现代密码学
现代密码学精讲PPT课件
2.1.1 什么是密码学(续)
发送者 Alice
明文m 加密器 Ek
密文c 公 共 信道
密钥k
密钥源
安全 信道
图 2.1 Shannon保密系统
分析者 Eve
解密器 明文m Dk
密钥k
接收者 Bob
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2.1.1 什么是密码学(续)
通信中的参与者 (1) 发送者(Alice)： 在双方交互中合法的信息发 送实体。 (2) 接收者(Bob)：在双方交互中合法的信息接收 实体。 (3) 分析者(Eve)：破坏通信接收和发送双方正常 安全通信的其他实体。可以采取被动攻击和主动 攻击的手段。 信道 (1) 信道：从一个实体向另一个实体传递信息的 通路。 (2) 安全信道：分析者没有能力对其上的信息进 行阅读、删除、修改、添加的信道。 (3) 公共信道：分析者可以任意对其上的信息进 行阅读、删除、修改、添加的信道。
定义2 一个加密方案可以被破译是指，第三方在 没有事先得到密钥对(e, d)的情况下，可以在适当 的时间里系统地从密文恢复出相对应的明文。 # 适当的时间由被保护数据生命周期来确定。
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2.1.4 现代密码学主要技术(续)
私钥加密 定义3 一个由加密函数集{Ee: eK}和解密函数集{Dd: dK}组成加密方案，每一个相关联的密钥对(e, d) ， 如果知道了e在计算上很容易确定d，知道了d在计算 上很容易确定e，那么，就是私钥加密方案。 # 私钥加密需要一条安全信道来建立密钥对。
2.1.4 现代密码学主要技术(续)
公钥加密实例
A1
Ee(m1)=c1
e
c1
e
A2
Ee(m2)=c2
c2
Dd(c1)=m1 Dd(c2)=m2
现代密码学概述
现代密码学概述现代密码学是研究保护信息安全的科学，它使用密码算法来加密和解密数据，以防止未经授权的访问和篡改。
密码学在现代社会中扮演着至关重要的角色，它保证了电子通信、互联网交易和数据存储的安全性。
一、密码学的基本概念和原理1.1 加密和解密在密码学中，加密是将明文转换为密文的过程，而解密则是将密文还原为明文的过程。
加密和解密的过程需要使用特定的密钥和密码算法。
1.2 对称密码和非对称密码对称密码算法使用相同的密钥进行加密和解密，加密和解密的速度较快，但密钥的分发和管理比较困难。
非对称密码算法使用一对密钥，分别用于加密和解密，密钥的管理更为灵活，但加密和解密的速度较慢。
1.3 数字签名和数字证书数字签名是在数字信息中添加的一种类似于手写签名的标识，用于验证数据的完整性和真实性。
数字证书则是由可信的第三方机构颁发的用于验证签名者身份的证书。
二、现代密码学的应用领域2.1 网络安全现代密码学在网络安全中扮演着重要的角色。
它通过对通信数据进行加密，保护用户的隐私和数据的安全，防止信息被窃听、篡改和伪造。
2.2 数据存储密码学被广泛应用于数据存储领域，如数据库加密、文件加密和磁盘加密等。
通过对数据进行加密，即使数据泄露也不会造成重大的损失。
2.3 电子支付现代密码学在电子支付领域也有广泛的应用。
它通过使用数字签名和加密技术，确保支付过程的安全性和可信度，防止支付信息被篡改和伪造。
三、常见的密码学算法3.1 对称密码算法常见的对称密码算法有DES（Data Encryption Standard）、AES （Advanced Encryption Standard）和RC4等。
这些算法在加密和解密的速度上都较快，但密钥的管理较为困难。
3.2 非对称密码算法常见的非对称密码算法有RSA、DSA和ECC等。
这些算法在密钥的管理上更为灵活，但加密和解密的速度较慢。
3.3 哈希函数算法哈希函数算法用于将任意长度的数据转换为固定长度的摘要值。
现代密码学总结
现代密码学总结现代密码学总结第⼀讲绪论1、密码学是保障信息安全的核⼼2、安全服务包括：机密性、完整性、认证性、不可否认性、可⽤性3、⼀个密码体制或密码系统是指由明⽂（m或p）、密⽂（c）、密钥（k）、加密算法（E）和解密算法（D）组成的五元组。
