第二讲密码学及其应用详解
现代密码学第02讲
密码可能经受的攻击
攻击类型
惟密文攻击 已知明文攻 击 选择明文攻 击 选择密文攻 击
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攻击者拥有的资源
加密算法 截获的部分密文 加密算法， 截获的部分密文和相应的明文
加密算法 加密黑盒子，可加密任意明文得到相应的密文
加密算法 解密黑盒子，可解密任意密文得到相应的明文
Yj＝f 1(sj ,Xj) Sj+1 ＝f 2(sj ,Xj) Y
第j时刻输入Xj X ，输出Yj
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例2-1
S={s1,s2,s3},X={x1, x2,x3},Y=(y1,y2,y3) 转移函数
x1 y1 y2 y3 x2 y3 y1 y2 X3 y2 y3 y1 f2 s1 s2 s3 x1 s2 s3 s1 x2 s1 s2 s3 X3 s3 s1 s2
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公钥体制的主要特点
加密和解密能力分开 可以实现多个用户加密的消息只能由一个用户 解读（用于公共网络中实现保密通信） 只能由一个用户加密消息而使多个用户可以解 读（可用于认证系统中对消息进行数字签字）。
无需事先分配密钥。
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三、密码分析
截收者在不知道解密密钥及通信者所采用的加 密体制的细节条件下，对密文进行分析，试图 获取机密信息。研究分析解密规律的科学称作 密码分析学。 密码分析在外交、军事、公安、商业等方面都 具有重要作用，也是研究历史、考古、古语言 学和古乐理论的重要手段之一。
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几个概念（三）
密码分析(Cryptanalysis)：截收者试图通过分析从 截获的密文推断出原来的明文或密钥。 密码分析员(Cryptanalyst)：从事密码分析的人。 被动攻击 (Passive attack)：对一个保密系统采取截 获密文进行分析的攻击。 主动攻击 (Active attack)：非法入侵者 (Tamper)、 攻击者(Attcker)或黑客(Hacker)主动向系统窜扰，采用 删除、增添、重放、伪造等窜改手段向系统注入假消息 ，达到利已害人的目的。
密码学的原理和应用场景
密码学的原理和应用场景密码学是研究保护计算机数据安全的学科。
它的主要目的是通过加密技术、解密技术和认证技术等方法，实现信息的保密性、完整性和可用性。
密码学的应用场景非常广泛，包括银行、商业交易、军事、政府机构、网络通信等领域。
本文将阐述密码学的原理和应用场景。
一、密码学的原理1、加密技术加密技术是密码学的核心技术之一。
它将明文信息通过一定的数学算法进行转换，变成密文信息。
密文信息只有经过解密才能变成原来的明文信息。
常见的加密算法包括对称加密和非对称加密。
对称加密通过一个相同的密钥对明文信息进行加密和解密。
也就是说，发送方和接收方使用相同的密钥进行信息的加解密操作。
这种加密技术的优点是加解密速度快，但缺点是密钥管理不方便，安全性较低。
非对称加密采用一对密钥：公钥和私钥。
公钥是公开的，可以让任何人使用。
私钥只有持有者本人知道。
发送方使用接收方的公钥对明文信息加密，接收方使用自己的私钥进行解密。
这种加密技术的优点是密钥管理方便，安全性高，但缺点是加解密速度慢。
2、解密技术解密技术是密码学的另一个核心技术。
它通过解密算法将密文信息还原成明文信息。
解密技术的实现要求使用正确的密钥进行解密操作才能得到正确的结果。
3、认证技术认证技术是密码学的第三个核心技术。
它通过一定的算法，验证用户的身份是否合法。
在信息传递过程中，认证技术可以保证信息真实性和完整性，防止信息被篡改和伪造。
二、密码学的应用场景1、银行银行是密码学的主要应用领域之一。
在银行业务中，密码学技术能够保护客户的账户信息和资金安全。
每次客户进行网上银行转账，都会用到加密技术，同时还会使用认证技术验证用户身份。
2、商业交易商业交易的安全性对于商家和顾客都非常重要。
商业网站采用加密技术保护交易信息，从而避免投机者盗取客户的信用卡信息。
此外，商家还可以使用数字签名技术提供身份验证和数据完整性保证。
3、军事密码学技术对于军事通信的保密性和完整性非常重要。
在现代战争中，加密技术是军队进行机密通信的必备之选。
[课件]第2讲 密码学的基本概念和理论基础PPT
