【正文】 課程綱要 ?信息加密技術的基本概念 ?對稱密碼學 ?公鑰密碼學 ?密 鑰管理與交換技術 ?密碼分析與攻擊 ?網(wǎng)絡加密技術 ?加密解密案例 一、基本概念 數(shù)字通信系統(tǒng)模型 信源編碼 加密 信道編碼 公開信道 信源譯碼 信道譯碼 解密 首先進行采樣 一、基本概念 數(shù)字通信系統(tǒng)研究領域 ? 信源編碼 ? 目的：采集數(shù)據(jù)、壓縮數(shù)據(jù)以利于信息的傳送。 ? 算法：算術編碼、矢量量化（ VQ）編碼、相關信源編碼、變換編碼等。 ? 信道編碼 ? 目的：數(shù)據(jù)在信道上的安全傳輸，使具有自我糾錯能力，又稱糾錯碼。 ? 算法： BCH碼、循環(huán)碼、線性分組碼等。 ? 密碼學 ? 目的：保密通信。 ? 算法：公鑰密碼體系、對稱鑰密碼體系。 ?密碼學是一門研究通信安全和保護信息資源的既古老而又年青的科學和技術。 ?密碼學包含兩方面內(nèi)容：密碼編碼學、密碼分析學。 密碼編碼學是對信息編碼以隱蔽信息的一門學問。 密碼分析學是研究分析破譯密碼的學問。 ?這二者既相互對立又相互促進，共同推動密碼學的發(fā)展。 一、基本概念 密碼學概述 一、基本概念 密碼學基本概念 明文： 需要秘密傳送的消息。 密文： 明文經(jīng)過密碼變換后的消息。 加密： 由明文到密文的變換。 解密： 從密文恢復出明文的過程。 破譯： 非法接收者試圖從密文分析出明文的過程。 加密算法： 對明文進行加密時采用的一組規(guī)則。 解密算法： 對密文進行解密時采用的一組規(guī)則。 密鑰： 加密和解密時使用的一組秘密信息。 加解密過程示意圖 明文 明文 密文 加密算法 解密算法 密鑰 密鑰 一、基本概念 密碼學基本概念 密碼系統(tǒng) 一個密碼系統(tǒng)可以用以下數(shù)學符號描述： S = {P， C， K， E， D} P = 明文空間 C = 密文空間 K = 密鑰空間 E = 加密算法 D = 解密算法 當給定密鑰 k∈ K時，加解密算法分別記作Ek、 Dk，密碼系統(tǒng)表示為 Sk = {P， C， k， Ek， Dk} C = Ek（ P） P = Dk（ C） = Dk（ Ek（ P） ） 一、基本概念 密 碼 學 歷 史 發(fā)展史 早在 4000多年以前，古埃及人就在墓志銘中使用過類似于象形文字那樣奇妙的符號； 公元前約 50年，凱撒密碼－一種簡單的字符替換－被認為是最早的正式算法； 雙軌式密碼、網(wǎng)格式密碼、字典編號密碼； 傳統(tǒng)密碼學、現(xiàn)代密碼學、量子密碼學。 應用領域 軍事、外交、情報 商業(yè)、個人通信 一、基本概念 密碼體制的分類 單鑰密碼學（對稱密碼學） 加密密鑰和解密密鑰相同； 系統(tǒng)的保密性取決于密鑰的安全性； 如何分發(fā)密鑰是難點。 雙鑰密碼學（非對稱密碼學，公鑰密碼學） 加密密鑰和解密密鑰不同； 系統(tǒng)的安全保障在于要從公開鑰和密文推出明文或私鑰在計 算上是不可行的； 分發(fā)密鑰簡單。 一、基本概念 古 典 密 碼 學 已經(jīng)成為歷史，但被傳統(tǒng)密碼學所借鑒； 加解密都很簡單，易被攻破； 屬于對稱密鑰學； 包括置換密碼、單表代換密碼、 多表代換密碼等 ? 置換密碼 (permutation cipher)，又稱換位密碼（ transposition cipher)：明文的字母保持相同，但順序被打亂了。 ? 周期性換位 ? E =（ 2， 1， 4， 3） ? D =（ 2， 1， 4， 3） ? M =“置換密碼 ” ? C = E(M) = “換置碼密 ” ? 矩陣換位 將明文 P=can you understand排列為 4 4的矩陣： 列序： 1 2 3 4 c a n y o u u n d e r s t a n d 密鑰： 4 3 1 2表示將矩陣中第 1列字符作為密文序列的第 3組，矩陣中第 2列作為密文序列的第 2組，依次類推，結(jié)果如下： C=y n s d n u r n c o d t a u e a 一、基本概念 古 典 密 碼 學 ? 