4、现代密码学分类：（1）对称密码体制：（⼜称为秘密密钥密码体制，单钥密码体制或传统密码体制）密钥完全保密；加解密密钥相同；典型算法：DES、3DES、AES、IDEA、RC4、A5 （2）⾮对称密码体制：（⼜称为双钥密码体制或公开密钥密码体制）典型算法：RSA、ECC第⼆讲古典密码学1、代换密码：古典密码中⽤到的最基本的处理技巧。
将明⽂中的⼀个字母由其它字母、数字或符号替代的⼀种⽅法。
（1）凯撒密码：c = E(p) = (p + k) mod (26)p = D(c) = (c –k) mod (26)（2）仿射密码：明⽂p ∈Z26，密⽂c ∈Z26 ，密钥k=(a,b)ap+b = c mod (26)（3）单表代换、多表代换Hill密码：（多表代换的⼀种）——明⽂p ∈(Z26)m，密⽂c ∈(Z26)m，密钥K ∈{定义在Z26上m*m的可逆矩阵}——加密 c = p * K mod 26解密p = c * K-1 mod 26Vigenere密码：查表解答（4）转轮密码机：2、置换密码：将明⽂字符按照某种规律重新排列⽽形成密⽂的过程列置换，周期置换3、密码分析：（1）统计分析法：移位密码、仿射密码和单表代换密码都没有破坏明⽂的频率统计规律，可以直接⽤统计分析法（2）重合指数法完全随机的⽂本CI=0.0385，⼀个有意义的英⽂⽂本CI=0.065实际使⽤CI 的估计值CI ’：L ：密⽂长。
fi ：密⽂符号i 发⽣的数⽬。
第三讲密码学基础第⼀部分密码学的信息论基础1、 Shannon 的保密通信系统模型（1）对称密码体制（2）（3）⼀个密码体制是⼀个六元组：（P , C, K 1, K 2, E, D )P--明⽂空间C--密⽂空间K 1 --加密密钥空间 K 2--解密密钥空间E --加密变换D --解密变换对任⼀k ∈K 1,都能找到k’∈K 2，使得D k’ (E k (m ))=m ，?m ∈M.2、熵和⽆条件保密（1）设随机变量X={xi | i=1,2,…,n}, xi 出现的概率为Pr(xi) ≧0, 且, 则X 的不确定性或熵定义为熵H(X)表⽰集X 中出现⼀个事件平均所需的信息量(观察前)；或集X 中每出现⼀个事件平均所给出的信息量(观测后).（2）设X={x i |i=1,2,…,n}, x i 出现的概率为p (x i ) ≥0，且∑i=1,…,n p (x i )=1;0 )(1log )()(≥=∑ii ai x p x p X HY={y i |i=1,2,…,m}, y i 出现的概率为p (y i ) ≥0，且∑i=1,…,m p (y i )=1; 则集X 相对于集Y 的条件熵定义为（3） X 视为⼀个系统的输⼊空间，Y 视为系统的输出空间，通常将条件熵H (X|Y)称作含糊度，X 和Y 之间的平均互信息定义为：I (X,Y)=H (X)-H (X|Y) 表⽰X 熵减少量。
现代密码学课程设计
现代密码学课程设计一、课程概述现代密码学是一门关于信息安全的学科，主要研究保护信息在通信及存储中的安全性。
本课程设计旨在让学生从理论和实践两方面了解现代密码学的基础知识、常用算法以及应用实例，通过实现密码加解密算法、数字签名算法等，加深对现代密码学的理解，提高学生信息安全意识和实际编程能力。
二、教学目标•了解现代密码学的基本概念和密码学的发展历程；•掌握对称密钥算法和非对称密钥算法的基本原理；•掌握常用的密码学算法和协议，如AES、RSA、MD5、SHA等；•掌握常见的密码攻击方法的手段和防范措施；•能够结合实例了解密码学在信息安全领域的应用。
三、教学内容3.1 现代密码学基础•密码学的定义和发展历程•密码学的基本概念、分类和研究对象•密码学中的术语和符号3.2 对称加密算法•对称加密算法的基本原理•常用的对称加密算法：DES、3DES、AES等•实现对称加密算法的案例3.3 非对称加密算法•非对称加密算法的基本原理•常用的非对称加密算法：RSA、ECC等•实现非对称加密算法的案例3.4 哈希算法•哈希算法的基本原理•常用的哈希算法：MD5、SHA等•实现哈希算法的案例3.5 数字签名算法•数字签名算法的原理和应用•常用的数字签名算法：RSA、DSA等•实现数字签名算法的案例3.6 密码攻击与防范•常见的密码攻击方式：暴力破解、字典攻击、重放攻击等•密码攻击技术的分类和流程•密码攻击防范和对策3.7 现代密码学应用实例•SSL/TLS协议的原理和实现•HTTPS协议的原理和实现•VPN的实现和应用四、教学方法本课程设计采用授课、讲解、案例演示、群体讨论等多种教学方法相结合，以提高学生的学习兴趣和参与度。