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（3）公元前50年，著名的恺撒大帝发明了一种密码叫做恺 撒密码。在恺撒密码中，每个字母都与其后第三位的字母 对应，然后进行替换。如果到了字母表的末尾，就回到开 始，如此形成一个循环。当时罗马的军队就用恺撒密码进 行通信。 恺撒密码明文字母表：A B C D E F G … X Y Z 恺撒密码密文字母表：D E F G H I J …A BC 26个字符代表字母表的26个字母，从一般意义上说，也可 以使用其它字符表，一一对应的数字也不一定要是3，可 以选其它数字。
3. 密码系统
一个好的密码系统应满足： 系统理论上安全，或计算上安全（从截获的密文或已知 的明文-密文对，要确定密钥或任意明文在计算上不可行 ）； 系统的保密性是依赖于密钥的，而不是依赖于对加密体 制或算法的保密； 加密和解密算法适用于密钥空间中的所有元素； 系统既易于实现又便于使用。
第2阶段：常规现代密码学,从1949年到1975年。
标志：1949年Shannon发表的《保密系统的信
息理论》一文。信息论为对称密码系统建立了理 论基础，从此密码学成为一门科学。
以及《破译者》的出版和美国数据加密标准DES
的实施，标志着密码学的理论与技术的划时代的 革命性变革，宣布了近代密码学的开始。
明文X 加密机 密文Y
原来的明文X
解密机
单钥密码的加密、解密过程
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双密钥系统又称为非对称密码系统或公开密钥系统。双密钥 系统有两个密钥，一个是公开的，用K1表示，谁都可以使 用；另一个是私人密钥，用K2表示。
K1 明文X 加密算法 密文Y K2 解密算法
原来的明文X
双钥密码的加密、解密过程
双密钥系统的主要特点是将加密和解密密钥分开。即用公 开的密钥K1加密消息，发送给持有相应私人密钥K2的人， 只有持私人密钥K2的人才能解密；而用私人密钥K2加密的 消息，任何人都可以用公开的密钥K1解密，此时说明消息 来自持有私人密钥的人。前者可以实现公共网络的保密通 信，后者则可以实现对消息进行数字签名。
密码学的基本原理和应用
密码学的基本原理和应用密码学（Cryptology）是研究如何保护信息的学科，它主要涉及到两个方面：加密（Encryption）和解密（Decryption）技术。
加密技术是将明文（Plaintext）转化为密文（Ciphertext），以便在传输时保护信息不被窃取或篡改；解密技术是将密文转化为明文，以便信息接收方能正常理解。
密码学已经成为当今信息时代的重要支撑之一，它的应用范围广泛，从普通的数据传输到电子商务、金融、军事等领域。
本文将介绍密码学的基本原理和应用。
一、密码学的基本原理密码学的基本原理是基于数学的算法来实现加密和解密。
1. 对称加密算法（Symmetric Cryptography）对称加密算法采用同一密钥对明文进行加密和密文进行解密，即接收方和发送方都拥有同样的密钥。
在对称加密算法中，最常见的是DES（Data Encryption Standard）算法。
DES算法是一种基于置换和代换的密码算法，它将64位明文分为两个32位的半块，然后进行16轮的加密和解密，使用密钥可以在加密和解密中完成。
2. 非对称加密算法（Asymmetric Cryptography）非对称加密算法采用两个密钥，一个是公钥（Public Key），一个是私钥（Private Key）。
公钥可以公开，任何人都可以得到，用于加密明文；而私钥是保密的，只有一个人能得到，用于解密密文。
当接收方收到密文时，只有他知道解密的私钥，才可以解密密文。
RSA（Rivest-Shamir-Adleman）算法是一种典型的非对称加密算法，它可以使用1024位或更长的密钥来保证安全性。
3. 哈希算法（Hash Algorithm）哈希算法是一种将任意长度的输入“压缩”为固定长度输出的算法，通常输出长度为128位、160位、256位等。
哈希算法能对任意长度的数据进行不可逆加密，其输出值称为哈希值（Hash Value）。
哈希算法在数字签名、消息鉴别码、密码验证等领域广泛应用，SHA（Secure Hash Algorithm）算法是其中一种。
2. 密码学基础与应用
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5
3 4
4 1
5 2
加密明文：shell 变换明文为 ellsh, 明显，它是希尔 密码的一种特殊情形
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College of Software, Nankai University
T.G. Gao
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7.