代替密碼（ substitution cipher)：就是明文中的每一個字符被替換成密文中的另一個字符。接收者對密文做反向替換就可以恢復出明文。 單表代換密碼舉例 明文： a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 密文： D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C m = “Caser cipher is a shift substitution” c = “FDVHDU FLSHU LV D VKLIW VXEVWLWXWLRO” 一、基本概念 古 典 密 碼 學 ? 單表替代密碼 ——凱撒（ Caesar）密碼，又叫循環(huán)替代。 ? 加密方法：是將明文中的每個字母用此字符在字母表中后面第 K個字母替代。它的加密過程可以表示為下面的函數(shù)： E(m)=(m+K) mod n m: 為明文字母在字母表中的位置數(shù) n: 為字母表中的字母個數(shù) K: 為密鑰 E(m)為密文字母在字母表中對應的位置數(shù) 如：明文字母 H ,m=8 設 k=4 則密文？ 一、基本概念 古 典 密 碼 學 20世紀的密碼機 二、對稱密碼學 對稱密碼學概述 加密： EK（ M） = C 解密： DK（ C） = M 等效于 DK（ EK（ M）） =M 數(shù)學變換 函數(shù) 密鑰 K 明文 密文 數(shù)學變換 函數(shù) 密鑰 K 明文 密文 二、對稱密碼學 對稱密碼學概述 網(wǎng)絡 信息 M 對稱密碼算法 密鑰 K 密文 C 用戶 A 對稱密碼算法 密文 C 用戶 B 信息 M 密鑰 K 二、對稱密碼學 對稱密碼學分類 塊密碼（分組密碼） 一次若干位一組地對明文進行操作和運算 流密碼（序列密碼） 每次一位地對明文進行操作和運算 二、對稱密碼學 塊 密 碼 工作方式 將明文分成固定長度的組（塊），如64bit一組，用同一密鑰和算法對每一塊加密，輸出也是固定長度的密文。 主要算法 DES、 3DES、 IDEA、 RC AES等。 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 數(shù)據(jù)加密標準（ Data Encryption Standard） , 已經(jīng)有20多年的歷史； DES是一種對稱密碼算法， 1976年 11月 23日 DES被采納為聯(lián)邦標準； DES是第一個得到廣泛應用的密碼算法； DES是一種分組加密算法，輸入的明文為 64位，密鑰為56位，生成的密文為 64位； DES已經(jīng)過時，基本上認為不再安全。 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 該算法分三個階段實現(xiàn) 1. 給定明文 X， 通過一個固定的初始置換 IP來排列 X中的位，得到X0。 X0=IP（ X） =L0R0 其中 L0由 X0前 32位組成， R0由 X0的后 32位組成。 F的 16次迭代 , 根據(jù)下述規(guī)則來計算 LiRi(1=i=16） Li=Ri1, Ri=Li1 ? F(Ri1, Ki) 其中 Ki是長為 48位的子密鑰。子密鑰 K1， K2， … ， K16是作為密鑰 K（ 56位）的函數(shù)而計算出的。 R16L16使用逆置換 IP1得到密文 Y。 Y=IP1（ R16L16） 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 輸入64位 比特明文IP置 換表L0R0Li = Ri1 Ri = Li⊕f ( Ri1,Ki) （i = 1 , 2 , ?1 6 ）迭代16次IP逆 置換表輸出64位 比特密文L i1 R i1 P盒置換 R i L i 密鑰 移位 密鑰 移位 壓縮置換 S盒代替 擴展置換 ⊕ ⊕ 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 圖 1一輪 DES L i=R i1 R i= L i1⊕ f(R i1,K i) **注：其中 L i和 R i是某一輪 DES迭代的結(jié)果的左半部分和右半部分，是第 i輪的 48位密鑰，且 f是實現(xiàn)代替、置換及密鑰異或等運算的函數(shù) 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 初始置換： 在第一輪運算之前執(zhí)行，對輸入分組實施如下表所示。