同时，鼓励学生在本课程设计的实践环节中，利用程序实现加解密算法、数字签名等，同时进行实际的密码攻击和防范。
五、考核方式•课程论文：涵盖对现代密码学的基本概念及其在信息安全领域中的应用、常用算法的原理和具体实现以及密码攻击和防范等方面。
现代密码学第四版答案
现代密码学第四版答案第一章简介1.1 密码学概述1.1.1 什么是密码学？密码学是研究通信安全和数据保护的科学和艺术。
它涉及使用各种技术和方法来保护信息的机密性、完整性和可用性。
1.1.2 密码学的分类密码学可以分为两个主要方向：对称密码学和非对称密码学。
•对称密码学：在对称密码学中，发送者和接收者使用相同的密钥来进行加密和解密。
•非对称密码学：在非对称密码学中，发送者和接收者使用不同的密钥来进行加密和解密。
1.2 密码系统的要素1.2.1 明文和密文•明文（plaintext）：未经加密的原始消息。
•密文（ciphertext）：经过加密后的消息。
1.2.2 密钥密钥是密码系统的核心组成部分，它用于加密明文以生成密文，或者用于解密密文以恢复明文。
密钥应该是保密的，只有合法的用户才能知道密钥。
1.2.3 加密算法加密算法是用来将明文转换为密文的算法。
加密算法必须是可逆的，这意味着可以使用相同的密钥进行解密。
1.2.4 加密模式加密模式是规定了加密算法如何应用于消息的规则。
常见的加密模式包括电子密码本（ECB）、密码块链路（CBC）和计数器模式（CTR）等。
1.3 密码的安全性密码的安全性取决于密钥的长度、加密算法的复杂度以及密码系统的安全性设计。
第二章对称密码学2.1 凯撒密码凯撒密码是一种最早的加密方式，它将字母按照给定的偏移量进行位移。
例如，偏移量为1时，字母A加密后变为B，字母B变为C，以此类推。
2.2 DES加密算法DES（Data Encryption Standard）是一种对称密码算法，它使用56位密钥对64位的明文进行加密。
DES算法包括初始置换、16轮迭代和最终置换三个阶段。
2.3 AES加密算法AES（Advanced Encryption Standard）是一种对称密码算法，它使用128位、192位或256位的密钥对128位的明文进行加密。
AES算法使用了替代、置换和混淆等操作来保证对抗各种密码攻击。
现代密码学(第一章)
双钥密码体制
一对密钥可供多用户向一用户 单向使用。 有消息认证功能。
n个用户之间的保密通信，一共 n个用户之间的保密通信，一共 需要n(n-1)/2对密钥。 需要n对密钥。
加解密算法简洁快速。 通信伙伴之间需要协商密钥。
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加解密算法相对较慢。 通信伙伴之间不用协商密钥。
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三、古典密码
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一、信息安全的基本概念
（简单介绍）为了抵抗诸如此类的攻击，以便适用于 多次一密，加解密算法应该满足： （1）具有良好的“混淆性”（confusion）和“扩散 性”（diffusion）； （2）具有良好的“非线性性”（non-linearity）； （3）具有良好的“差分均匀性”（difference balance）。 （4）密钥的可能变化范围（密钥量）应该大到不可能 穷举搜索密钥（brute force search）。
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一、信息安全的基本概念
如果加解密密钥（z，k）在多次加密/解密过 程中反复地重复使用，则加解密方式称为多 次一密的。 现有的实用加解密方式都是多次一密的。 多次一密的加解密方式极大地省却了通信伙伴 的工作量。 但同时，多次一密的加解密方式使得攻击者增 加了几种新的攻击手段。其中包括：已知明 文攻击。
