网络攻防原理第15讲-密码技术
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多表代换密码：每次对明文的多个字母进行代换，其 优点是容易将字母的自然频度隐蔽或均匀化。
18
单表代换密码（1/2）
采用特定的映射，将明文字母映射为密文字母 e.g.
明文: 密文:
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ XDQMONSUEYJGIFPLRWZCHVBAKT
例子:
方法一（ k2 ）：对截收的密文依次用各种可解的密钥
试译，直接得到有意义的明文
方法二（m）：在不变密钥下，对所有可能的明文加
密直到得到与截收的密文一致为止
只要有足够多的计算时间和存储容量，原则上 穷举法破译总是可以成功的。因此，密码设计 应使穷举不可行。
第15讲 密码技术
9
分析破译法
确定性分析法（数字分析法）：利用一个或几 个已知量（如已知密文或明文密文对）用数学 关系式表示出所求未知量（如密钥等）的方法
密码编码学
对信息进行编码实现信息隐藏的一门学科。主要依赖 于数学知识。
主要方法有：换位、代换、加乱
第15讲 密码技术
7
密码分析学（cryptanalysis）
密码分析学，俗称：密码破译
截收者在不知道解密密钥和通信者所采用的加密算法 的细节条件下，对密文进行分析，试图获取机密信息、 研究分析解密规律的科学。
② 加密算法和解密算法适用于所有密钥空间的元素；
③ 系统便于实现和使用方便；
④ 系统的保密性不依赖于对加密体制或算法的保密，而 依赖于密钥（著名的Kerckhoff原则，现代密码学的 一个基本原则）。
第15讲 密码技术
12
密码体制分类
密钥体制从原理上分为两类：
单钥密码体制(One-key System) 双钥密码体制(Two-Key System)
该算法于1977年1月15日被美国国家标准局NBS 颁布为商用数据加密标准，每5年被评估1次。
第15讲 密码技术
31
DES加密过程
输入
64bit明文数据
初始置换IP
乘积变换 （16次迭代） 逆初始置换IP-1
第15讲 密码技术
64bit密文数据
输出
32
64bit密钥 子密钥生成
初始置换
初始置换对输入的比特位置进行调整。
例如，在密文中出现最频繁的字母很可能对应于字母 ‘e’ 还可以对二元字母组合和三元字母组合进行分析
二元字母组合: 如 ‘th’, ‘an’, ‘ed’ 三元字母组合: 如 ‘ing’, ‘the’, ‘est’
20
凯撒密码(1/2)
明文: 密文:
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
通过初始置换表实现
初始置换的功能
举例来看，输入为8位01110010 初始置换表为：
输入位 1 2 3 4 5 6 7 8 输出位 3 5 6 1 2 4 8 7
则输出为：10001101
密码算法是指明文和密文之间的变换法则，其形式一般 是计算某些量值或某个反复出现的数学问题的求解公式， 或者相应的程序。E是加密算法，D是解密算法。解密算 法是加密算法的逆运算，且其对应关系是唯一的。
第15讲 密码技术
5
典型密码系统组成
非法侵入者
主动攻击 c
被动攻击
密码分析员 （窃听者）
m’=h(c)
容易检测出对信息的篡改，且不需要密钥同步，具有 很强的适应性；
（与序列密码相比）分组密码在设计上的自由度小。
最典型分组密码是DES数据加密标准，它是单钥密 码体制的最成功的例子。
第15讲 密码技术
30
DES密码体制
DES是IBM公司于1970年研制的DES (Data Encryption Standard)算法。
22
换位密码算法
换位密码（Transposition Cipher）涉及到对明文 字母进行一些位置变换，也称置换密码 (Permutation cipher)
例如，
将消息 “ATTACK AT DAWN”写为:
ATCADW TAKTAN
进一步得到密文
ATCADWTAKTAN
