密码学基础

3.1.3 密码的分类
按发展分：手工密码、机械密码、电子机内乱密码、 计算机密码 按保密程度分：理论上保密的密码、实际上保密的 密码、不保密的密码 按密钥方式分：对称密码、不对称密码 按明文形式：模拟密码、数字密码 按编制原理分：移位、代替、置换
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3.1 密码学概述
3.1.4 近代加密技术
对称加密算法（传统密码算法）
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3.3 对称密码学 DES对64位的明文分组M进行操作，M经过一个 初始置换IP置换成m0，将m0明文分成左半部分 和右半部分m0=(L0,R0)，各32位长。然后进行16 轮完全相同的运算，这些运算被称为函数f，在 运算过程中数据与密匙结合。经过16轮后，左， 右半部分合在一起经过一个末置换，完成一个分 组加密。
第3章 密码学基础
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3.1 密码学概述 密码学是实现认证、加密、访问控制的核心技术
3.1.1 密码学的发展史 密的化码艺时学术代
前5世纪：明文 木棍 密文(换位密码) 后移3位 密文(替代密码) 前1世纪：明文字母
9世纪、16世纪：比较现实字母频度与密文字母频 率(频度分析法) 1918年,一次性便笺密码
一次加密中使用多个密钥，变相增加密钥长度
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3.3 对称密码学
3.3.4 其他对称加密算法
AES（The Advanced Encryption Standard）是美国 国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范。 它被预期能成为人们公认的加密包括金融、电信 和政府数字信息的方法。可用于数字签名 IDEA(Internation Data Encryption Algorithm )数据 加密算法实现在Java环境下数据的安全传输。
明文 x=(x0,x1,...xt-1)
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3.3 对称密码学
算法要求：
分组长度足够大 长度大能有效抵御穷举攻击，常用64位 密钥空间足够大 抵御密钥穷举攻击 算法足够复杂 抵御分析类解密方法的攻击 加解密算法运算简单，差错传播小 尽量采用较简单的运算方式，易于实现。分组 间影响要小
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3.3 对称密码学
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3.2 古典密码学
3.2.2 置换密码
保持明文不变，将字母顺序重新排列
倒序密码：颠倒明文书写顺序。
abamimiaowamimiaow
栅栏密码：明文交替书写排列。
密的化码艺时学术代
行列转置：明文行列转置书写。（书例） 仍不能抵御统计分析类的攻击方法（频度分析）
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3.3 对称密码学
3.3.1 ห้องสมุดไป่ตู้组密码概述
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3.4 非对称密码体制
3.4.1 Diffie-Hellman算法 算法
用于密钥交换 需要安全通信的双方可以用这个方法确定对称密 钥。然后可以用这个密钥进行加密和解密。 不能进行消息的加密和解密。双方确定要用的密 钥后，要使用其他对称密钥操作加密算法实际加 密和解密消息。 可结合对称加密实现有效的加密和密钥传输
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3.3 对称密码学
3.3.3 DES算法 算法
DES是Data Encryption Standard（数据加密标准） 的缩写。它是由IBM公司研制的一种加密算法，美 国国家标准局于1977年公布把它作为非机要部门使 用的数据加密标准 DES是一个分组加密算法，他以64位为分组对数据 加密。同时DES也是一个对称算法：加密和解密用 的是同一个算法。它的密匙长度是56位，密匙可以 是任意的56位的数，而且可以任意时候改变。 保密性依赖于密钥。
移位密码（模运算） 加密：Ek(x)=(x+k)mod 26 解密：Dk(y)=(y-k)mod 26 x:明文字母、y:密文字母、k:密钥 恺撒密码就是移位密码（k＝3） 缺点：密钥空间小，容易被破解（穷举法）
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3.2 古典密码学 单表代换密码 用一个表将一个明文字母对应一个密文字母，加解 密则按照此表相应转换字母。 缺点：对应关系固定，容易被频度分析法破解 多表代换密码（vigenere密码） 密钥K不单一，同一密文字母可能对应不同明文字母 加密变换：ci≡(mi+ki)mod 26 解密变换：mi≡(ci-ki)mod 26 密钥空间较前两种大，较安全
RC5
RC5是一种新型的分组密码。在无线数据传输应 用方面很有优势。
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3.3 对称密码学
3.3.5 对称加密算法的工作方式
电子密本方式（ECB） 密文分组链接方式（CBC） 密文反馈方式（CFB） 输出反馈方式（OFB） 计数方式（CTR）
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3.4 非对称密码体制
3.4.1 RSA
