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1、第八章 保密通信的信息理论,本章主要内容,保密系统的数学模型,数据加密标准,国际数据加密算法,保密通信基础知识,公钥加密方法,信息安全与数字签名,现代密码学 密码技术最早出现并且至今仍是对数据、数字信息进行保密的最有效的安全技术。 1949年香农（Shannon）发表了“保密系统的通信理论”的著名论文，将信息理论引入了密码学，提出了通用的密钥密码系统模型，引进了不确定性、剩余度和唯一解距离作为度量密码系统安全性的测度，对完全保密、纯密码、理论安全性和实用安全性等新概念作了论述，为传统的秘密钥密码学研究奠定了理论基础。 1976年，狄非（Diffie）和赫尔曼（Hellman）在“密码学的新方向
2、”一文中，提出了将加密密钥和解密密钥分开，且加密密钥公开，解密密钥保密的公钥密码体制，导致了密码学上的一场革命，开创了现代密码学的新领域。,其中一个变换应用于数据起源项，称为明文，所产生的相应数据项称为密文。而另一个变换应用于密文，恢复出明文。这两个变换分别称为加密变换和解密变换。习惯上，也使用加密和解密这两个术语。 加密变换将明文数据和一个称作加密密钥的独立数据值作为输入。类似地，解密变换将密文数据和一个称作解密密钥的独立数据值作为输入。这些数据看上去像随机比特向量。,明文是没有受到保护的数据。密文可在一个不可信任的环境中传送，因为如果密码体制是安全的，那么任何不知道解密密钥的人都不可能从密
3、文推断出明文。,密钥体制可根据所采用的密钥类型分为对称（单密钥）体制(One-key or Symmetric Cryptosystem)和非对称（双钥密）体制(Two-key or Asymmetric Cryptosystem)。,私钥密码体制原理示意图,公钥密码体制原理示意图,（1）在密码技术中，加密和解密实质上是某种“密码算法”，按密码算法进行变换的控制参数就是“密钥”。 （2）一个好的密码系统必须具有抗破译的能力，使这种破译不可能，或者即使理论上可破译，而实际上这种破译很困难。 （3）对信息的加密方式来看，可分为分组密码和序列密码两大类。 （4）从密钥体制来看，可分为秘密钥密码体制和
4、公开钥密码体制。,现代密码设计应遵循的一些原则,（1）系统即使达不到理论上不可破，也应当是实用上不可破的； （2）系统的保密性不依赖于对加密、解密算法及系统的保密，仅依赖于密钥的保密性； （3）加密、解密运算简单快速，易于实现； （4）密文相对于明文扩张小； （5）错误传播扩散小； （6）密钥量适中，分配管理容易。,密码学中熵的概念,密码学和信息论一样，都是把信源看成是符号（文字、语言等的集合，并且它按一定的概率产生离散符号序列。香农对密码学的重大贡献之一在于他指出：冗余度越小，破译的难度就越大。 所有实际密码体制的密文总是会暴露某些有关明文的信息。在一般情况下，被截获的密文越长，明文的不确定
5、性就越小，最后会变为零。理论上可破译。但实际把明文计算出来的时空也许超过实际上可供使用的资源。重要的不是密码体制的绝对安全性，而是它在计算上的安全性。 香农提出了两种隐蔽明文信息中冗余度的基本技术：混乱和扩散。最容易的混乱是替代；产生扩散最简单的方法是通过换位。,数据加密标准DES,换位和替代密码可使用简单的硬件来实现。如图所示：,换位盒（P盒）,替代盒（S盒）,单独使用P盒或位数较少的S盒，可以比较容易地检测出它们的输入输出对应关系。交替使用这两者,则可以大大提高安全性。如图所示：(15位的P盒与5个并置的3位S盒所组成的7层硬件密码产生器)。,算法描述,初始置换,第1轮,第2轮,第16轮,
6、32bit 对换,逆初始置换,64bit 密文,64bit 明文,置换选择2,置换选择2,循环左移,循环左移,置换选择2,循环左移,置换选择1,56bit 密钥,K1,K2,K16,加密流程： 1. 对明文比特进行初始置换 2. 将所得的结果进行完全相同的依赖于密钥的 16轮处理 3. 最后应用一个末尾置换获得密文 依赖于密钥的计算： 将64比特的数据分成两半。其中一半作为一个 复杂函数的输入，并且将其输出结果与另一半进行 异或。 复杂函数：包括8个称为S-盒的非线性代换。 DES的安全性主要依赖于S-盒，而且S-盒是其唯一的非线性部分。,DES密码的安全性,1997年1月28日，美国的RSA
