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1、2014/9/221 信息安全与密码学 Information security 密码故事（The Code Book ），西蒙辛格，海南出版社 ； 破译者（The Codebreakers ），戴维卡恩，群众出版社 2.密码码学的基本概念 2014/9/22计算机科学与技术学院56 v密码学（Cryptology）： 密码编码 学（Cryptography）：研究密码编制的科学 密码分析学（Cryptanalysis）：研究密码破译的科学 v密码学的主要任务： 机密性 完整性 认证性（消息认证和实体认证） 不可否认性 现现代密码码学的主要研究内容 2014/9/22计算机科学与技术学院57
2、v密码学的基本思想是伪装信息，使未授权者不能 理解它的含义 明文(Plaintext,Message)：伪装前的原始数据 密文(Ciphertext) ：伪装后的数据 密钥(Key) ：参与密码变换 的参数 加密(Encrypt) ：伪装的过程 加密算法：用于对数据加密的一组数学变换 解密(Decrypt) ：将密文恢复为明文 解密算法：用于解密的一组数学变换 2014/9/22计算机科学与技术学院58 加密：E(P)=C 解密：D(C)=P 先加密，后解密： D(E(P)=P 2014/9/22计算机科学与技术学院59 Message 45#￥ %=-！ &* Message加密E解密D 公
3、共信道 明文P明文P 密文C v现代密码学中密码算法是公开的，那如何实现保 密哪？密钥（Key） 2014/9/22计算机科学与技术学院60 Message 45#￥ %=-！ &* Message加密E解密D 公共信道 明文P明文P 密文C 使用一个密钥的加密/解密 密钥k（Key ） 密钥k（Key ） 2014/9/22计算机科学与技术学院61 Message 45#￥ %=-！ &* Message加密E解密D 公共信道 明文P明文P 密文C 使用两个密钥的加密/解密 密钥k1（Key ） 密钥k2（Key ） 加密： E (P)=C 解密： D (C)=P 先加密，后解密：D (E
4、(P)=P 3.密码码体制 v密码码体制，也称密码码系统统(Cryptosystem)，由五部 分组成： 1.明文空间M全体明文的集合 2.密文空间C 全体密文的集合 3.密钥空间K 全体密钥的集合。其中每一个密钥K均由加 密密钥Ke和解密密钥Kd组成，即K Ke, Kd 4.加密算法E 一组由M到C的加密变换 5.解密算法D 一组由C到M的解密变换 2014/9/22计算机科学与技术学院62 密码码体制的简简化模型 2014/9/22计算机科学与技术学院63 KdKe 安全信道 MCCM 攻击者 明 文 加 密 算 法 公 共 信 道 解 密 算 法 明 文 加密密钥解密密 钥 密钥K 密码
5、码体制的设计设计 原则则 v 科克霍夫原则（Kerckhoffs Principle）：密码码系统统的安 全性不应该取决于不易改变的算法，而应取决于可随时时 改变变的密钥钥 v 科克霍夫假设：密码分析者知道密码算法，唯一不知道的 是密钥 v WHY？ 1.维护短的密钥比维护算法更容易；共享和安全存储短的密钥比共 享和安全存储百千倍的程序更容易；算法的细节更容易泄露（逆 向工程） 2.一旦密钥泄露，更换密钥比更换算法更容易（定期密钥更新） 3.多用户通信时，使用相同算法但不同的密钥比分别使用不同的算 法更容易 2014/9/22计算机科学与技术学院64 密码码体制的分类类 v密码码体制的分类类：
6、 对对称密码码 序列密码码 分组组密码码 公钥钥密码码 2014/9/22计算机科学与技术学院65 密码码体制的分类类 v对称密码体制（Symmetric Key Cryptosystem ；单密码体制、传统密码体制）：如果一个密码 体制的KdKe，或由其中一个很容易推出另一 个。如同现实生活中的保密箱机制 根据对明文和密文的处理方式和密钥的使用不同，又 可分为： 分组组密码码（Block cipher；第5章） 例如： DES、3DES、AES、IDEA等 序列密码码（流密码码，Stream cipher；第4章） 例如：RC4、A5、SEAL等 2014/9/22计算机科学与技术学院66
7、v公钥密码体制（Public Key Cryptosystem；非 对称密码体制、双钥密码体制；第8章）：如果在 计算上Kd不能由Ke推出，这样将Ke公开也不会损 害Kd的安全，于是便可将Ke公开 v典型的密码体制有： RSA ECC Rabin Elgamal NTRU 2014/9/22计算机科学与技术学院67 两种密码码体制的比较较 v对称密码体制优点： 速度快 密钥较短 密文往往与明文长度相 同 v对称密码体制缺点： 密钥分发需要安全通道 密钥量大，难于管理 难于解决不可否认问题 2014/9/22计算机科学与技术学院68 v公钥密码体制优点： 密钥分发相对容易 密钥管理简单 可以实现
8、数字签名 v公钥密码体制缺点： 加解密速度慢 密钥较长 密文长度往往大于明 文长度 4. 密码码分析 2014/9/22计算机科学与技术学院69 C=E(K,M) Alice (Encrypter)Bob(Decrypter) Hecker (Attacker，Eve) 攻击者通过搭线窃听、 电磁窃听等方式获得信 息（密文、部分明文等 ） v被动动攻击击与主动动攻击击： 被动动攻击击(passive attack)对一个保密系统采取截获 密文进行分析，如偷听、监视等 主动动攻击击(active attack) 非法入侵者主动干扰系统 ，采用删除、更改、增添、重放等方法向系统加入假 消息，进一步
