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密码学第1讲--概述_图文

应用密码学

1 课程相关介绍--教材

使 用 的 教 材

2013年1月15日

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现代密码学

1 课程相关介绍--参考书籍

教 学 参 考 书 1
2013年1月15日
3

现代密码学

1 课程相关介绍--参考书籍

教 学 参 考 书 2
2013年1月15日
4

现代密码学

1 课程相关介绍--参考书籍

(3) Handbook of Applied Cryptology (电子书籍,Internet网上可下载)

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现代密码学

1 课程相关介绍--课程讲授

主讲学时:54学时

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现代密码学

第一章 概述

2013年1月15日

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现代密码学

1 课程相关介绍--概念

什么叫密码学? ? 密码学(Cryptology): 是研究密码编制、密码 破译和密码系统设计的的一门综合性科学,其 包括密码编码学和密码分析学。 ? 密码编码学(Cryptography): 主要研究对信息 进行编码,实现对信息的隐蔽。 ? 密码分析学(Cryptanalytics):主要研究加密消 息的破译或消息的伪造。 现代密码学

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1 课程相关介绍—密码学研究的内容

编码学研究的主要内容: ? 序列密码算法的编码技术 ? 分组密码算法的编码技术 ? 公钥密码体制的编码技术
加密算法、 数字签名方案、 密钥分配方案 认证方案 单向函数等

传统且主流的研 究方向

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现代密码学

1 课程相关介绍—密码学研究的内容
?

序列密码:也称为流密码(Stream Cipher),它是对称 密码算法的一种。1949年Shannon证明了只有一次一密 的密码体制是绝对安全的,这给序列密码技术的研究 以强大的支持, “一次一密”的密码方案成为序列密 码的雏形。如果序列密码所使用的是真正随机方式的 、与消息流长度相同的密钥流,则此时的序列密码就 是一次一密的密码体制。若能以一种方式产生一随机 序列(密钥流),则利用这样的序列就可以进行加密 ,即将密钥、明文表示成连续的符号或二进制,对应 地进行加密。序列密码目前主要应用于军事和外交等 机密部门,因此许多研究成果没有公开。目前,公开 的序列密码算法主要有RC4、SEAL算法。

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现代密码学

1 课程相关介绍—密码学研究的内容
?

分组密码:分组密码是将明文消息编码表示后的数字 (简称明文数字)序列,划分成长度为n的组(可看成 长度为n的矢量),每组分别在密钥的控制下变换成等 长的输出数字(简称密文数字)序列.因此与序列密码 每次加密处理数据流的一位或一个字节不同,分组密 码处理的单位是一组明文,即将明文消息编码后的数 字序列m0,m1,m2,…,mi划分成长为L位的组 m=(m0,m1,m2,…,mL-1),各个长为L的分组分别在密钥 k=(k0,k1,k2,…,kt-1)(密钥长为t)的控制下变换成与 明文组等长的一组密文输出数字序列c=(c0,c1,c2,…,cL1)。L通常为64或128。目前主要的分组密码算法包括 DES 、IDEA等算法。

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现代密码学

1 课程相关介绍—密码学研究的内容
?

公钥密码:用抽象的观点来看,公钥密码就是一种陷门单向函数 。我们假如说一个函数f是单向函数,即若对它的定义域中的任意 x都易于计算y=f(x),而当f的值域中的y为已知时要计算出x是非常 困难的。若当给定某些辅助信息(陷门信息)时则易于计算出x, 就称单向函数f是一个陷门单向函数。公钥密码体制就是基于这一 原理而设计的,将辅助信息(陷门信息)作为秘密密钥。加密体 制分为:1、对称密钥:加密、解密用的是同一个密钥,一旦密钥 持有方任何一方泄露密钥——加密的内容将不再安全。 2、不对称密钥——即公钥加密,加密、解密用的是不同的密钥 ,一个密钥“公开”,即公钥,另一个自己秘密持有,即私钥, 加密方用公钥加密,只有用私钥才能解密——称为公钥加密体系 :PKI。

2013年1月15日

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现代密码学

1 课程相关介绍—密码学研究的内容

密码分析学研究的主要内容
(1) 密码算法的安全性分析和破译的理论、方 法、技术和实践 (2)密码协议的安全性分析的理论与方法 (3)安全保密系统的安全性分析和攻击的理论 、方法、技术和实践

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现代密码学

1 课程相关介绍--密码学是干什么的?