7、数据安全公司在RSA安全年会上公布了一项“秘密钥挑战”竞赛，悬赏1万美元破译密钥长度为56比特的DES。这场竞赛的目的是调查Internet上分布计算的能力，并测试DES的相对强度。 美国克罗拉多州的程序员Verser从1997年3月13日起，用了96天的时间，在Internet上数万名志愿者的协同工作下，于6月17日成功地找到了DES的密钥。这一事件表明依靠Internet的分布计算能力，用穷尽搜索方法破译DES已成为可能。 1998年7月17日电子边境基金会（EFF）使用一台25万美金的电脑在56小时内破解了56比特的DES。1999年1月RSA数据安全会议期间，电子边境基金会用22小时1
8、5分钟就宣告完成RSA公司发起的DES的第三次挑战。,国际数据加密算法（IDEA）,IDEA使用128位密钥，整个算法和DES相似，也是将明文划分成一个个64位分组，经过8轮迭代体制和一次变换，得出64位的密文。同一个算法即可用于加密，也可用于解密。,乘加单元,加密过程：,公开密钥加密法,原理框图,两个密钥。一个公开作为加密密钥，另一个为用户专用，作为解密密钥。,公开密钥密码体制 公钥密码技术是由Diffe和Hellman于1976年首次提出的一种密码技术。 特点：有两个不同的密钥，将加密功能和解密功能分开。公钥私钥 基本特性：给定公钥，要确定出私钥是计算上不可行的。 公钥密码技术可以简化密钥
9、的管理，并且可通过公开系统如公开目录服务来分配密钥。,当今最流行的公钥密码体制有两大类： 基于大整数因子分解问题的，比如RSA体制、Rabin体制。 基于离散对数问题的，比如ElGamal体制、椭圆曲线密码体制。,设计公开钥密码系统的理论基础,设计公开钥密码系统的理论基础是陷门单向函数（Trap-door one-way function）。 所谓单向函数y=f(x)是指这样的函数，由x容易计算该函数本身，但由y计算x，即该函数的反函数的计算是困难的，在计算量上无法进行计算。 仅仅是单向函数还不能用作加密算法，因为这样就会使合法的收信者也不能解密，所以函数必须具有陷门单向函数的性质。 所谓陷门
10、单向函数是这样一种函数，存在某个附加的边信息，称为陷门信息k，当k未知时，y=f(x) 为一单向函数，但当 k已知时，由y可计算x。 y=f(x)计算 x 是容易的。,RSA密码体制,发明者：Rivest、Shamir、Adleman 基本事实：寻找大素数是相对容易的，而分解两个大素数的积是计算上不可行的。 属于可逆的公钥密码体制,RSA密钥对的产生： 选一个整数e，作为公开指数。 随机产生两个大奇素数p和q，使得p-1和q-1都与e互素。 确定秘密指数d，其中d满足条件： (p-1)|(de-1) (q-1)|(de-1) 公开的模是n=pq n和e形成公钥 p,q和d构成秘密密钥,指数d和
11、e的特征： 对任何消息M，有 (Me)d mod=M mod n 对消息M，加密过程为: M=Me mod 对密文M，解密过程为：M=(M)d mod n,报文摘要MD5,MD（Message Digest）基于单向散列（Hash）函数的思想，该函数从一段很长的报文中计算出一个固定长度的比特串，作为该报文的摘要。,基于MD5消息摘要模型,信息安全与数字签名,信息安全就是在网络环境下信息系统中的数据受到指定保护，不因偶然和恶意的原因而遭到破坏、更改、泄露，使信息系统能连续、可靠、正常地运行，或因破坏后还能迅速恢复正常使用的安全过程。,五种通用的安全业务： 认证（authentication）业务 访问控制（access control）业务 保密（confidentiality）业务 数据完整性(data integrity)业务 不可否认(no-repudiation)业务,数字签名,数字签名必须保证以下三点： 接收者能够核实发送者对报文的签名； 发送者事后不能抵赖对报文的签名； 接收者不能伪造对报文的签名。,目前有两大类加密算法：一类是秘密密钥加密方法，代表是DES算法；另一类是公开密钥加密算法，代表是RSA算法。因此介绍对应的两类数字签名算法。,秘密密钥加密方法,在两陌生人A和B之间采用秘密密钥报文签名传送,公开密钥的数字签名,使用公开密钥加密法的数字签名,
