計(jì)算機(jī)安全技術(shù)第5章(已修改)
2025-02-21 19:31 本頁(yè)面
【正文】 第五章 密 碼 技 術(shù) 密碼技術(shù)概述 密碼學(xué)（ Cryptology） 是一門古老而深?yuàn)W的學(xué)科，有著悠久、燦爛的歷史。密碼技術(shù)是研究數(shù)據(jù)加密、解密及變換的科學(xué)，涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子與通訊等諸多學(xué)科。雖然其理論相當(dāng)高深，但概念卻十分簡(jiǎn)單。密碼技術(shù)包含兩方面密切相關(guān)的內(nèi)容，即加密和解密。加密就是研究、編寫密碼系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)換為不可識(shí)別的密文的過(guò)程，而解密就是研究密碼系統(tǒng)的加密途徑，恢復(fù)數(shù)據(jù)和信息本來(lái)面目的過(guò)程。加密和解密過(guò)程共同組成了加密系統(tǒng)。 在加密系統(tǒng)中，要加密的信息稱為明文（ Plaintext）， 明文經(jīng)過(guò)變換加密后的形式稱為密文（ Ciphertext）。 由明文變?yōu)槊芪牡倪^(guò)程稱為加密（ Enciphering）， 通常由加密算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由密文還原成明文的過(guò)程稱為解密（ Deciphering）， 通常由解密算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 對(duì)于較為成熟的密碼體系，其算法是公開(kāi)的，而密鑰是保密的。這樣使用者簡(jiǎn)單地修改密鑰，就可以達(dá)到改變加密過(guò)程和加密結(jié)果的目的。 密鑰越長(zhǎng)，加密系統(tǒng)被破譯的幾率就越低。 根據(jù)加密和解密過(guò)程是否使用相同的密鑰，加密算法可以分為對(duì)稱密鑰加密算法（簡(jiǎn)稱對(duì)稱算法）和非對(duì)稱密鑰加密算法（簡(jiǎn)稱非對(duì)稱算法）兩種。 通過(guò)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密來(lái)保障其安全性 ， 已經(jīng)成為了一項(xiàng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全的基本技術(shù) ， 它可以用很小的代價(jià)為數(shù)據(jù)信息提供相當(dāng)大的安全保護(hù) ， 是一種主動(dòng)的安全防御策略 。 傳統(tǒng)的加密方法 傳統(tǒng)的加密方法有三種：替換密碼 、 變位密碼以及一次性加密 。 替換密碼 替代密碼是用一組密文字母來(lái)代替一組明文字母以隱藏明文，同時(shí)保持明文字母的位置不變。 最古老的一種替換密碼是愷撒密碼，愷撒密碼又被稱為循環(huán)移位密碼。 其優(yōu)點(diǎn)是密鑰簡(jiǎn)單易記，但由于明文和密文的對(duì)應(yīng)關(guān)系過(guò)于簡(jiǎn)單，所以安全性較差。 對(duì)于愷撒密碼的另一種改進(jìn)辦法是，使明文字母和密文字母之間的映射關(guān)系沒(méi)有規(guī)律可循。如將 26個(gè)字母中的每一個(gè)都映射成另一個(gè)字母，這種方法稱為單字母表替換，其密鑰是對(duì)應(yīng)于整個(gè)字母表的 26個(gè)字母串。 由于替換密碼是明文字母與密文字母之間的一一映射 ， 所以在密文中仍然保存了明文中字母的分布頻率 ， 這使得其安全性大大降低 。 小知識(shí)： 在英文中 ， e是最常用的字母 ， 接下來(lái)是 t， o， a， n， i 等 。 最常用的兩個(gè)字母的組合是 th， in， er， re和 an 。 最常見(jiàn)的三個(gè)字母的組合是 the， ing和ion 。 傳統(tǒng)的加密方法 變位密碼 在替換密碼中保持了明文的符號(hào)順序 ， 只是將它們隱藏起來(lái) ，而變位密碼卻是要對(duì)明文字母作重新排序 ， 但不隱藏它們 。 