chapter4 数据加密技术 - 贵州电子信息职业技术学院

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1、第四章 数据加密技术,本章学习的主要内容,数据加密的有关概念 传统的数据加密方法 对称加密算法的基本思想和应用 公开密钥加密算法的基本思想和应用 数据加密技术的应用：数字签名、报文摘要、SSL和SET协议、PGP加密系统,本章学习的教学要求,了解：数据加密的有关术语和方法、传统的数据加密方法 掌握：对称加密算法和公开密钥加密算法的特点和应用、数字签名、报文摘要、SSL和SET协议、PGP加密系统,互联网困境,密码的产生,我国古代的武经总要。 武经总要是一部中国古代北宋的军事著作。曾公亮和丁度两人奉皇帝之命用了五年的时间编成。该书是中国第一部规模宏大的综合性军事著作，对于研究宋朝以前的军事思想非

2、常重要。其中大篇幅介绍了武器的制造，对科学技术史的研究也很重要。 书中记载，北宋前期，在作战中曾用一首五言律诗的40个汉字，分别代表40种情况或要求，这种方式已具有了密本的特点。,1871年，上海大北水线电报公司的商用明码本和密本。 由上海大北水线电报公司选用6899个汉字，代以四码数字，成为中国最初的商用明码本，同时也设计了由明码本改编为密本及进行加乱的方法。在此基础上，逐步发展为各种比较复杂的密码。 公元前一世纪，古罗马皇帝凯撒使用有序的单表代替密码，之后逐步发展为密本、多表代替及加乱等各种密码体制。,二十世纪初，产生了机械式和电动式密码机，出现了商业密码机公司和市场。 二十世纪60年代后

3、，电子密码机得到较快的发展和广泛的应用，使密码的发展进入了一个新的阶段。,转轮机,基于转轮的机械加密设备，用来自动处理加密。,二十世纪早期的密码机。,概述 早在4000多年前，人类已经有了使用密码技术的记载。最早的密码技术源于“隐写术”：用明矾水在白纸上写字，当水迹干了后，就什么也看不到了，而当放在火上烤时，字就会显现出来。（明矾：十二水合硫酸铝钾，有抗菌作用、收敛作用等，可用做中药。 一般来说，隐写的信息看起来像一些其他的东西，例如一张购物清单，一篇文章，一篇图画或者其他“伪装”的消息。,公元前5世纪，古希腊斯巴达出现原始的密码器，用一条带子缠绕在一根木棍上，沿木棍纵轴方向写好明文，解下来的

4、带子上就只有杂乱无章的密文字母。解密者只需找到相同直径的木棍，再把带子缠上去，沿木棍纵轴方向即可读出有意义的明文。这是最早的换位密码。,网络信息安全受到的几种攻击,侦听(interception) 中途窃听,攻击保密性 服务中断(interruption) 攻击可用性 信息篡改（modification - of info）攻击完整性 消息伪造（fabrication - of info）攻击认证性,数据加密技术 将一个信息经过加密，变成无意义的密文，而接收方则将此密文经过解密还原成明文，这样的技术称为数据加密技术。 数据加密技术是网络信息安全的基础（防火墙技术、入侵检测技术等都是基于它的），

5、也是保证信息安全的重要手段之一（保证信息的完整性、机密性、可用性、认证性）。,密码学是一门研究密码技术的科学，包括 密码编码学和密码分析学，前者是研究加密的，后者是研究破译的。两者相互联系，相互支持。,密码学,密码学是一门研究秘密信息的隐写技术的学科 密码学技术可以使消息的内容对(除发送者和接收者以外)的所有人保密 密码学可以使接收者验证消息的正确性 密码学是解决计算机与通信安全问题重要技术之一,密码学基本术语,加密（encryption）E，将计算机中的信息进行一组可逆的数学变换的过程。 解密（decryption）D，与加密相反的过程 明文（plaintext ）P,变换前的原始消息 密文