流密码 以前的几种密码体制对所有的明文使用相同的密钥加 密，这种密码体制叫分组密码。所谓流密码即用一个 密钥流进行明文的加密。一般地流密码是经过一个系 列变换产生的，和明文具有相同的长度。 例：自动密钥流体制：
3.57k
R11
100k
10k
1nF
C2
U5
0.1xy
U2A U2B
R13
10k
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R4
R5
9.1k
R1
10k
R2
10k
R3
100k
C1
1nF
1k
U1A
R6
10k
U1B
x
U4
×
0.1xz
R8
1k
U1C
R7
10k
AD633
R9
100k
R10
R12
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相关系数:
r xy = cov( x , y ) D (x) D( y)
其中：
保密安全与密码技术-2密码学资料
异或运算（不带进位加法）：
明文: 0 0 1 1
加密：
密钥: 0 1 0 1
密文： 0 1 1 0
C=P K
解密：
密文： 0 1 1 0 密钥： 0 1 0 1 明文： 0 0 1 1
P=C K
已知明文、密文，怎样求得密钥？ K=C P 只知道密文，如何求得密文和密钥？
古典密码学－隐写术
定义：将秘密信息隐藏在其余信息中 举例
保密安全与密码技术
第二讲 密码学基础
密码学基础
密码学概论 古典密码学 现代密码学
对称密码学 非对称密码学 单向散列 数字签名 数字信封
电子商务 安全Email
电子政务 信息安全应用
电子支付 安全Web
访问控制 身份认证 入侵检测 PKI/PMI 防病毒 VPN 操作系统安全 数据库安全 黑客入侵与防范 防火墙
第一次作业
分组学习现代密码学的各种密码算法 内容：
对称密码学：IDEA、SDBI、AES、RC5、 CAST-256
非对称：DSA、ECC、D-H 单向散列：SHA1、RIPE-MD
要求：PPT报告，代表讲解，3-5分钟
古典密码学
古典密码学的起源 早期的密码：隐写术 代换密码术 置换密码术 古典密码学的优缺点
对称密码和非对称密码
非对称密码，又称公开密钥密码算法
加开密，和解解密密密使钥用保不密同：的c=密E钥Kp（(mK)p,,
Ks)，把加密密钥公 m=DKs (c)
常用算法：RSA, DSA, 背包算法，ElGamal , 椭圆曲线等Fra bibliotek 优点：
密钥分配：不必保持信道的保密性
信息安全技术2-密码学及其应用
第2章密码学及其应用Cryptology yp gy1内容提要◎密码学的基本概念◎古典密码对称密码加密◎对称密码加密：DES 加密（Data Encryption Standard ）加密AES 加密（Adanced Encryption Standard ）◎公开密钥加密：RSA 加密（Rivest-Shamir-Adleman ）◎Hash 函数◎数字签名◎密钥管理◎加密工具PGP （Pretty Good Privacy ）2一、密码学基本概念¾密码技术是一门古老的技术；以前使用在军事外交和情报等部门；¾以前使用在军事、外交和情报等部门；¾战争的需要和科学技术的发展推动了密码学的发展；¾信息技术的发展和广泛应用为密码学的发展开辟了新的天地。