例如：初始置換把明文的第 58位換到第 1位的位置，把第 50位換到第 2位的位置 … 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） 密鑰置換： 不考慮每個字節(jié)的第 8位， DES的密鑰由 64位減至 56位如下表所示 () 在 DES的每一輪中，從 56位密鑰產(chǎn)生出不同的 48位子密鑰 子密鑰的產(chǎn)生： ? 56位密鑰被分成兩部分，每部分 28位。然后，根據(jù)輪數(shù)，這兩部分分別循環(huán)左移 1位或 2位。如下表給出了每輪移動的位數(shù)。 ? 移動后經(jīng)過壓縮置換從 56位選出 48位 輪 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 位數(shù) 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 壓縮置換表 () ? 擴展置換： R I從 32位擴展到了 48位。這個運算改變了位的次序，重復了某些位。也稱 E盒。對每個 4位輸入分組 ,第 1和第 4位分別表示輸出分組中的兩位 ,而第 2， 3位表示輸出分組中的一位。 1 2 48 2 4 32 1 3 5 6 7 3 4 6 9 5 8 7 …… 擴展置換 () ? S盒代替： 壓縮后的密鑰與擴展分組異或以后，輸入 48位， 48位的輸入被分為 8個 6位的分組，每一分組對應一個 S盒代替操作，分組 1由 S盒 1操作 … 經(jīng)過 8個 S盒時，每個 S盒都有 6位輸入， 4位輸出，且這 8個 S盒是不同的。最后輸出 32位 48位輸入 32位輸出 S盒 1 S盒 2 S盒 7 S盒 8 …… ?每個 S盒都是一個 4行、 16列的表。盒中的每一項都是一個 4位的數(shù)。 S盒的 6位輸入確定了其對應的輸出在哪一行哪一列。 ?假定 S盒的 6位的輸入標記為 b b … b1和 b6組合構(gòu)成了一個 2位的數(shù)，對應著表中的一行。 B2b5構(gòu)成了一個 4位的數(shù)，對應著表中的一列。 ?例如：設第 6個 S盒的輸入為 110011,則 11——三行，1001——九列，三行九列處的數(shù)為 14，則輸出 1110 **問題： B1=010011,輸出？ P盒置換： S盒代替運算后的 32位輸出作為 P盒置換輸入，該置換把每輸入位映射到輸出位 () 末置換：末置換是初始置換的逆過程（ ) ? DES解密 **加密和解密可以使用相同的算法 **解密要求密鑰的次序相反 **子密鑰生成，要求密鑰向右移動 輪 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 位數(shù) 1 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 二、對稱密碼學 數(shù)據(jù)加密標準（ DES） DES密鑰長度太小 DES迭代次數(shù)可能太少 DES的破解 1997年 1月 28日， RSA數(shù)據(jù)安全公司在 RSA安全年會上懸賞 10000美金破解 DES，克羅拉多州的程序員 Verser在 Inrer上數(shù)萬名志愿者的協(xié)作下用 96天的時間找到了密鑰長度為 40bit和 48bit的 DES密鑰。 1998年 7月電子邊境基金會（ EFF）使用一臺價值 25萬美元的計算機在 56小時之內(nèi)破譯了 56bit的 DES。 1999年 1月電子邊境基金會（ EFF）通過互聯(lián)網(wǎng)上的 10萬