密码学是干什么的? 密码学要解决的基本问题: (1) 信息的保密传输和存储问题; (2) 信息的认证问题.
例: A收到B写给A的1封信,那末A会有如下疑问: ----信的内容是否被改动? ----是否真是B写的信? ----是否真是写给A的信? ----有没有人看过这封信?
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现代密码学

1 课程相关介绍—密码学的应用领域

密码学能够解决的问题
1. 信息系统的安全与保密问题; 2.电子商务、电子政务中的安全和保密问题; 3.银行系统、证券系统、保险系统等的安全问题; 4.商品、票据、信用卡等的防伪与审核问题。

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现代密码学

2 密码学发展

? 1949年之前
密码学是一门艺术

? 1949~1975年
密码学成为科学

? 1976年以后
密码学的新方向——公钥密码学
现代密码学

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2 密码学发展--第一阶段概述

第1阶段-古典密码

? ? ? ? ?

密码学还不是科学,而是艺术
出现一些密码算法和加密设备 密码算法主要针对的是字符 简单的密码分析手段出现 主要特点:数据的安全基于算法的保密

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现代密码学

2 密码学发展--第一阶段中的例子

第1阶段-古典密码
? ? 1.

2.

几个典型的密码:恺撒密码、维吉尼亚密码; 几个典型的战例: 一战时德国人的ADFGVX密码被法国密码分析 家破译,间接的导致了德国一战的失败; 二战德国人的恩尼格马密码被破,直接导致德 军二战的失败

2013年1月15日

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现代密码学

2 密码学发展--第一阶段中的例子 第1阶段-古典密码
古典密码编码方法:置换,代替,加法 把明文中的字母重新排列,字母本身不变,但其位置改变了,这样编成 的密码称为置换密码。最简单的置换密码是把明文中的字母顺序倒过来 然后截成固定长度的字母组作为密文。 古典密码主要分为两类:单表代替密码,多表代替密码 单表代替密码中典型代表加法密码,算法思想: (1)A和B是有 n个字母的字母表。定义一个由A到B的映射:f:A→B f(ai )= bi=aj j=i+k mod n (2)加法密码是用明文字母在字母表中后面 第 k个字母来代替。 K=3时是著名的恺撒密码。恺撒密码是历史上第一个密码技术,是古罗 马恺撒大帝在营救西塞罗战役时用来保护重要军情的加密系统。
?

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现代密码学

2 密码学发展--第一阶段中的例子 第1阶段-古典密码
由于一个明文字母只由一个密文字母代替,单表代替密码的安全性不高 。后来就在单表代替密码的基础上产生了多表代替密码:构造多个密文 字母表,在密钥的控制下用相应密文字母表中的一个字母来代替明文字 母表中的一个字母,这样一个明文字母就有多个密文字母可代替。 Vigenere(维吉尼亚)密码是其中最著名的多表代替密码 。它是从单一 恺撒密码基础上扩展出的多表密码。由16世纪法国亨利三世王朝的布莱 瑟· 维吉尼亚发明。

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现代密码学

2 密码学发展--第一阶段中的例子
第1阶段-古典密码 维吉尼亚密码的特点:将26个恺撒 密表合成一个,见下表:
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ A -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 B -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 A C-C 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 D- 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 E -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 D F -F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G- G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F H -H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G I- I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H J -J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K -K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L -L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K M -M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N -N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M O -O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N P -P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O Q -Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P R -R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q S -S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R T -T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S U -U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T V -V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U W -W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V X -X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W Y -Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Z -Z 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