3我国的密码分级核密保护党政的核机密①核心密码：保护党、政、军的核心机密；②普通密码：用于保护国家和企事业单位的低于核心机密而高于商用的机密信息；③商用密码：用于保护国家和企事业单位的非机密的敏感信息；用于保护个人的隐私信息④个人密码：用于保护个人的隐私信息。
国家密码管理局4密码的基本思想1、密码的基本思想伪装信息使未被授权者能解信息真实含义伪装信息：使未被授权者不能理解信息真实含义。
有效、系统地用于保证电子数据的保密性、完整性和真实性。
¾保密性就是对数据进行加密，使非法用户无法读懂数据信息而合法用户可以应用密钥读取信息息，而合法用户可以应用密钥读取信息。
¾完整性是对数据完整性的鉴别，以确定数据是否被非法篡改保证合法用户得到正确完整的信息改，保证合法用户得到正确、完整的信息。
¾真实性是数据来源的真实性、数据本身真实性的鉴别，可以保证合法用户不被欺骗。
5密码体制2、密码体制Cryptosystem 构成个部分组成由以下五个部分组成：•明文(M 或P)：可能是比特流、文本文件、位图、数字化的语音流或者数字化的视频图像等；•密文(C)：二进制数据，有时和M 一样大，有时稍大。
密码学的原理与应用
密码学的原理与应用一、引言随着网络科技的不断发展，信息的传递也变得越来越快、越来越方便。
在这个信息化的时代，保护信息的安全性显得尤为重要。
密码学作为一门专门研究信息安全的学科，在信息网络时代中扮演了重要的角色。
密码学在信息安全方面发挥着重要的作用，促进了信息安全保障体系的完善和提升。
本文将介绍密码学的原理与应用。
二、密码学的原理1. 密码学的定义密码学是一门研究加密和解密技术的学科。
它主要包括密码算法、密码协议、密码分析等内容。
2. 加密算法的分类根据密钥的使用方式，加密算法可以分为对称加密算法和非对称加密算法两类。
对称加密算法使用相同的密钥加密和解密数据，其特点是算法简单、加密效率高，但密钥管理困难，安全性相对较低。
常见的对称加密算法有DES、3DES、AES等。
非对称加密算法使用不同的密钥进行加密和解密，其特点是密钥管理方便、安全性高，但加密解密的效率较低。
常见的非对称加密算法有RSA、ECC等。
3. 数字签名的原理数字签名也是密码学的一种重要应用技术，它可以证明数字信息的完整性、来源性和认证性。
数字签名的原理是将信息通过哈希算法计算出一个固定长度的摘要，再使用私钥对摘要进行加密，得到数字签名。
接收者使用公钥对签名进行解密，得到摘要。
如果接收者对原始信息也进行哈希计算，如果摘要一致，则说明信息的完整性、来源性和认证性都得到了保证。
三、密码学的应用1. 网络安全密码学在网络安全方面的应用非常广泛。
比如传输层安全协议SSL、IP安全协议IPSec、虚拟私人网VPN等都采用了密码学技术。
2. 金融安全在金融领域中，密码学也得到了广泛应用。
比如电子现金、电子支付等，都采用了加密技术来保护交易安全。
3. 软件安全密码学在软件安全方面也发挥着重要作用。
比如软件数字签名技术，能够有效防止软件被篡改或者恶意攻击。
4. 信息安全密码学在信息安全方面也得到了广泛应用。
比如密钥交换协议、数字证书、主机身份验证等都采用了密码学技术。
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典型的加密算法举例--一次一密乱码本(one-time pad)
字母先转换成与它们等价的数字（0-25） 与随机数 字求和，然后模26
密码本
•
. • 例如:电话本协商从35页开始,使用每个电话号码的中间2位. 再mod 26作为替换密码的密钥.
