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1、第2章 密码学的基本概念和信息理论 基础 信息工程学院 景旭 137599659721密码学的概念 密码学是研究密码系统或通信安全的一门学科,分为 密码编码学和密码分析学。 密码编码学是使得消息保密的学科，从事此行的称 为密码编码者。 密码分析学是研究加密消息的破译的学科，从事此 行的称为密码分析者，精于此道的 人被称为密码学 家，现代的密码学家通常是理论数学家。2密码学的发展历史 第1阶段：1949年以前,凭直觉和信念，是一种科学 ，更是一种艺术。 第2阶段：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。 第3阶段：1976年至今。 标志：197
2、6年Diffie和Hellman发表了密码学 新方向一文，密码学上的一场革命。首次证明 了在发送端和接收端不需要传输密钥的保密通信 的可能性，开创了公钥密码新纪元。3Shannon模型 4组成部分 X,明文（plain-text）： 作为加密输入的原始信 息。 Y,密文（cipher-text）：对明文变换的结果。 E,加密（encrypt）：是一组含有参数的变换。 D,解密（decrypt）：加密的逆变换。 Z,密钥（key）：是参与加密解密变换的参数。5密码体制的分类 几种不同的分类标准 按操作方式进行分类 操作方式：是明文变换成密文的方法。 替代操作、置换操作、复合操作。 按照使用密钥的
3、数量进行分类 对称密钥（单密钥）。 公开密钥（双密钥）。 按照对明文的处理方法进行分类 流密码。 分组密码。6对称密码体制对称密码体制:对称密钥或对称密钥密码体制。加解密 钥相同，或彼此之间容易相互确定。 流密码:将明文按字符逐位加密的密码体制。 分组密码:对明文进行分组基础上进行加密的密码体制在对称密钥密码体制下，密钥需要经过安全的通道由 发方传到收方，因此这种密码体制的安全性就是密 钥的安全性。 优点:安全性高，加密速度快。 缺点:密钥管理；无身份认证；缺乏自动检测密钥泄露 能力。7公钥密码体制公钥密码体制又称为双钥或非对称密钥密码体制。加 密和解密密钥不同，很难从一个推导出另一个。 优点
4、：简化密钥管理；有数字签名 缺点：算法复杂，加密速度慢。加解密采用对称密钥 密钥传送采用公钥密码8混合加密通信方式9Kerckhoffs假设 假定：密码分析者知道对方所使用的密码系统 包括明文的统计特性、加密体制（操作方式、处 理方法和加/解密算法 ）、密钥空间及其统计特 性。 不知道密钥。 在设计一个密码系统时，目标是在Kerckhoffs 假 设的前提下实现安全 。10密码分析 密码分析 ：从密文推导出明文或密钥 。 密码分析用出：成功的密码分析不仅能够恢复出密 钥和消息明文，而且能够发现密码体制的弱点。 分类： 惟密文攻击（cybertextonly attack）； 已知明文攻击（kn
5、ownplaintext attack）； 选择明文攻击（chosenplaintext attack）； 选择密文攻击（chosenciphertext attack）。 11惟密文攻击 密码分析者知道一些消息的密文（加密算法相同） ，并且试图恢复尽可能多的消息明文，并进一步试 图推算出加密消息的密钥（以便通过密钥得出更多 的消息明文。 惟密文攻击最容易防范，攻击者拥有的信息量最少 。 分析者可以捕获一段或更多的明文信息及相应密文 ，也可能得到某段明文信息的格式。 比如，pstscript格式加密文件总是以相同的格式开头 ；电子金融消息往往有标准化的文件头或标志。12已知明文攻击 密码分析者
6、不仅知道一些消息的密文，也知道与 这些密文对应的明文，并试图推导出加密密钥或 算法（该算法可对采用同一密钥加密的所有新消 息进行解密。 与已知明文攻击紧密相关的是可能词攻击。如果 攻击者处理的是一般散文信息，他可能对信息的 内容一无所知，但是如果它处理的是一些特定的 信息，他就可能知道部分内容。 比如，对于一个完整的数据库文件，攻击者可能 知道放在文件里的某些关键词；某些公司开发的 源程序可能包含该公司的版权信息，并放在某个 标准位置。13选择明文攻击 密码分析者不仅知道一些消息的密文以及与之对应 的明文，而且可以选择被加密的明文（这种选择可 能导致产生更多关于密钥的信息），并试图推导出 加密