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现代密码学

2 密码学发展--第一阶段中的例子 第1阶段-古典密码
密码算法: 维吉尼亚密码引入了“密钥”的概念,即根据密钥来决定用哪一行的密 表 来进行替换,以此来对抗字频统计。假如以上面第一行代表明文字母, 左面第一列代表密钥字母,对如下明文加密:TO BE OR NOT TO BE THAT IS THE QUESTION 当选定RELATIONS作为密钥时,加密过程是:明文第一个字母为T,第 一个密钥字母为R,因此可以找到在R行中代替T的为K,依此类推,得 出对应关系如下: ? 密钥:RELAT IONSR ELATI ONSRE LATIO NSREL ? 明文:TOBEO RNOTT OBETH ATIST HEQUE STION ? 密文:KSMEH ZBBLK SMEMP OGAJX SEJCS FLZSY
2013年1月15日
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现代密码学

2 密码学发展--第一阶段中的实例

Phaistos Disc(斐斯托斯圆盘),一种直径约 为160mm的Cretan-Mnoan粘土圆盘,始于公元 前17世纪。1908年在希腊克里特岛费斯托皇宫遗 址发现。表面有明显字间空格的45个字母符号, 至今仍未破解。
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现代密码学

2 密码学发展--第一、二阶段中的密码机

20世纪早期密码机

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现代密码学

2 密码学发展--第二阶段概述

第2阶段 1949~1975 1. 计算机使得基于复杂计算的密码成为可能 2. 相关技术的发展: ? 1949年Shannon的《The Communication Theory of Secret Systems》 ? 1967年David Kahn的《The Codebreakers》 ? 1971-73年IBM Watson实验室的Horst Feistel等 几篇技术报告 主要特点:数据的安全基于密钥而不是算法的保密 现代密码学

2013年1月15日

25

2 密码学发展--第三阶段大事记

第3阶段 1976~
1976年:Diffie & Hellman 的 “New Directions in Cryptography” 提出了不对称密 钥密码; ? 1977年Rivest,Shamir & Adleman提出了RSA公 钥算法( 是第一个能同时用于加密和数字签名 的算法,也是最著名的公钥算法) ? 1977年DES正式成为单钥加密体制的标准
?

2013年1月15日

26

现代密码学

2 密码学发展--第三阶段大事记

80年代出现“过渡性”的“Post DES”算法,如 IDEA,RCx,CAST等 ? 90年代对称密钥密码进一步成熟 Rijndael,RC6, MARS, Twofish, Serpent等出现 ? 90年代逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法 ? 2001年Rijndael(高级加密标准)成为DES的 替代者 ? 2004年著名的MD5算法被中国的王小云破译
?

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27

现代密码学

3 密码学的基本概念--信息传输中的基本概念
A:信源 信息传递的一般问题 B:信宿

信道

? 信源、信道、信宿 ? 攻击的种类:
? ? ? ?

? 角色:通信双方(发送方和接收方)、第三方
(可信、不可信第三方)、敌手也叫攻击者
现代密码学
2013年1月15日

中断(Interruption)(干扰) 截取(Interception) (侦听) 修改(Modification) 伪造(Fabrication)

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3 密码学的基本概念--信息传输过程中的攻击例子

窃听:对传输的信息的攻击

A:信源

B:信宿

发送方
C:敌手 攻击者
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接收方

现代密码学

3 密码学的基本概念--信息传输过程中的攻击例子

对窃听的防护:加密技术

加密

脱密

A:信源

B:信宿

C:敌手
2013年1月15日
30

现代密码学

3 密码学的基本概念--基本概念 ? 明文:被隐蔽的消息称作明文,通常用m

表示。其英文为Message和Plaintext 明文就是没有被加密的消息. ? 密文:将明文隐蔽后的结果称作密文或 密报,通常用c表示。其英文为Ciphertext 密文就是加密后的结果.