现代密码算法通常将代换和置换结合在一起使用。
算法的开发非常复杂。一旦算法泄密，重新开发需要一 定的时间；
不便于标准化：由于每个用户单位必须有自己的加密算 法，不可能采用统一的硬件和软件产品；
不便于质量控制：用户自己开发算法，需要好的密码专 家，否则对安全性难于保障。
第15讲 密码技术
11
密码系统的设计要求
设计要求：
① 系统即使达不到理论上不可破译，也应该是实际上不 可破译的(也就是说，从截获的密文或某些已知的明 文和密文对，要决定密钥或任意明文在计算上是不可 行的)；
密码分析除了依靠数学、工程背景、语言学等知识外， 还要依靠经验、统计、测试、眼力、直觉判断能力等 因素，有时还要靠运气。
主要分析途径
穷举破译法(Exhaustive Attack or Brute-force Method) 分析破译法
第15讲 密码技术
8
穷举破译法
解密思路：m = D (c, k2 )
明文：ATTACK AT DAWN
密文：XCCXQJ XC MXBF
19
单表代换密码（2/2）
如何破解单表置换密码算法？ 利用穷举法？
非常困难，要尝试的次数：26! = 4 x 1026
利用统计法
英文中字母出现的频率是已知的 可以通过分析字母在文档出现频率来推断明文到密文的转换。
第15讲 密码技术
13
密码学发展简史(1/2)
一般来说，密码学的发展划分为三个阶段：
第一阶段为从古代到1949年。这一时期可以看作是科学密码学的 前夜时期，这阶段的密码技术可以说是一种艺术，而不是一种科 学，密码学专家常常是凭知觉和信念来进行密码设计和分析，而 不是推理和证明。
第二阶段为从1949年到1975年。1949年Shannon发表的“保密系统 的信息理论”为私钥密码系统建立了理论基础，从此密码学成为 一门科学，但密码学直到今天仍具有艺术性，是具有艺术性的一 门科学。这段时期密码学理论的研究工作进展不大，公开的密码 学文献很少。
第三阶段为从1976年至今。1976年diffie 和 hellman 发表的文 章“密码学的新动向”一文导致了密码学上的一场革命。他们首 先证明了在发送端和接受端无密钥传输的保密通讯是可能的，从 而开创了公钥密码学的新纪元。
第15讲 密码技术
14
密码学发展简史(2/2)
在密码学发展史上有两个重要因素：
在接收端，用相同的随机序列与密文进行异或运算便 可恢复明文序列。
--------------- = 10111101…
= 00110010…
10001111…
10111101…
00110010… =
密钥序列 种子密钥
密钥序列产生算法
密钥序列 种子密钥
密钥序列产生算法
第15讲 密码技术
27
序列密码（2/2）
的密钥和加密函数进行运算。
密钥K=(k0, k1, …, kL-1)
密钥K=(k0, k1, …, kL-1)
加密算法
解密算法
明文X=(x0, x1, …, xm-1)
密文Y=(y0, y1, …, ym-1)
明文X=(x0, x1, …, xm-1)
第15讲 密码技术
29
分组密码（2/2）
优缺点：
结果，以上两电均被设在珍珠港的美国海军破 译，从而掌握了日军进攻中途岛的日期和兵力， 致使日军在战役中遭到惨败。
第15讲 密码技术
2
内容提要
1 密码技术概述 2 古典密码体制 3 单钥密码体制 4 双钥密码体制 5 小结
第15讲 密码技术
3
密码技术
密码技术通过对信息的变换或编码，将机密的 敏感信息变换成攻击者难以读懂的乱码型信息， 以此达到两个目的：
统计分析法：利用明文的已知统计规律进行破 译的方法。对截收的密文进行统计分析，总结 出密文的统计规律，并与明文的统计规律进行 对照比较，从而提取出明文和密文之间的对应 或变换信息。
第15讲 密码技术
10
密码系统的安全策略
密码系统可以采用的两种安全策略：基于算法 保密和基于密码保护。
基于算法保密的策略有没有什么不足之处？？
战争的刺激和科学技术的发展推动了密码学的发展。 信息技术的发展和广泛应用为密码学开辟了广阔的
天地。
第15讲 密码技术