常用的變位密碼有列變位密碼和矩陣變位密碼 。 列變位密碼的密鑰是一個(gè)不含任何重復(fù)字母的單詞或短語(yǔ)，然后將明文排序，以密鑰中的英文字母大小順序排出列號(hào)，最后以列的順序?qū)懗雒芪摹? 矩陣變位密碼是把明文中的字母按給定的順序排列在一個(gè)矩陣中，然后用另一種順序選出矩陣的字母來(lái)產(chǎn)生密文。 傳統(tǒng)的加密方法 一次性加密 如果要既保持代碼加密的可靠性 ， 又保持替換加密器的靈活性 ， 可采用一次性密碼進(jìn)行加密 。 首先選擇一個(gè)隨機(jī)比特串作為密鑰 。 然后把明文轉(zhuǎn)換成一個(gè)比特串 ， 最后逐位對(duì)這兩個(gè)比特串進(jìn)行異或運(yùn)算 。 例如 ， 以比特串 “ 011010101001” 作為密鑰 ， 明文轉(zhuǎn)換后的比特串為 “ 101101011011” ， 則經(jīng)過(guò)異或運(yùn)算后 ， 得到的密鑰為“ 110111110010” 。 這種密文沒(méi)有給破譯者提供任何信息，在一段足夠長(zhǎng)的密文中，每個(gè)字母或字母組合出現(xiàn)的頻率都相同。由于每一段明文同樣可能是密鑰，如果沒(méi)有正確的密碼，破譯者是無(wú)法知道究竟怎樣的一種映射可以得到真正的明文，所以也就無(wú)法破譯這樣生成的密文。 與此同時(shí) ， 一次性加密在實(shí)踐中也暴露出了許多的缺陷 。 第一 ， 一次性加密是靠密碼只使用一次來(lái)保障的 ， 如果密碼多次使用 ， 密文就會(huì)呈現(xiàn)出某種規(guī)律性 ， 就有被破譯的可能 。 第二 ， 由于這種密鑰無(wú)法記憶 ， 所以需要收發(fā)雙方隨身攜帶密鑰 ， 極不方便 。 第三 ， 因?yàn)槊荑€不可重復(fù) ， 所以可傳送的數(shù)據(jù)總量受到可用密鑰數(shù)量的限制 。 第四 ， 這種方法對(duì)丟失信息或信息錯(cuò)序十分敏感 ， 如果收發(fā)雙方錯(cuò)序 ， 那么所有的數(shù)據(jù)都將被篡改 。 常用加密技術(shù)介紹 DES算法 數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn) DES（ Data Encryption Standard） 是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局于1977年公布的由 IBM公司研制的加密算法 。 DES被授權(quán)用于所有非保密通信的場(chǎng)合 ， 后來(lái)還曾被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織采納為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 。 DES是一種典型的按分組方式工作的單鑰密碼算法 。 其基本思想是將二進(jìn)制序列的明文分組 ， 然后用密鑰對(duì)這些明文進(jìn)行替代和置換 ， 最后形成密文 。 DES算法是對(duì)稱的 ， 既可用于加密又可用于解密 。 它的巧妙之處在于 ， 除了密鑰輸入順序之外 ， 其加密和機(jī)密的步驟完全相同 ， 從而在制作 DES芯片時(shí)很容易達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化和通用化 ， 很適合現(xiàn)代通信的需要 。 DES算法將輸入的明文分為 64位的數(shù)據(jù)分組，使用 64位的密鑰進(jìn)行變換，每個(gè) 64位的明文分組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初始置換、 16次迭代和逆置換三個(gè)主要階段，最后輸出得到 64位的密文。在迭代前，先要對(duì) 64位的密鑰進(jìn)行變換，密鑰經(jīng)過(guò)去掉其第 1 2。、 64位減至 56位，去掉的那 8位被視為奇偶校驗(yàn)位，不含密鑰信息，所以實(shí)際密鑰長(zhǎng)度為 56位。DES加密概況如圖所
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