第一个能同时用于加密和数字签名的算法，安全 性未得到理论上的证明 RSA的缺点主要有：A)产生密钥很麻烦，受到素 数产生技术的限制，因而难以做到一次一密。B) 分组长度太大，为保证安全性，n 至少也要 600 bits以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较 对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技 术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式 的标准化。 安全性基于大数分解的难度，运算速度慢
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3.3 对称密码学 在每一轮中，密匙位移位，然后再从密匙的56位 中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部 分扩展成48位，并通过一个异或操作替代成新的 32位数据，在将其置换一次。这四步运算构成了 函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输 出与左半部分结合，其结果成为新的右半部分， 原来的右半部分成为新的左半部分。将该操作重 复16次，实现一个分组的加密过程。
将明文消息编码表示后的数字序列，划分成长度 为n的组（可看成长度为n的矢量），每组分别在 密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文 数字）序列。
k=(k0,k1,...kt-1) k=(k0,k1,...kt-1)
明文 x=(x0,x1,...xt-1)
加密算法 y=(y0,y1...yn-1)
解密算法
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3.1 密码学概述 二战：恩格玛密码机(第一次用电脑协助破密) 1975年,DES成为美国国家标准 1976年,公开密钥思想(密钥分开) 1977年,RSA(公钥密码) 1985年,量子计算机(解密)
三个阶段:
1949年以前:数据的安全基于算法保密 1949~1975:数据的安全基于密钥的保密 1976以后:安全的无密钥传输(公钥密码学)
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3.1 密码学概述 密码算法:用于加密和解密的数学函数 受限制算法:安全性基于算法的保密 基于密钥的算法:安全性基于密钥安全(对称加密 算法和不对称加密算法) 算法安全:破译代价高于数据价值、破译时间大于 数据需加密时间、无法获得足够破译数据量 研究算法安全：信息论方法、计算复杂性理论
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3.1 密码学概述
3.3.2 分组密码设计思想－Feistel网络 分组密码设计思想－ 网络
扩散和混乱
算法基本设计思想，尽可能掩盖、消除密文统计 特性 扩散：明文中一位影响对应密文的多位。（消除） 混乱：增加统计关系复杂度。（掩盖）
Feistel网络
在分组的基础上，多个基本密码系统叠加执行
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3.3 对称密码学
Feistel网络一轮加解密处理示意图
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3.1 密码学概述
3.1.5 密码的破译
穷尽搜索 尝试所有密钥组合直到找到密钥，效率低。 结合密钥的使用规律可大量减少查找次数 密码分析 利用数学方法破译密文或找到密钥 已知明文的破译、选定明文的破译、差别比较分析 其他破译方法
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3.2 古典密码学
3.2.1 代换密码
依据一定的规则，明文字母被相应替代
加密密钥和解密密钥相同，安全性依赖密钥保密 EK(M)=C DK(C)=M 序列密码算法、分组密码算法 代表：DES、RC5、GOST等 特点：运算速度快，算法复杂度小，硬件易实现 缺点：密钥的分发和管理困难
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3.1 密码学概述
非对称加密算法（公开密钥算法）
加密密钥和解密密钥分开，安全性不依赖密钥保密 EK1(M)=C DK2(C)=M DK2(EK1(M))=C 代表：RSA、Diffie-Hellman、DSS等 特点：不需对密钥通信加密 缺点：算法复杂度高，运算时间长 用途：数据的加/解密、数字签名、密钥交换
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DES算法一轮运算示意图 算法一轮运算示意图
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DES密钥产生示意图 密钥产生示意图
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3.3 对称密码学
算法强度
在给定明文和密文的条件下，不能抵御穷尽密钥 搜索攻击。1997年，被强大的分布式计算攻破。 算法可能存在陷门，S盒存在危险 DES仍是应用最广泛，较安全的算法。
三重DES
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3.1 密码学概述
3.1.2 密码系统
密码系统=加密变换+解密变换 变换:数据+密钥,密钥=参数
明文M 加密变换 不安全通道 密文C 解密变换 明文M
密钥K
密码分析
密钥K
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3.1 密码学概述 密码体制五元组:M,C,K,E,D M(Message)或P(Plaintext)明文,C(Ciphertext)密文 K(key)密钥,E(Encryption)加密,D(Decryption)解密 Dk(Ek(M))=M 函数Ek和函数Dk能有效计算 密钥K和明文M不能在有效时间内被破解 密钥空间非常大(穷举法无效)