15
内容提要
1 密码技术概述 2 古典密码体制 3 单钥密码体制 4 双钥密码体制 5 小结
第15讲 密码技术
16
古典密码体制
古典密码大都比较简单，可用手工或机械操作实 现加解，现在已很少采用，但很多思想值得借鉴
原理：明文中的字母在密文中用该字母循环右移 k 位 后所对应的字母替换，其中 k 就是密钥。
例如，令 k = 3 ATTACK AT DAWN DWWDFN DW GDZQ
21
凯撒密码(2/2)
如何破解凯撒密码算法？ 利用穷举法
位移量 k 在 1 到 25 之间，逐个尝试 比普通的单表代换密码的破解要简单
23
内容提要
第15讲 密码技术
1 密码技术概述 2 古典密码体制 3 单钥密码体制 4 双钥密码体制 5 小结
24百度文库
单钥密码体制：概述
单钥密码体制的加密密钥和解密密钥相同，也叫 对称密码体制（symmetric cryptosystem）或者秘 密密码体制。
m 发送者
加密器
c=E (m, k ) c
k 密钥信道
解密器
m
m=D (c, k )
k
密钥产生器
密钥信道
接收者
第15讲 密码技术
25
单钥密码体制：概述
单钥密码体制对明文加密有两种方式：
序列密码（或流密码，Stream Cipher） 分组密码 (Block Cipher)
第15讲 密码技术
26
序列密码（1/2）
主要原理：
以明文的比特为加密单位，用某一个伪随机序列作为 加密密钥，与明文进行异或运算，获得密文序列；
M是明文空间，表示全体明文集合。明文是指加密前的 原始信息，即需要隐藏的信息；
C是密文空间，表示全体密文的集合。密文是指明文被加 密后的信息，一般是毫无识别意义的字符序列；
K是密钥或密钥空间。密钥是指控制加密算法和解密算法 得以实现的关键信息，可分为加密密钥和解密密钥，两 者可相同也可不同；
使攻击者无法从截获的信息中得到任何有意义的信息； 使攻击者无法伪造任何信息。
密码技术不仅可以解决网络信息的保密性，而 且可用于解决信息的完整性、可用性及不可否 认性，是网络安全技术的核心和基石，是攻防 都需了解的技术。
第15讲 密码技术
4
概念：密码系统
密码系统(Cryptosystem)，也称为密码体制，用 数学符号描述为：S = {M, C, K, E, D}
m 发送者
加密器
c=E (m, k1 ) c
k1 密钥信道
解密器
m
m=D (c, k2 )
k2
密钥产生器
密钥信道
接收者
第15讲 密码技术
6
概念：密码学
密码学(cryptology)：是一门关于发现、认识、 掌握和利用密码内在规律的科学，由密码编码学 (cryptography)和密码分析学(cryptanalysis) 组 成。
序列密码算法的安全强度完全取决于伪随机序 列的好坏，因此关键问题是：伪随机序列发生 器的设计。
优点：
错误扩散小（一个码元出错不影响其它码元）； 速度快、实时性好； 安全程度高。
缺点：密钥需要同步
第15讲 密码技术
28
分组密码（1/2）
主要原理：
在密钥的控制下一次变换一个明文分组； 将明文序列以固定长度进行分组，每一组明文用相同
代换密码（Substitute Cipher） 换位密码（Transposition Cipher）
17
代换密码
代换密码：将明文中字母由另一个或另一组字母 替换。
单表代换密码：只使用一个密文字母表，并且用密文 字母表中的一个字母来代换明文字母表中的一个字母。 具有代表性的密码是凯撒密码（Julius Caesar）。
回顾与引入
网络攻击技术 网络安全体系结构
第15讲 密码技术
1
密码案例
1942年6月，在关系到日美太平洋战争转折点 的中途岛海战中，日军出现了两起严重泄密事 件：
一是在战役发起前夕，日海军第二联合特别陆战队的 一个副官，用低等级密码发电说：六月五日以后，本 部队的邮件请寄到中途岛。
二是日军军港的一个后勤部门，用简易密码与担任进 攻中途岛任务的部队联系淡水供应问题。
18
单表代换密码（1/2）
采用特定的映射，将明文字母映射为密文字母 e.g.
