叮咚”一声，来了一条短信。
我拿起手机一看，嘿，是银行发的，说我的账户有一笔交易记录，让我确认一下。
我心里那个惊啊，心想：我今儿没花钱啊，这咋回事儿？正当我琢磨着要不要打个电话问问银行客服的时候，突然想到了书里的密码学。
我心想：这密码学不就是保护咱们的信息不被别人偷窥的吗？那我这账户是不是也被啥密码给保护着呢？说干就干，我立马拿起书，开始仔细研究起来。
原来啊，这密码学里头的加密算法，就像是给咱们的信息穿了一件隐身衣，让别人看不见。
而解密算法呢，就像是咱们手里的遥控器，能把这件隐身衣给脱掉，看到里面的信息。
我这心里头啊，就像是打开了一扇新世界的大门，觉得密码学这玩意儿还挺有意思的。
于是，我就继续往下看，越看越入迷。
书里讲的那些啥对称加密、非对称加密、哈希函数啥的，虽然还是有点儿懵，但好歹算是知道了个大概。
最让我印象深刻的是那个非对称加密的例子。
书里说，就像是咱们有俩箱子，一个箱子有锁没钥匙（公钥），另一个箱子有钥匙没锁（私钥）。
咱们把要保密的信息放在有锁的箱子里，然后发给别人。
别人收到箱子后，只能用他们自己手里的钥匙（私钥）才能打开箱子，看到里面的信息。
这样，就算箱子在路上被别人捡到了，也打不开，因为他们没有钥匙。
看到这里，我心里那个激动啊，就像是哥伦布发现了新大陆一样。
我心想：这密码学还真是挺神奇的，能保护咱们的信息不被别人偷看。
《密码学概论》课件
随着技术的不断进步，密码学将面临新的 挑战和机遇，如量子计算对现有加密算法 的威胁和新型加密算法的研发。
02
密码学基本原理
对称密码学
定义
对称密码学也称为传统密码学 ，它使用相同的密钥进行加密
和解密。
常见的对称加密算法
如AES（高级加密标准）、DES （数据加密标准）、IDEA（国 际数据加密算法）等。
为了应对这一挑战，需要发展基于量 子力学原理的新型加密算法，这些算 法在量子计算环境下是安全的。
密码学在物联网中的应用挑战
物联网设备的计算能力和存储 空间有限，这给密码算法的实
施带来了挑战。
物联网设备的多样性和异构 性也给密码学应用带来了挑 战，因为需要确保各种设备
之间的安全通信。
针对物联网设备的特性，需要 发展轻量级的密码算法和协议 ，以确保其安全性和效率。
AES算法
01
总结词：高级加密标准
02
详细描述：AES是一种对称加密 算法，使用128位、192位或256 位密钥对128位明文块进行加密 ，产生128位密文块。它是美国 政府采用的一种加密标准，被广 泛应用于各种安全协议和应用程
序中。
03
总结词：安全性
04
详细描述：AES具有高度的安 全性，被认为是目前最安全 的对称加密算法之一。它采 用了复杂的数学工具和算法 ，使得破解密文的难度非常
密码学在大数据安全中的应用挑战
01
大数据的特点是数据量大、处理速度快，这给数据的安全存储 和传输带来了挑战。
02
大数据的分布式处理和云计算环境也给数据的安全性带来了挑
战，需要确保数据的隐私和完整性。
针对大数据的特点，需要发展高效的密码算法和安全数据处理
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第1章 概论 习题
1．就你所在单位的某个信息系统，试做一个概略的安全风险评估。
2．网络上查找出分组秘密码DES （基本型）原程序或资料，回答：DES 的密钥空间大小？
3．在国标GB2312的6763个汉字“字符”集上（即取q =6763），设计仿射密码，计算其密钥量。
4．在中途岛战争前，美军通过散布“中途岛淡水设备发生故障”的消息，在日军密报中确认了中途岛的代号，从而破译了日军的密报。
问：美军的此次密码分析属于哪种破译类型？
5．明文在整个消息空间中的一个很小的区域内，英语中某些字符不相等的频率就是这样
的一个例子。
再给出两个也能说明英语明文消息有小的区域分布的例子。
6．编制欧几里德算法程序求gcd()u,v ，假设初值满足10240<2-1u,v N =≤。
7．假设,,x e n 均为正整数()x n <，（1）如果2n x 不超过计算机语言某基
本变量类型允许记录的最大整数，研究计算
mod e y x n =的快速算法；（2）如果n 达到计算机语言某基本变量类型允许记录的最大整数的
32倍，研究计算mod e y x n =的快速算法；（3）查找不依赖于通用计算
机的求mod e y x n =的快速算法。
8．判定问题（decision problem ）是仅有两个可能的解（“是”或“否”）的问题。
判定问题∏的全部实例之集D ∏存在划分D Y N ∏∏∏=+，即解
为“是”（“否”）的实例均在Y N ∏∏（）。
中。
比如“正整数n 是素数吗？”
就是一个判定问题。
依赖概率图灵机PTM （Probobilistic Turing machine, 即带有随机数发生器的DTM ）可以定义概率算法
（probobilistic algorithem ）如下：在PTM 上使用算法R 求解判定问题∏。
用[]l I 记实例I 的规模。
如果存在时间复杂度函数T ，使得（1）I D ∏∀∈，PTM 均在[]T l I （）步内停机，并输出“是”或“否”；（2）I Y ∏∀∈，PTM 输出“是”；（3）在N ∏上的出错概率
{ PTM output =""| }1/2r p I N ∏∈≤是
则称R 是一个（解判定问题∏的）概率算法。
在网络上查找到实际使用的求（不少于512比特）大素数的计算机源程序，通过调小其内部循环次数的方法（使得对相同的大整数n 在调整前后有不相同的输出判决），证实它是一个概率算法。
8．为什么安全性基于NP-完全问题的密码体制不一定是安全的？
9．说出下列问题的区别与联系：
i) 图灵可计算的
ii) 难处理的
iii) 易处理的
iv) 确定性多项式时间
v) 实际有效的
10．为什么说一次一密加密抗窃听是无条件安全的？
11．虽然简单代换密码和换位密码对频度分析攻击是十分脆弱的，为什么它们仍被广泛使
用在现代加密方案和密码协议中？
12．加密算法为什么不应该包含秘密设计部分？。