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一、信息安全的基本概念
可以看出，以上两个例子所用的加解密算法都 不能抵抗已知明文攻击，因此不能用作多次 一密的加解密方式。
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一、信息安全的基本概念
注解三：已知明文攻击的一些弱化形式 设攻击者Eve知道了以往的一个密文c以及c所对 应的明文m 。 Eve又截获了一个新的密文c’， Eve试图猜测出 c’所对应的明文m’。 如果加解密算法设计得“不好”，则密钥对明 文的覆盖就可能出现漏洞。此时由{m ,c, c’} 猜测出c’所对应的明文m’就会变得容易得多。 可能出现以下的现象：
现代密码学(密钥)概述
1）流密码
流密码（Stream Cipher）也称序列密码，是对称密码算 法的一种。流密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处 理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际 应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用 领域包括无线通信、外交通信。
密钥k
密钥流 产生器
异或运算
明文m
弱密钥
弱密钥：由密钥 k 确定的加密函数与解密函数相同 ，即 。
DES的弱密钥： 密函数相同。
如果各轮产生的子密钥一样，则加密函数与解
DES
k
(•)
DES
1 k
(•)
DES至少有4个弱密钥 ：
➢ 0101010101010101
➢ 1f1f1f1f0e0e0e0e
➢ e0e0e0e0f1f1f1f1
（ 56 位） 置换选(择48 2
k1
位)
循环左移
循环左移
C i（ 28 位）
D i（ 28 位）
（ 56 位）
置换选择
2
ki
（ 48 位）
置换选择1(PC-1)和置换选择2(PC-2)
总结－DES示意图
DES的安全性分析
DES的安全性完全依赖于密钥，与算法本身没有 关系。 主要研究内容：
➢ 密钥的互补性； ➢ 弱密钥与半弱密钥； ➢ 密文-明文相关性； ➢ 密文-密钥相关性； ➢ S-盒的设计； ➢ 密钥搜索。
2
15 11 8
3
10 6
12 5
9
0
7
14 2
13 1
10 6
12 11 9
5
3
8
13 6
2
11 15 12 9
现代密码学范畴
现代密码学范畴
现代密码学是一门研究和应用于保护信息安全的学科，其范畴包括以下几个方面：
1. 对称密码学：研究加密算法中的密钥管理，包括数据加密和解密。
2. 非对称密码学：研究使用公钥和私钥进行加密和解密的算法，也称为公钥密码学。
3. 消息认证码（MAC）：用于验证消息的完整性和真实性，
防止数据被篡改。
4. 数字签名：用于验证消息或文档的发信人身份，并确保消息的完整性和真实性。
5. 密码协议：研究通过密码控制通信过程中的安全性。
6. 认证和访问控制：研究证实用户身份，并控制其对系统或资源的访问权限。
7. 安全协议和协议分析：研究设计安全协议以及对现有协议进行分析和改进。
8. 密码算法设计与分析：研究设计新的密码算法并评估其安全性，以及分析现有算法的强弱点。
9. 密码学理论：研究密码学的数学基础，如复杂性理论、概率论和代数等。
现代密码学的范畴不仅仅局限于上述几个方面，随着信息技术的不断发展，还涉及到密码学与计算机科学、网络安全、量子密码学、生物密码学等多个交叉学科的应用和研究。
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化
❖ 完全性保证每个输出比特依赖于所有的输出 比特
❖ 我们可以看到,古典密码没有这些性质
❖
18. Feistel Cipher 设计
❖ 设计密码时,下列参数需要考虑: ❖ 分组大小(block size)增加分组长度会提安全性, 但降低了密码运算 速度
15. 雪崩效应(Avalanche effect )
❖ 输入改变1bit, 导致近一 般的比特发生变化
❖ ????
16. 完备性效应(Completeness effect )
❖ 每个输出比特是所有 输入比特的复杂函数 的输出
❖ ??