6、（ciphertext）C,变换后的消息 密钥（key ）用于密码变换的，只有发送者和接收者拥有的秘密消息，是一组参与变换的参数。加密过程是在加密密钥Ke的参与,下进行，解密过程是在解密密钥Kd的参与下进行。 编码（encode）把明文变为密文的过程 译码（decode)把密文变为明文的过程 密码学（cryptology ）包括加密理论与解密理论的学科,明文,加密,密文,明文：P 密文：C 加密函数：E 解密函数：D 密钥：K（Ke,Kd）,加密： C = E(P,Ke) 解密： P = D(C,Kd),先加密后再解密，原始的明文将恢复：DK(EK(P) = P,解密,密码学的有关概念,密码学

7、发展的三个阶段,1949年之前，古典密码学阶段 1949年1975年，现代密码学阶段 1976年至今，公钥密码学阶段,古典密码学阶段 （1949年以前）,密码学还不是科学,而是艺术 出现一些密码算法和加密设备 保密针对的是字符 简单的密码分析手段出现 主要特点：数据的安全性取决于算法的保密,早期用来代表字母的符号,中国明代，宁王朱宸濠割据一方，他有谋逆之心，对不喜欢的人或毒杀或驱赶。江西巡抚先后或死或罢四五人，孙燧接任时说，这一去恐怕就没有回的。他把妻子儿子送回老家后，带两个僮仆上路。孙燧在江西任上加强兵力调配和兵器管理，严防朱造反。朱派人给孙燧送去枣梨姜芥四样果蔬，孙燧一看，笑而拒绝。那四样

8、果蔬何解？说穿了就是一种实物密码，“枣梨姜芥”即“早离疆界”。,中国古代的“藏头诗”。 唐寅诗集中有诗曰： 我画兰江水悠悠， 爱晚亭上枫叶稠。 秋月融融照佛寺， 香烟袅袅绕轻楼。 这是一首藏头诗，每句第一个字连起来便是“我爱秋香”,水浒传中为了拉卢俊义入伙，“智多星”吴用和宋江便生出一段“吴用智赚玉麒麟”的故事来，利用卢俊义正为躲避“血光之灾”的惶恐心理，口占四句卦歌： 芦花丛中一扁舟，俊杰俄从此地游。 义士若能知此理，反躬难逃可无忧。 暗藏“卢俊义反”四字，广为传播。结果，成了官府治罪的证据，终于把卢俊义“逼”上了梁山。,典型代表,这个阶段的密码学基本是一些对字符的替代和换位，比较简单。 一

9、、替换密码技术 明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符。 1、单表替换技术：替换时采用了单个字母表 2、多表替换技术：替换时采用了多个字母表 二、换位密码技术 明文中字母的顺序被打乱改变。,1、单表替换技术 实例凯撒密码 约公元前50年，罗马皇帝凯撒发明了一种用于战时秘密通信的方法。它是将字母按照字母表的顺序排列，最后一个字母和第一个字母首尾相连。明文中的每个字母用它后面第三个字母来代替，构成密文。也就是说，密文字母相对于明文字母循环右移了3位。,例如：shenzhen的凯撒密码为 vkhqckhq 凯撒密码破解起来比较简单，只要经过多次尝试找到密钥就可以了。 如果要增强它的保密性，可以

10、将映射表复杂化，把这26个字母的对应关系打散，比如： 字母a用f替换，b用q替换，c用z替换，这样的方法就称为单表替换技术。,尝试利用字母表破译以下句子： zhzloophhwdwwkhjdwhwrpruurzdiwhuqrrq,答案： We will meet at the gate tomorrow afternoon. 由于明文与密文之间存在一一对应的关系，所以在密文中仍然保存了明文中字母出现的规律，安全性比较低。,2、多表替换技术 实例费杰尔密码 通过循环采用一个有限的字母序列来实现替换。,例如：使用费杰尔密码加密明文：vigenere cipher 使用的密钥是“cat”。 在明文下

11、反复写上密钥： 明文：vig ene rec iph er 密钥：cat cat cat cat ca 加密时，以明文字母指定行，以密钥字母指定列。 密文：xiz gnx tev kpa gr 解密时，以密钥字母选择列，从表中找到密文字母， 所在的行就是明文字母。,可以看出，对于同一个明文字母，由于在明文中位置不同，将得到不同的密文字母，这样就在密文中消除了明文中字母出现的规律了。 多表替换密码显然要比单表替换密码要好，但是只要给密码分析员足够数量的密文样本，这个算法最终是可以破译的，这里的关键在于密钥。为了增强安全性，通常采用的方法是加长密钥的长度。,换位密码技术 与替换密码技术不同的是，换