9、可划分为： 伪造/伪装 重放 篡改 中断/拒绝服务（DoS） 2014/9/22计算机科学与技术学院70 对密码系统的攻击 v密码分析者破译或攻击密码的方法主要有 穷举攻击法（强力或蛮力（Brute force）攻击） 变体：字典攻击 统计分析法：根据明文、密文和密钥的统计规律来破 译密码的方法 多适用于对称密码体制 数学分析攻击法：针对加解密算法的数学基础和某些 密码学特性，通过数学求解的方法来破译密码 对适用于公钥密码体制 2014/9/22计算机科学与技术学院71 v根据密码分析者对明文、密文等数据资源的掌握 程度，可以将密码分析攻击分为以下几种： 惟密文攻击（Ciphertext-on
10、ly attack）被动攻击 已知明文攻击（Plaintext-known attack） 被动攻击 选择明文攻击（Chosen-plaintext attack） 主动攻击 自适应选择明文攻击（Adaptive-chosen-plaintext attack ） 选择密文攻击(Chosen-ciphertext attack) 主动攻击 自适应选择密文攻击（Adaptive-chosen-ciphetext attack ） v假设：攻击者知道密码算法 2014/9/22计算机科学与技术学院72 惟密文攻击 v 2014/9/22计算机科学与技术学院73 C=E(K,M) Alice (En
11、crypter) Bob (Decrypter) Hecker (Attacker) C 已知明文攻击 v 2014/9/22计算机科学与技术学院74 C=E(K,M) Alice (Encrypter) Bob(Decrypter) Hecker (Attacker) C (M,C) (M,C) (M,C) 选择明文攻击 2014/9/22计算机科学与技术学院75 C=E(K,M) Alice (Encrypter) Bob(Decrypter) Hecker (Attacker) C I am Bob, please send the ciphertext of M to me v 选择密
12、文攻击 v指密码分析者可以选择一些密文，并得到相应的 明文 v密码分析者的任务目标是推出密钥 v这种密码分析多用于攻击公钥密码体制 v选择密文攻击的一种变体：自适应选择密文攻击 2014/9/22计算机科学与技术学院76 C=E(K,M) Alice (Encrypter) Bob(Decrypter) Hecker (Attacker) C I am Bob, please send the Plaintext M of ciphertext C 攻击击的复杂杂性 v衡量密码系统攻击的复杂性主要考虑三个方面： l 数据复杂性（Data Complexity）：密码攻击所需要输 入的数据量 l
13、 处理复杂性（Processing Complexity）：完成攻击所 需要花费的时间 l 存储需求（Storage Requirement）：进行攻击所需要 的数据存储空间大小 v 攻击的复杂性取决于以上三个因素的最小复杂度 ，在实际实施攻击时往往要考虑这三种复杂性的 折衷，如存储需求越大，攻击可能越快 2014/9/22计算机科学与技术学院77 5. 密码码体制的安全性 一个安全的密码体制应该具有如下几条性质： 1. 从密文恢复明文应该是难的，即使分析者知 道明文空间（如明文是英语） 2. 从密文计算出明文部分信息应该是难的 3. 从密文探测出简单却有用的事实应该是难的 （如相同的信息被发
14、送了两次） 2014/9/22计算机科学与技术学院78 从攻击效果看，敌手可能达到以下结果： 1. 完全攻破：敌手找到了相应的密钥，从而可以恢复任 意密文 2. 全盘推导：密码分析者找到一个算法，使得可以在不 知道密钥的情况下通过替代算法恢复出任意密文 3. 部分攻破：敌手没有找到相应的密钥，但对于给定 的密文，敌手能够获得明文的特定信息 4. 密文识别：如对于两个给定的不同明文及其中一个明 文的密文，敌手能够识别 出该密文对应于哪个明文 ，或者能够识别 出给定明文的密文和随机字符串 2014/9/22计算机科学与技术学院79 评价密码体制安全性有不同的途径，包括： 无条件安全性（理论论安全性
15、） 如果密码分析者具有无限的计算能力，密码体制也不能被攻破， 那么这个密码体制就是无条件安全的 计计算安全性 如果攻破一个密码体制的最好算法用现在或将来可得到的资源都 不能在足够长 的时间 内破译，该密码体制被认为 是计算上安全 的 可证证明安全性 可证明安全性只是说明密码体制的安全与一个问题 是相关的，可 证明安全性也有时候被称为归约 安全性 2014/9/22计算机科学与技术学院80 本章小结结 v密码学的历史与发展情况 v介绍了密码码学的基本概念 密码学、密码分析学、密码编码 学、加密、解密、密 钥等 v密码码体制（五元组（M、C、K、E、D） v密码码分析 穷举攻击、统计分析、数学分析 唯密文攻击、已知明文攻击、选择明文攻击、选择密 文攻击 v密码体制的安全性 无条件安全、计算安全、可证明安全 2014/9/22计算机科学与技术学院81