随机数来源于任何书籍\乐谱或其他具有可分析结构的对象
列置换举例
• • • • • • • • • • T H S A S A O S H O O L A R N S I T WO I M G H W U T P I R S E E O A M R O O K I S T W C N A S N S
tssoh oaniw hasso lrsto imghw utpir seeoa mrook istwc nasns
列置换给破译者的线索
双字母组\三字母组 • 英语中最常见的双字母组(digram)和三字母组(trigram) 出现频率有的高,有的低.
• Hash function, MAC
– Map input to short hash; ideally, no collisions – MAC (keyed hash) used for message integrity
• Signature scheme
– Functions to sign data, verify signature
破译的难度
• 字母表替换-- 26!种尝试 每微秒1种,1000多年 • 简化破译的方法: 利用语言知识(字母出现的频度). 当 报文足够长时 , 分析分布频率能快速暴露明文中的很多 字母. • 密码专家的两难选择: 规律化—算法化—方便记忆 但规律性给破译者提供了线索
典型的加密算法举例--一次一密乱码本(one-time pad)
术语
• 加密（encryption） • 解密(decryption) • 明文（plaintext） 密文（ciphertext） 算法（algorithm） 密钥（key） C=E(K,P) 对称（symmetric） P=D(K,E(K,P)) 非对称（asymmetric）P=D(KD,E(KE,P))
Evaluation of one-time pad
• Advantages – Easy to compute encrypt, decrypt from key, text – As hard to break as possible • This is an information-theoretically secure cipher • Given ciphertext, all possible plaintexts are equally likely, assuming that key is chosen randomly • Disadvantage – Key is as long as the plaintext • How does sender get key to receiver securely?
Basic Concepts in Cryptography
• Encryption scheme:
– functions to encrypt, decrypt data – key generation algorithm
• Secret key vs. public key
– Public key: publishing key does not reveal key-1 – Secret key: more efficient, generally key = key-1
特点：密码本 ,发送者与接收者一样 ,需要无限数量 的密钥.(每次替换都不一样) 长随机数序列 随机数发生器, 不是真正的随机数,实际上是具有 很长周期的序列 弗纳姆密码(Vernam Cipher) 使用任意长的不重复数序列 ,与明文组合在一起 . 电传打字机.只要密钥不重复使用,对破译攻击具 有免疫力.
Idea for stream cipher: use pseudo-random generators for key...
置换(transposition ) 排列(permutation)
列置换
加密/解密复杂度: 处理时间与报文长度成正比; 存储空间与报文长度直接相关 当时间要求很严格时,不 – – The solution to all security problems Reliable unless implemented properly Reliable unless used properly Something you should try to invent yourself unless • you spend a lot of time becoming an expert • you subject your design to outside review
KE,KD公私密钥对
典型的加密算法举例---替换法(substitution)
单一字母替换密码(monoalphabetic cipher) 或简单替换 法(simple substitution) 凯撒密码 (Caesar cipher) 将一个字母替换成它后面固 定位置的另一个字母. ci=E(pi)=pi+3 优缺点:简单易记.容易被推出完整的加密模式. 分析破译: 线索- 单词间的间隔被保留,双字母被保留. • 基于猜测的推论.也可以使用更加系统的方法.哪些字母 通常在词首\词尾\哪些前缀后缀常用.
第二讲 密码学及其应用
提纲
密码学的基本概念 典型的加密技术
替换 一次一密 置换
典型加密标准
对称密钥
分组加密 DES AES 流加密 RC4 公开密钥 RSA Diffie-Hellman 哈希与认证码
Cryptography
• Is
– A tremendous tool – The basis for many security mechanisms