17. 分组密码设计(Block Cipher Design )
DES, Blowfish, IDEA, LOKI, RC5, Rijndael (AES) 及其它一些算法
❖
3。分组密码
❖ 在分组密码中，消息被分成许多块 ❖ 每块都要被加密 ❖ 类似与许多字符被替换-（ 64-bits or
more ） ❖ 许多现代密码具有下列形式：
3.分组密码 (cont.)
transformations ）
10. 替换-置换网络(cunt.）
11. 实际使用的替换-置换网络
❖ 实际中，我们需要加密，也需要解密 ❖ 因此，有两种方法： ❖ 1。定义每个替换、置换的逆，这样增
加了复杂度
❖ or ❖ 2。定义一种结构，容易求逆，这样可
以使用基本的相同编码或硬件用于加密 和解密
1.现代分组密码- moden-block ciphers
❖ 目前最广泛使用的加 密算法
❖ 提供保密与认证服务
2.私钥加密算法 private-key encryption
❖ 也叫单钥或对称算法） ❖ 通信实体双方使用相同的密钥加密和
解密
❖ 古典密码是私钥加密算法 ❖ 现代密码（由乘积密码构成）包括
❖ 求逆很容易 ❖ 实际中，一些这样的连续变换形成完整密码
变换（典型：16轮）
14. 基本设计原理
❖ Shannons 混合变换形成一种特殊的成绩密码 ❖ 组成部分一起工作: ❖ S-Boxes （S-盒)
提供输入bits混合作用 (confusion)
❖ P-Boxes
提供扩散作用(diffusion across S-box inputs)
4.理论基础
❖ 理想的方法是使用尽可能大的替换模块 ❖ 但不实际，因为对每个64bit的模块，
将需要264 个实体的替换表 ❖ 因此使用一些小的模块代替 ❖ 使用成绩密码的思想 ❖ 这种概念由 Shannon and Feistel 提出
5. Shannons 保密系统理论
❖ Claude Shannon 对现代密码的重要工作 ❖ C E Shannon, "Communication Theory of
12. Feistel 密码
❖ Horst Feistel, （working at IBM Thomas J Watson Research Labs ）70‘s初，设计了这样的结构，我 们现在叫做feistel cipher
❖ 思想是把输入块分成左右两部分 L(i-1) 和R(i-1), 变 换是在密码的第I轮只使用R(i-1)
❖ 函数 g incorporates one stage of the S-P network 的每个阶段有g 工作，由第I 个密钥控制（叫子密 钥）
13. Feistel 密码
❖ 变换可以用下列函数表示:
❖ L(i) = R(i-1) ❖ R(i) = L(i-1) XOR g(K(i), R(i-1))
❖ 这种思想形成了现代密码的基础 ❖ S-P network 替换-置换乘积密码的现代形
式 ❖ S-P networks 是基于下列两种最基本的密
码运算（前面介绍过）： ❖ 替换（ Substitution ） ❖ 置换（ Permutation ）
8. 替换运算
❖ 一个二进制字用其它二进制字替换 ❖ 这种替换函数就构成密钥 ❖ 可以看作是一个大的查表运算
Secrecy Systems", Bell System Technical Journal, Vol 28, Oct 1949, pp 656-715 ❖ C E Shannon, "Prediction and Entropy of printed English", Bell System Technical Journal, Vol 30, Jan 1951, pp 50-64 ❖ 在上述文章中，提出了下列概念: ❖ “熵”的概念 ❖ 语言冗余度 ❖ 破译密码需要多少信息量 ❖ 定义了”计算安全”与”无条件安全”
6. Shannons 保密系统理论 cont
❖ 指出 Book cipher 是不安全的 ❖ 即如果通过填加一些英语字母加密英文内容，
是不安全的 ❖ 因为英语有80%的冗余度 ❖ 英语密文如果有60%的冗余度，就可以破解
7
❖
7. 替换-置换密码
❖ 在Shannon 1949 的文章中，介绍了替换置换网络的思想 (S-P) networks
❖ 叫做 S-boxes
替换运算（续）
9. 置换运算（变换）
❖ 二进制字次序被打乱 ❖ 重新排序的方法构成密钥 ❖ 叫这种变换为 P-boxes
9. Cont.
10. Substitution-Permutation Network
❖ Shannon 把这两种运算组合在一起 ❖ 一些 S-boxes 由 P-box 连接 ❖ 这种变换叫做混合变换（mixing
❖ 这种效果进一步解释为”雪崩”与”完全性” (Avalanche and Completeness )by Webster & Tavares
❖ "On the Design of S-boxes", in Advances in Cryptology - Crypto 85, Lecture Notes in Computer Science, No 218, Springer-Verlag, 1985, pp 523-534