2013年1月15日

31

现代密码学

3 密码学的基本概念--基本概念

加密( Encryption ):将明文变换成密文的过 程称作加密,该过程表示为 c ? Ek (m) ? 脱密( Decryption ):由密文恢复出明文的过 程称作脱密,该过程表示为 m ? Dk (c) ? 密钥( key ) :控制或参与密码变换的可变参数 称为密钥。 密钥又分为加密密钥和脱密密钥。 加密密钥是加密时用的密钥; 脱密密钥是脱密时用的密钥;
?
e

d

2013年1月15日

32

现代密码学

3 密码学的基本概念--密码体制的概念 密码体制的概念: ? 一个密码体制(Cryptosystem)由四部分组成: (1) 明文空间M; 00 ----所有可能的明文构成的集合 01 (2) 密文空间C; 10 11 ----所有可能的密文构成的集合 (3) 密钥空间 ----所有可用的密钥构成的集合 ----又包括加密密钥和脱密密钥 (4) 密码算法。 包括加密算法和脱密算法.
2013年1月15日
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00 F0 F1 11

现代密码学

3 密码学的基本概念--加密函数分析

加密函数: Ek : M ? C 将明文m加密为密文c,即

----从加密函数的角度理解密码体制的概念---e

c ? Eke (m) 其 (1) 定义域是明文空间M; (2) 值域是密文空间C; (3) 加密函数就是加密算法; (4) 控制参数 ke 就是加密密钥

2013年1月15日

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现代密码学

3 密码学的基本概念--脱密函数分析

--针对脱密函数分析-脱密函数: Dkd : C ? M 将密文c 脱密为 明文m ,即 D (c) ? m
kd

其 (1) 定义域是密文空间C; (2) 值域是明文空间M; (3) 脱密函数就是脱密算法; (4) 控制参数 kd 就是脱密密钥.

2013年1月15日

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现代密码学

3 密码学的基本概念--加、脱密函数说明

(1) 加、脱密密钥 ke 与 kd 成对使用; (2) 加密函数 E k与 Dk脱密函数互为逆函数, 即对所有明文m, 都有
e

k ? (ke , kd )
d

Dk d ( Eke ( m)) ? Dk d (c ) ? m
一个密文只能有一个脱密结果!

2013年1月15日

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现代密码学

3 密码学的基本概念--好的密码体制的条件

好的密码体制满足的条件: (1) 即使达不到理论上是不可破的,也应当 是实际上不可破的。 (2)保密性不依赖于对加密体制或算法的保 密,而依赖于密钥。(Kerckhoff 假设) (3)加密算法和脱密算法适用于密钥空间中 的所有元素。弱密钥除外! (4)易于实现和使用。 ----知道密钥时加、脱密快捷!

2013年1月15日

37

现代密码学

3 密码学的基本概念--密码分析学中的概念

?

破译:对于一个密码体制,如果能够根据密文 确定明文和密钥,或者根据明文或相应的密文 确定密钥,我们 就说这个密码体制是可破译的 ;否则,称其为不可破译的。

2013年1月15日

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现代密码学

3 密码学的基本概念--攻击方法 00 00
01 00 10 00 E0 ? 1、攻击密码体制的方法 11 11

(1)穷举攻击: ? 如果没有密钥会怎样?----谁都可脱密! ? 如果可能的密钥太少会怎样? ----若对每个可能的密钥都逐一测试,则 一定可以碰到正确的密钥,利用它就可脱密! 这就是穷举攻击方法! 穷举攻击就是逐一利用每个可能的密钥对密文 进行脱密测试,并将脱密结果合理的那个密钥 判断为正确密钥。 现代密码学

00 01 10 11

E1

11 11 11 00

2013年1月15日

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3 密码学的基本概念--攻击方法

要想能抵抗穷举攻击,一个密码算法的可能密钥 总数不能太少! ? 一个密码算法的可能密钥的总数称为该密码算 法的密钥变化量. ? 目前,密钥变化量少于264的密码算法是不安全 的! ? 密钥变化量为2128的密码算法是安全的! ? 为什么?
?