7、密钥或算法（该算法可对采用同一密钥加密的 所有新消息进行解密）。 如果分析者能够通过某种方式，让发送方在发送的 信息中插入一段由他选择的信息，就可以选择明文 攻击了。 比如，差分密码分析 一般来说，如果分析者有办法选择明文加密，那么 它将特意选取那些最有可能恢复出密钥的数据。14选择密文攻击 密码分析者能够选择不同的密文并能得到对应的明 文，密码分析的目的是推导出密钥(主要用于公钥密 码体制，有时和选择明文攻击一起被称作选择文本 攻击,chosen-text attack)。 选择密文攻击和选择文本攻击在密码分析技术中很 少用到； 一般而言，设计的加密算法要能经受得住已知明文 的攻击15基于加
8、密信息的攻击类型16一个好的密码系统应满足 (1)系统理论上安全，或计算上安全; (2)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; (3)加密和解密算法适用于密钥空间中的所有元素; (4)系统既易于实现又便于使用。 17密码学的功能 保密性：基本功能，使非授权者无法知道消息的内 容。 鉴别：消息的接收者应该能够确认消息的来源。 完整性：消息的接收者应该能够验证消息在传输过 程中没有被改变。 不可否认性：发送方不能否认已发送的消息。 18古典加密技术 古典密码体制采用字符间相互替换或相互换位的方法，主要 有代替密码和置换密码。 代替密码：指的是明文中的每个字符被替换成密码
9、文中另一 个字符的密码构造方法。 简单代替，即单字母密码，如Caesar密码； 多码代替密码:明文一个字符被映射为密文的多个字符； 多字母代替密码:字符块被组成加密,如Huffman编码； 多表代替密码:由多个简单的代替密码构成,如Vigenre密 码、一次一密密码。 置换密码：实际上是一种特殊的代替密码，又称为换位密码 。在置换密码中，代替并没有改变明文字母，只是改变了这 些字母出现的顺序。19代替密码的特点 单字母代换密码 ：明文中字母的出现频度、重复字 母的模式和字母相互之间的结合模式等统计特性不 变，安全性差。 多码代替密码 ：没有隐藏明文中不同字母的统计特 性 ，安全性有所提高。(明
10、文攻击,抗唯密文攻击) 多字母代替密码 ：字符块被成组加密 ，有利于抗击 统计分析。 (已知明文攻击) 多表代替密码 ：有多个映射表，可隐藏单字母出现 的频率分布。20Caesar密码 已知的最早的代换密码是由Julius Caesar发明的Caesar 密码。他非常简单，就是对字母表中的每个字母用它 之后的第3个字母来代换。例如：明文：abcdefghijklmnopqrstuvwxyz密文：defghijklmnopqrstuvwxyzabc加密：C=E(p)=(p+k) mod (26) 0A。消息集M定义为M = SA。 50本章小结1、掌握密码学及其相关概念； 2、了解Shannon
11、的安全通信模型； 3、熟悉对称密码及公钥密码的概念、特点； 4、了解好的密码系统应该满足的要求； 5、掌握传统密码加解密方法的原理； 6、掌握常见传统加解密方法：凯撒密码、 Vigenre密 码 及置换技术51作 业1、关键术语 密码编码学(P30)、密码分析学(30)、明文(31)、密文(31)、密钥 (31)、加密算法(31)、解密算法(31)、对称密码(32)、公钥密 码(32)、流密码(32)、分组密码(32)、代替密码(34)、置换密 码(34)、”计算上安全”的密码系统(40)、无条件安全密码系统 (40)、认证理论研究目标(42)、认证码(42) 2、思考题 本题探讨了Vigenre密码一次一密版本的用途。在这种方案中 ，密钥是0至26之间的随机数流。例如，如果密钥是3 19 5 ，则明文的首个字母使用3个字母的移位加密，第 二个字母使用19个字母的移位加密，第三个字母使用5个字母 的移位加密，依次类推。 (1)使用密钥流9 0 1 7 23 15 21 14 11 11 2 8 9加密明文sendmoremoney; (2)使用(a)中产生的密文找到一个密钥，以便该密文解密为 cashnotneeded52
