第2章 密码学基础(2.1-2.3)(1)

若c-3<0,假设c-3的值为-x，那么(-x)即为x关于模26的加法逆 元。根据加法逆元的特点求: (x+y)mod26=0
例如：假设c=1（即密文字符为‘b‘),解密后明文m=（-2)mod26 =26-2=24(即明文字符为‘y‘）。
乘数密码

将明文字母串逐位乘以密钥k并进行模运算。 数学表达式:Ek ( m )=k×m mod q, gcd (k, q) = 1（表示k与q的最大公因子为1，二者互素） 算法描述：

k-1为k在模q下的乘法逆元。

其定义为k-1×k mod q =1
可采用扩展的欧几里德算法。欧几里德算法又称辗转相 除法，用于计算两个整数a和b的最大公约数。
求解乘法逆元的方法
扩展的欧几里得算法: 求d关于模f的乘法逆元d-1 ，即 d×d-1
mod f = 1 ① (X1,X2,X3) = (1,0,f)； (Y1,Y2,Y3) = (0,1,d)
第2章 密码学基础
主要内容
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 密码学基础知识（密码体系结构及关键概念） 古典替换密码（仿射密码） 对称密钥密码（DES） 公开密钥密码（RSA） 消息认证（认证函数、数字签名） 密码学新进展
2.1 密码学基础知识

意义
解决数据的机密性、完整性、不可否认性以及身份识别等 问题均需要以密码为基础，密码技术是保障信息安全的 核心基础。

密码攻击的方法

穷举分析法

对截获的密文依次用各种密钥试译，直到得到有意义 的明文；



密钥不变情况下，对所有可能的明文加密直到得到与 截获的密文一致为止（完全试凑法）。
理论上会成功，但实际中不可行。
数学分析法 利用一个或几个已知量（密文或明文-密文对）用数 学关系式求解未知量（密钥）。

统计分析法 对截获的密文进行统计分析，找出规律，并与明文 的统计规律进行对照比较，从中提取对应关系。

依据处理数据的类型
分组密码：将明文分成若干固定长度的组，用同一加密 算法对每一个明文分组进行加密，输出等长的密文组。 序列密码：流密码，加密时一次处理一个元素。

依据密码分析形式
密码分析（密码攻击）

攻击者在不知道密钥的情况下，对密文进行分析，试图获 得机密信息（明文或密钥）。 密码编码与密码分析是共生的、互逆的，两者解决问题的 途径有很多差别。
伪装消息以隐藏它的内容的过程称为加密E(Encrypt)
加密后的消息，即经过伪装后的明文称为密文c(Cipher Text) 把密文转变为明文的过程称为解密D(Decrypt)。
密码 方案
确切地描述了加密变换和解密变换的具体规则
加密算法 对明文进行加密时所使 用的规则的描述E(m)
解密算法 对密文进行还原时所使 用的规则的描述D(c)
非周期多表代替密码

维吉尼亚Vigenere密码
维吉尼亚Vigenère密码

是以移位代替为基础的周期多表代替密码。 加密时每一个密钥被用来加密一个明文字母，当所有 密钥使用完后，密钥又重新循环使用。 Ek(m)=C1 C2 „ Cn，其中Ci=(mi + ki)mod 26； 密钥K可以通过周期性反复使用以至无穷。

研究内容
密码学以研究秘密通信为目的，即研究对信息采用何种秘 密的变换以防止第三方窃取，包括密码编码学和密码分析 学两部分。
密码编码学：研究如何编码，采用什么样的密码体制保证 信息被安全加密。 密码分析学：破译密文，在未知密钥的情况下推演出明文 和密钥的技术。
2.1.2 密码体制
未经过加密的原始消息称为明文m（Plain Text）。
2.228 2.015 0.772 0.153
8 6 4 2 0
2.782
1.492
7.507 6.749
6.327 5.987
2.406
2.758 1.929
2.36
1.974 0.15
0.978
0.095
0.074
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
2.2.2 多表代替密码
Mod 26 解密过程
基于统计的密码分析

