【正文】 第 二 章 信息加密與密碼分析 2022年 3月 13日星期日 2022/3/13 主要內(nèi)容 ? ◎ 密碼學(xué)的基本概念，加密類型，混合加密方法以及消息一致性 ? ◎ 密碼學(xué)應(yīng)用，密碼分析與攻擊 ? ◎ 加密領(lǐng)域中兩種主流加密技術(shù)：DES加密和 RSA加密。 ? ◎ 加密工具 PGP 2022年 3月 13日星期日 ?密碼學(xué)的發(fā)展 第一階段是 1949年之前的古典密碼學(xué)時期 這階段的研究特點是： 1. 密碼學(xué)還不是科學(xué)，而是藝術(shù) 2. 出現(xiàn)一些密碼算法和加密設(shè)備 3. 密碼算法的基本手段出現(xiàn)，主要針對字符 4. 簡單的密碼分析手段出現(xiàn)，數(shù)據(jù)的安全基于算法的保密。 一、密碼學(xué)概述 第二階段是 19491975年近代密碼學(xué)時期 主要研究特點是：數(shù)據(jù)安全基于密鑰而不是算法的保密。 第三階段是 1976年以后的公鑰密碼學(xué)時期 該階段具有代表性的事件是： 1976年， Diffie和 Hellman提出了不對稱密鑰。 1977年， Rivest， Shamir和 Adleman提出了 RSA公鑰算法。 1977年， DES算法出現(xiàn)。 2022年 3月 13日星期日 80年代，出現(xiàn) IDEA和 CAST等算法。 90年代，對稱密鑰密碼算法進(jìn)一步成熟， Rijndael， RC6等出現(xiàn)，逐步出現(xiàn)橢圓曲線等其他公鑰算法。 2022年， Rijndael成為 DES算法的替代者。 2022年 8月，山東大學(xué)信息安全所所長王小云在國際會議上首次宣布了她及她的研究小組對 MD HAVAL12 MD4和 RIPEMD等四個著名密碼算法的破譯結(jié)果，引起世界轟動。 2022年 3月 13日星期日 ?密碼技術(shù)簡介 經(jīng)典的密碼學(xué)是關(guān)于加密和解密的理論，主要用于保密通信?，F(xiàn)已應(yīng)用于保證電子數(shù)據(jù)的保密性、完整性和真實性。 現(xiàn)代密碼技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)深入到數(shù)據(jù)處理過程的各個環(huán)節(jié)，包括：數(shù)據(jù)加密、密碼分析、數(shù)字簽名、信息鑒別、零知識認(rèn)證、秘密共享等。 密碼學(xué)的數(shù)學(xué)工具也更加廣泛，有概率統(tǒng)計、數(shù)論、代數(shù)、混沌和橢圓曲線等。 常用密碼學(xué)專業(yè)術(shù)語包括：消息和加密、鑒別、完整性和抗抵賴性、算法和密鑰、對稱算法和公開密鑰算法（非對稱算法），等等。 2022年 3月 13日星期日 ?消息和加密 加密 解密明文 密文 原始明文?鑒別、完整性和抗抵賴性 ? 除了提供機(jī)密性外，密碼學(xué)需要提供三方面的功能：鑒別、完整性和抗抵賴性。 鑒別： 消息的接收者應(yīng)該能夠確認(rèn)消息的來源；入侵者不可能偽裝成他人。 完整性 ：消息的接收者應(yīng)該能夠驗證在傳送過程中消息沒有被修改；入侵者不可能用假消息代替合法消息。 抗抵賴性 ：發(fā)送消息者事后不可能虛假地否認(rèn)他發(fā)送的消息。 2022年 3月 13日星期日 ?算法和密鑰 加密 解密明文 密文 原始明文密鑰 密鑰?加密和解密運算使用同一個密鑰 ?加密和解密運算使用不同的密鑰 加密 解密明文 密文 原始明文加密密鑰解密密鑰2022年 3月 13日星期日 ?對稱算法和公開密鑰算法 對稱算法要求發(fā)送者和接收者在安全通信之前，協(xié)商一個密鑰。對稱算法的安全性依賴于密鑰，泄漏密鑰就意味著任何人都能對消息進(jìn)行加解密。 對稱算法可分為兩類：序列算法和分組算法。 公開密鑰算法的加密的密鑰和解密的密鑰不同，而且解密密鑰不能根據(jù)加密密鑰計算出來，或者至少在可以計算的時間內(nèi)不能計算出來。 2022年 3月 13日星期日 二、加密類型簡介 ?Scytale密碼和愷撒密碼 ? 最先有意識的使用一些技術(shù)的方法來加密信息的可能是公元前 500年的古希臘人。他們使用的是一根叫 scytale的棍子。送信人先繞棍子卷一張紙條，然后把要寫的信息縱寫在上面，接著打開紙送給收信人。如果不知道棍子的粗細(xì)是不可能解密里面的內(nèi)容的。 2022年 3月 13日星期日 ? 公元前 50年，著名的愷撒大帝發(fā)明了一種密碼叫做愷撒密碼。在愷撒密碼中，每個字母都與其后第三位的字母對應(yīng)，然后進(jìn)行替換，比如“ a”對應(yīng)于“ d”，“ b”對應(yīng)于“ e”，以此類推。如果到了字母表的末尾，就回到開始，例如“ z”對應(yīng)于“ c”，“ y”對應(yīng)于“ b”，“ x”對應(yīng)于“ a”，如此形成一個循環(huán)。