【正文】 課程綱要 ?信息加密技術(shù)的基本概念 ?對(duì)稱密碼學(xué) ?公鑰密碼學(xué) ?密 鑰管理與交換技術(shù) ?密碼分析與攻擊 ?網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù) ?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(jìn)行采樣 一、基本概念 數(shù)字通信系統(tǒng)研究領(lǐng)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(shù)編碼、矢量量化（ VQ）編碼、相關(guān)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(cuò)能力，又稱糾錯(cuò)碼。 ? 算法： BCH碼、循環(huán)碼、線性分組碼等。 ? 密碼學(xué) ? 目的：保密通信。 ? 算法：公鑰密碼體系、對(duì)稱鑰密碼體系。 ?密碼學(xué)是一門研究通信安全和保護(hù)信息資源的既古老而又年青的科學(xué)和技術(shù)。 ?密碼學(xué)包含兩方面內(nèi)容：密碼編碼學(xué)、密碼分析學(xué)。 密碼編碼學(xué)是對(duì)信息編碼以隱蔽信息的一門學(xué)問。 密碼分析學(xué)是研究分析破譯密碼的學(xué)問。 ?這二者既相互對(duì)立又相互促進(jìn)，共同推動(dòng)密碼學(xué)的發(fā)展。 一、基本概念 密碼學(xué)概述 一、基本概念 密碼學(xué)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(fù)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(duì)明文進(jìn)行加密時(shí)采用的一組規(guī)則。 解密算法： 對(duì)密文進(jìn)行解密時(shí)采用的一組規(guī)則。 密鑰： 加密和解密時(shí)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(xué)基本概念 密碼系統(tǒng) 一個(gè)密碼系統(tǒng)可以用以下數(shù)學(xué)符號(hào)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(dāng)給定密鑰 k∈ K時(shí)，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(xué) 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(hào)； 公元前約 50年，凱撒密碼－一種簡單的字符替換－被認(rèn)為是最早的正式算法； 雙軌式密碼、網(wǎng)格式密碼、字典編號(hào)密碼； 傳統(tǒng)密碼學(xué)、現(xiàn)代密碼學(xué)、量子密碼學(xué)。 應(yīng)用領(lǐng)域 軍事、外交、情報(bào) 商業(yè)、個(gè)人通信 一、基本概念 密碼體制的分類 單鑰密碼學(xué)（對(duì)稱密碼學(xué)） 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(diǎn)。 雙鑰密碼學(xué)（非對(duì)稱密碼學(xué)，公鑰密碼學(xué)） 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(jì) 算上是不可行的； 分發(fā)密鑰簡單。 一、基本概念 古 典 密 碼 學(xué) 已經(jīng)成為歷史，但被傳統(tǒng)密碼學(xué)所借鑒； 加解密都很簡單，易被攻破； 屬于對(duì)稱密鑰學(xué)； 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(xué) ? 代替密碼（ substitution cipher)：就是明文中的每一個(gè)字符被替換成密文中的另一個(gè)字符。接收者對(duì)密文做反向替換就可以恢復(fù)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(xué) ? 單表替代密碼 ——?jiǎng)P撒（ Caesar）密碼，又叫循環(huán)替代。 ? 加密方法：是將明文中的每個(gè)字母用此字符在字母表中后面第 K個(gè)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(gè)數(shù) K: 為密鑰 E(m)為密文字母在字母表中對(duì)應(yīng)的位置數(shù) 如：明文字母 H ,m=8 設(shè) k=4 則密文？ 一、基本概念 古 典 密 碼 學(xué) 20世紀(jì)的密碼機(jī) 二、對(duì)稱密碼學(xué) 對(duì)稱密碼學(xué)概述 加密： EK（ M） = C 解密： DK（ C） = M 等效于 DK（ EK（ M）） =M 數(shù)學(xué)變換 函數(shù) 密鑰 K 明文 密文 數(shù)學(xué)變換 函數(shù) 密鑰 K 明文 密文 二、對(duì)稱密碼學(xué) 對(duì)稱密碼學(xué)概述 網(wǎng)絡(luò) 信息 M 對(duì)稱密碼算法 密鑰 K 密文 C 用戶 A 對(duì)稱密碼算法 密文 C 用戶 B 信息 M 密鑰 K 二、對(duì)稱密碼學(xué) 對(duì)稱密碼學(xué)分類 塊密碼（分組密碼） 一次若干位一組地對(duì)明文進(jìn)行操作和運(yùn)算 流密碼（序列密碼） 每次一位地對(duì)明文進(jìn)行操作和運(yùn)算 二、對(duì)稱密碼學(xué) 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(duì)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(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ DES） 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ Data Encryption Standard） , 已經(jīng)有20多年的歷史； DES是一種對(duì)稱密碼算法， 1976年 11月 23日 DES被采納為聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)； DES是第一個(gè)得到廣泛應(yīng)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(shí)，基本上認(rèn)為不再安全。 二、對(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ DES） 該算法分三個(gè)階段實(shí)現(xiàn) 1. 給定明文 X， 通過一個(gè)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(jì)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(jì)算出的。 R16L16使用逆置換 IP1得到密文 Y。 Y=IP1（ R16L16） 二、對(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ 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(kuò)展置換 ⊕ ⊕ 二、對(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ 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(shí)現(xiàn)代替、置換及密鑰異或等運(yùn)算的函數(shù) 二、對(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ DES） 初始置換： 在第一輪運(yùn)算之前執(zhí)行，對(duì)輸入分組實(shí)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(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ DES） 二、對(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ DES） 密鑰置換： 不考慮每個(gè)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(dòng)的位數(shù)。 ? 移動(dòng)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(kuò)展置換： R I從 32位擴(kuò)展到了 48位。這個(gè)運(yùn)算改變了位的次序，重復(fù)了某些位。也稱 E盒。對(duì)每個(gè) 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(kuò)展置換 () ? S盒代替： 壓縮后的密鑰與擴(kuò)展分組異或以后，輸入 48位， 48位的輸入被分為 8個(gè) 6位的分組，每一分組對(duì)應(yīng)一個(gè) S盒代替操作，分組 1由 S盒 1操作 … 經(jīng)過 8個(gè) S盒時(shí)，每個(gè) S盒都有 6位輸入， 4位輸出，且這 8個(gè) 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(gè) S盒都是一個(gè) 4行、 16列的表。盒中的每一項(xiàng)都是一個(gè) 4位的數(shù)。 S盒的 6位輸入確定了其對(duì)應(yīng)的輸出在哪一行哪一列。 ?假定 S盒的 6位的輸入標(biāo)記為 b b … b1和 b6組合構(gòu)成了一個(gè) 2位的數(shù)，對(duì)應(yīng)著表中的一行。 B2b5構(gòu)成了一個(gè) 4位的數(shù)，對(duì)應(yīng)著表中的一列。 ?例如：設(shè)第 6個(gè) 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(yùn)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(dòng) 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(duì)稱密碼學(xué) 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（ 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(huì)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(shí)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(huì)（ EFF）使用一臺(tái)價(jià)值 25萬美元的計(jì)算機(jī)在 56小時(shí)之內(nèi)破譯了 56bit的 DES。 1999年 1月電子邊境基金會(huì)（ EFF）通過互聯(lián)網(wǎng)上的 10萬