2013年1月15日

40

现代密码学

3 密码学的基本概念--攻击方法

假设密钥变化量为2128≈10128×0.301=1038.5 考查该密码算法的抗穷举攻击能力。 假想计算机速度为10亿次/每秒 10亿=109 1年=365×24×3600=3.15×107秒 1年可以穷举的密钥量为: 3.15×107× 109= 3.15×1016个密钥 2128个密钥需要1038.5/ 3.15×1016≈1022年才能穷举 完。(一万亿亿年)
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现代密码学

3 密码学的基本概念--攻击方法

(2)统计分析攻击: 密码分析者通过分析: (A) 密文与明文之间, 或 (B) 明文--密文对与密钥之间的统计规律 来进行破译。 一个设计的不太差的密码算法一般 只能用这种方法进行攻击!
现代密码学

2013年1月15日

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3 密码学的基本概念--攻击方法

(3)解密变换攻击: 密码分析者针对加密变换的数学基础,通 过数学求解的方法来设法找到相应的脱密变换 或等价的脱密变换实现攻击。 这种攻击通常用于对公钥密码的攻击之 中!对付这种攻击的手段就是:采用坚实的数 学基础和足够复杂的加密算法。

2013年1月15日

43

现代密码学

3 密码学的基本概念--攻击方法

对密码体制进行攻击时, 攻击对象是什么? (1) 求出明文 ! (2) 求出密钥, 进而求出明文 !

2013年1月15日

44

现代密码学

3 密码学的基本概念--攻击方法 按敌手可利用的知识的类别的多少,攻击方法可分为:

2013年1月15日

45

现代密码学

3 密码学的基本概念--加密方案的安全性

加密方案的安全性

? 无条件安全:无论提供的密文有多少,如果由一个加
密方案产生的密文中包含的信息不足以唯一地决定对 应的明文

? 除了一次一密的方案外,没有无条件安全的算法 ? 安全性体现在:
? 破译的成本超过加密信息的价值
? 破译的时间超过该信息有用的生命周期
2013年1月15日
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现代密码学

3 密码学的基本概念--攻击的复杂性分析

攻击的复杂性分析

? 数据复杂性(data complexity)用作攻击输入所需要
的数据

? 处理复杂性(processing complexity)完成攻击所需要
的时间

? 存储需求(storage requirement)进行攻击所需要的数
据量

2013年1月15日

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现代密码学

3 密码学的基本概念--密码管理的相关法规

密码管理的相关法规 我国规定: (1)密码产品和安全产品必须经过审查后才 能使用! (2)只审查具有设计资格的单位设计的密码 方案! (3)军用密码的审查由总参机要局具体负责 ;党、政、外交用途的密码的审查由中央办公 厅机要局具体负责;商品密码的审查由商品密 码管理委员会具体负责!

2013年1月15日

48

现代密码学

? 国内密码学研究单位 ? (一) ?

军内科研单位

1. 总参三部系统 ? 2. 总参机要系统 ? (二) 中央机要局系统科研单位
?
?

1. 北京电子技术研究所 2. 北京电子科技学院

2013年1月15日

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现代密码学

? 主要的民间密码研究单位 中科院信息安全重点实验室 ? 2. 西安电子科技大学 ? 3. 信息产业部第30研究所 ? 4. 北京邮电大学 ? 5. 解放军信息工程大学信息工程学院 ? 6. 上海交通大学 ? 7. 武汉大学
? 1.

2013年1月15日

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现代密码学

本课程概要 (一) 古典密码 介绍古典密码的两个典型密码体制,单表 代替和多表代替。 (二) Shannon理论 介绍熵、多余度、唯一解码量的概念及完 善保密性。 (三) 分组密码 重点讲述DES算法及分组密码的工作模式, 高级加密标准AES。 现代密码学

2013年1月15日

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(四) 公钥密码 RSA公钥密码体制及相关的设计和分析 方法,椭圆曲线公钥密码体制。 (五) 序列密码 线性移存器序列及其特性,BM算法等。 (六) 数字签名 数字签名基本概念,数字签名标准。
2013年1月15日

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现代密码学

(八) Hash函数 介绍Hash函数的性质及MD4算法。 (九) 密码协议 介绍密钥分配与身份识别等密码协议。

2013年1月15日

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现代密码学

2013年1月15日

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现代密码学


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