12、位密码技术并没有换掉明文中的字母，而是通过改变明文字母的排列顺序来达到加密的目的。 例如：采用一个字符串“ABLE”为密钥，把明文“CAN YOU UNDERSTAND”进行列换位加密。,矩阵的列数由密钥的字母个数决定，按照密钥各个字母顺序的大小排出列号，将明文按行排列到矩阵中。最后以列的顺序将矩阵中的字母读出。 得到密文：CODTAUEAYNSDNURN。,现代密码学 （1949年1975年）,密码学成为科学 计算机的出现使得基于复杂计算的密码成为可能 相关技术的发展 1949年Shannon的保密系统的信息理论 1967年David Kahn的破译者 1971-1973年IBM Watso

13、n实验室的Horst Feistel及其同事发表了几篇技术报告 主要特点：数据的安全基于密钥而不是算法的保密,对称加密算法,典型代表,一、对称加密算法 如果在一个密码体系中，加密密钥和解密密钥相同，就称之为对称加密算法。使用这种算法，要求信息的发送者和接收者在安全通信之前商定一个密钥，因此，算法的安全性完全依赖于密钥的安全性，如果密钥丢失，就意味着任何人都能对加密信息进行解密了。,对称加密算法通信模型,对称加密算法可分成两类： 序列加密算法：一次只对明文中的一个位进行加密的算法。 分组加密算法：一次对明文中的一组位进行加密的算法 现代典型的分组加密算法的分组长度是64位，这个长度既方便使用，又

14、足以防止分析破译。,对称加密算法,数据加密标准（DES） 三重DES（Triple DES） 国际数据加密算法（IDEA） 高级加密标准（AES）,DES（数据加密标准）算法是一种最为典型的对称加密算法，是美国政府在1977年采纳的数据加密标准，是由IBM公司为非机密数据加密所设计的方案，后来被国际标准局采纳为国际标准。DES以算法实现快、密钥简短等特点成为现在使用非常广泛的一种加密标准。,数据加密标准（DES）,20世纪70年代初，非军用密码学的研究处于混乱不堪的状态中。 1972年，美国国家标准局（NBS），即现在的国家标准与技术研究所（NIST），拟定了一个旨在保护计算机和通信数据的计划

15、。计划中提出要开发一个单独的标准密码算法。 1973年，NBS公开征集标准密码算法。 1974年，NBS第二次征集。收到一个有前途的候选算法，该算法从IBM 1970年初开发出的Lucifer算法发展而来。,1975年3月，NBS公布了算法细节。 1976年11月，DES被美国政府采纳作为联邦标准，并授权在非密级的政府通信中使用。 1981年，美国国家标准研究所（ANSI）批准DES作为私营部门的标准（ANSI X3.92）。,学习： DES是一种分组加密算法，将输入的明文分成64位的数据块进行加密，密钥长度为64位，有效密钥为56位（其他8位用于奇偶校验），生成的密文为64位。,DES算法加

16、密流程,1、DES通过初始置换，将64位的明文数据分成左半部分和右半部分，各32位长。 利用密钥对数据交叉进行复杂的异或运算，完成16轮完全相同的迭代变换（Y=AB+AB） 将产生的新的64位的数据进行一个跟初始置换相反的逆置换，得到密文。,DES的破译,DES使用56位密钥对64位的数据块进行加密，并对64位的数据块进行16轮编码。在1977年，人们估计要耗资两千万美元才能建成一个专门计算机用于DES的解密，而且需要12个小时的破解才能得到结果。所以，当时DES被认为是一种十分强壮的加密方法。,DES算法具有极高的安全性，到目前为止，除了用穷举法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。若使用的密钥是56位的，可能的组合达到了2的56次方，也即7.2乘10的16次方种，意味着如果一台计算机的速度是每秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的。,当然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DE