单表代替密码的加密是从明文字母到密文字母的一一映射 攻击者统计密文中字母的使用频度，比较正常英文字母的 使用频度，进行匹配分析。 如果密文信息足够长，很容易对单表代替密码进行破译。
14 12
12.702
相对使用频度（%）
10
8.167
9.056 6.996 6.094 4.253 4.025
2.1.3 密码的分类
密码学发展历史
芦花丛中一扁舟， 古代加密方法（手工阶段） 俊杰俄从此地游。 公元前440年古希腊战争的隐写术 义士若能知此理， 斯巴达人公元前400年应用的Scytale加密工具 反躬难逃可无忧。
古代藏头诗 加密核心是3个转轮。在每个转轮的边缘上，都 标记着26个德文字母。 古典密码（机械阶段） 3个转轮组合起来，就能生成26×26×26=17576 古罗马Caesar密码——单表加密 种不同的变化。 Enigma转轮密码 多表替代——不断改变明文和密文的字母映射 近代密码（计算机阶段） 关系，对明文进行连续不断的换表加密操作。
密钥：加密和解密算法的操作在称为密钥（k）的元素 控制下进行。
加密通信模型
加密的过程：c=Eke(m)
解密的过程：m=Dkd(c)
完整密码体制要包括如下五个要素:
M是可能明文的有限集称为明文空间； C是可能密文的有限集称为密文空间； K是一切可能密钥构成的有限集称为密钥空间； E为加密算法，对于任一密钥，都能够有效地计算； D为解密算法，对于任一密钥，都能够有效地计算。
逆元。

K1=1时，相当于移位密码； k2=0时，相当于乘数密码。 当K1、k2同时为(1,0)无效。
仿射密码示例1
仿射密码示例2
设k＝（5，3），注意到5-1 mod 26=21， 模运算的性质 加密函数： (a+b)mod n=[(a mod n)+(b mod n)]mod n (a-b)mod n=[(a mod n)-(b mod n)]mod n E (x)=5x+3 (mod 26)，
字母 a b c d e f …. x y z
位置序列值
0
1
2
3
4
5
….
23
24
25
使用凯撒密码对明文字符串逐位加密结果如下：
明文信息 M = meet me after the toga party 密文信息 C = phhw ph diwho wkh wrjd sduwb

加法逆元

概念：对于x，如果(x+y) mod z=0,则y为x关于模z的 加法逆元。 解密函数：Dk(c) = (c–3) mod 26； y=26-x
截获的部分密文
加密算法 截获的部分密文和相应的明文
选择明文攻击
加密算法
加密黑盒子，可加密任意明文得到相应
的密文
选择密文攻击
加密算法
解密黑盒子，可解密任意密文得到相应
的明文
被动攻击和主动攻击

被动攻击：攻击者可以用搭线窃听等方式直接获得未经加 密的明文或者加密后的密文，并分析得知明文。（不破坏 原始信息） 主动攻击：攻击者采用删除、更改、增添、重放、伪造等 手段主动向系统注入假消息。

凯撒Caesar密码

凯撒密码体系的数学表示：
M=C={有序字母表}，q = 26，k = 3。 思考: (c-3)有没有负数的 其中q 为有序字母表的元素个数，本例采用英文字母表， 可能？如果是负数该怎 么计算？(加法逆元) q = 26。

加密函数：Ek(m)
= (m+3) mod 26； 解密函数：Dk(c) = (c–3) mod 26；


密码编码设计是利用数学基础构造密码。 密码分析出了依靠数学、工程背景、语言学等知识外，还靠经验、 测试、眼力、运气、直觉判断能力等。

根据密码分析者对明文、密文等数据资源所掌握的程度， 将密码分析攻击划分为不同的形式：
密码攻击分类
攻击类型 唯密文攻击 已知明文攻击
加密算法
攻击者拥有的资源
仿射密码
可以看作是移位密码和乘数密码的结合。

密码体制描述如下：
M=C=Z/(26)；q=26；
K={
k1,k2∈Z | 0< k1,k2<26，gcd(k1,26)=1}；
mod q； k1-1( c - k2) mod q，其中k1-1为k1在模q下的乘法
Ek(m)=(k1m+k2) Dk(c)=
例如：k=7, 求解7-1（7关于模26的乘法逆元）
循环次数 初值 1 2 3 Q
无
X1 1 0 1 -1
X2 0 1 -3 4
X3 26 7 5 2
Y1 0 1 -1 3
Y2 1 -3 4 -11
Y3 7 5 2 1
3 1 2
-11即为求得的结果，是11关于模26的加法逆元，即15。
验证：
加密算法：Ek(m)=k×m mod q 解密算法：Dk(c)=k-1×c mod q 若密钥k=7，m=3(明文字符为‘d‘)，则加密后 c=3×7mod26=21(‗v‘) 解密时：已知c=21，求解m=7-1×21mod26=15×21mod26=3