當(dāng)時羅馬的軍隊就用愷撒密碼進(jìn)行通信。 愷撒密碼明文字母表： A B C D E F G …… X Y Z 愷撒密碼密文字母表： D E F G H I J …… A B C 于是就可以從明文得到密文： 比如：明文為“ veni， vidi，vici”得到的密文“ YHAL， YLGL， YLFL”，意思是“我來，我見，我征服”，曾經(jīng)是愷撒征服本都王法那西斯后向羅馬元老院宣告的名言。 2022年 3月 13日星期日 ?代替密碼和置換密碼 代替 密碼 簡單代替密碼 多名碼代替密碼 多字母代替密碼 多表代替密碼 C I P H E R A B D F G K L M N O Q S T U V W X Y Z Playfair密碼 維吉尼亞密碼、博福特密碼、滾動密鑰密碼、 弗納姆密碼、轉(zhuǎn)輪機(jī)等 置 換密碼 ：明文的字母保持相同但順序被打亂了。 代替密碼 :明文中的每一個字符被替換成密文中的另一個字符。 2022年 3月 13日星期日 ?轉(zhuǎn)輪機(jī) 上個世紀(jì) 20年代，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪密碼，而由德國發(fā)明家亞瑟 謝爾比烏斯發(fā)明的 Enigma 密碼機(jī)最為著名。它主要由經(jīng)電線相連的鍵盤、轉(zhuǎn)子和顯示器組成，轉(zhuǎn)子本身也集成了 26條線路，把鍵盤的信號對應(yīng)到顯示器不同的小燈上去。 2022年 3月 13日星期日 2022年 3月 13日星期日 ? 德國人為了戰(zhàn)時使用，大大加強(qiáng)了其基本設(shè)計，軍用的 Enigma由 3個轉(zhuǎn)輪，從 5個轉(zhuǎn)輪中選取。轉(zhuǎn)輪機(jī)中還有一塊稍微改名明文序列的插板，有一個反射器導(dǎo)致每個轉(zhuǎn)輪對每一個明文字母操作兩次。 2022年 3月 13日星期日 轉(zhuǎn)子自身的初始方向，轉(zhuǎn)子之間的相互位置，以及連接板連線的狀況就組成了所有可能的 密鑰 ：三個轉(zhuǎn)子不同的方向組成了 26 26 26=17576種不同可能性；三個轉(zhuǎn)子間不同的相對位置為 6種可能性；連接板上兩兩交換 6對字母的可能性數(shù)目非常巨大，有 100391791500種；于是一共有17576 6 100391791500，大約為 10000000000000000，即一億億種可能性。 2022年 3月 13日星期日 ?一次一密亂碼本 這個方案需要注意兩點： 一是密鑰字母必須是真正隨機(jī)產(chǎn)生的； 二是密鑰不能重復(fù)使用。 無法破解的理想加密方案。 一次一密亂碼本的 缺點 就是要求密鑰序列的長度必須等于消息的長度，這使它非常不適于加密較長的消息，另外要保證發(fā)送者和接受者是完全同步的，因為哪怕傳輸中僅僅有 1位的偏移，就會導(dǎo)致消息變成亂七八糟的東西，無法解密。 2022年 3月 13日星期日 ?對稱與非對稱算法 2022年 3月 13日星期日 ?分組密碼和序列密碼 ? 按照加密時對明文的處理方法分類，密碼算法可以分為兩類：分組密碼和序列密碼。 ? 分組密碼將明文分成固定長度的組，典型分組長度是 64位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，密鑰的位數(shù)和這個固定的位數(shù)大致相等。 ? 序列密碼每次加密一位或一字節(jié)的明文，也稱為流密碼。序列密碼使用盡可能長的密鑰，由于長的密鑰的存儲，分配都很困難，因此，采用一個較短的密鑰來控制某種算法來產(chǎn)生出長的密鑰。序列密碼的加解密器采用較簡單的模 2加法器，這使它的實現(xiàn)相當(dāng)簡單，于是，它的關(guān)鍵就是產(chǎn)生密鑰序列的算法。 2022年 3月 13日星期日 三、常用加密算法簡介 1990年賴學(xué)家和梅西開發(fā)的 IDEA密碼首次成形，稱為PES，即“建議的加密標(biāo)準(zhǔn)”。次年，根據(jù)有關(guān)專家對這一密碼算法的分析結(jié)果，設(shè)計者對該算法進(jìn)行了強(qiáng)化并稱之為 IPES，即“改進(jìn)的建議加密標(biāo)準(zhǔn)”。該算法于 1992年更名為 IDEA，即“國際加密標(biāo)準(zhǔn)”。 ?IDEA算法 IDEA有多達(dá) 251個弱密鑰 ，這些弱密鑰是否會威脅它的安全性還是一個迷。但毫無疑問， IDEA密碼能夠抵 抗差分分析和線性分析 。 IDEA是一個對稱迭代分組密碼，分組長度為 64比特，密鑰長度為 128比特。 IDEA的軟件實現(xiàn)速度與 DES差不多。但硬件實現(xiàn)速度要比 DES快得多，快將近 10倍。 IDEA密碼中使用了以下三種不同的運算： ； 2加運算； 2+1乘運算。 2022年 3月 13日星期日 ? 2022年 10月， NIST宣布通過從 15種候選算法中選出的一項新的