明文: 密文:
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ XDQMONSUEYJGIFPLRWZCHVBAKT
例子:
方法一（ k2 ）：对截收的密文依次用各种可解的密钥
试译，直接得到有意义的明文
方法二（m）：在不变密钥下，对所有可能的明文加
密直到得到与截收的密文一致为止
只要有足够多的计算时间和存储容量，原则上 穷举法破译总是可以成功的。因此，密码设计 应使穷举不可行。
第15讲 密码技术
9
分析破译法
确定性分析法（数字分析法）：利用一个或几 个已知量（如已知密文或明文密文对）用数学 关系式表示出所求未知量（如密钥等）的方法
密码编码学
对信息进行编码实现信息隐藏的一门学科。主要依赖 于数学知识。
主要方法有：换位、代换、加乱
第15讲 密码技术
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密码分析学（cryptanalysis）
密码分析学，俗称：密码破译
截收者在不知道解密密钥和通信者所采用的加密算法 的细节条件下，对密文进行分析，试图获取机密信息、 研究分析解密规律的科学。
② 加密算法和解密算法适用于所有密钥空间的元素；
③ 系统便于实现和使用方便；
④ 系统的保密性不依赖于对加密体制或算法的保密，而 依赖于密钥（著名的Kerckhoff原则，现代密码学的 一个基本原则）。
第15讲 密码技术
12
密码体制分类
密钥体制从原理上分为两类：
单钥密码体制(One-key System) 双钥密码体制(Two-Key System)
该算法于1977年1月15日被美国国家标准局NBS 颁布为商用数据加密标准，每5年被评估1次。
第15讲 密码技术
31
DES加密过程
输入
64bit明文数据
初始置换IP
乘积变换 （16次迭代） 逆初始置换IP-1
第15讲 密码技术
64bit密文数据
输出
32
64bit密钥 子密钥生成
初始置换
初始置换对输入的比特位置进行调整。
例如，在密文中出现最频繁的字母很可能对应于字母 ‘e’ 还可以对二元字母组合和三元字母组合进行分析
二元字母组合: 如 ‘th’, ‘an’, ‘ed’ 三元字母组合: 如 ‘ing’, ‘the’, ‘est’
20
凯撒密码(1/2)
明文: 密文:
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
通过初始置换表实现
初始置换的功能
举例来看，输入为8位01110010 初始置换表为：
输入位 1 2 3 4 5 6 7 8 输出位 3 5 6 1 2 4 8 7
则输出为：10001101
密码算法是指明文和密文之间的变换法则，其形式一般 是计算某些量值或某个反复出现的数学问题的求解公式， 或者相应的程序。E是加密算法，D是解密算法。解密算 法是加密算法的逆运算，且其对应关系是唯一的。
第15讲 密码技术
5
典型密码系统组成
非法侵入者
主动攻击 c
被动攻击
密码分析员 （窃听者）
m’=h(c)
容易检测出对信息的篡改，且不需要密钥同步，具有 很强的适应性；
（与序列密码相比）分组密码在设计上的自由度小。
最典型分组密码是DES数据加密标准，它是单钥密 码体制的最成功的例子。
第15讲 密码技术
30
DES密码体制
DES是IBM公司于1970年研制的DES (Data Encryption Standard)算法。
22
换位密码算法
换位密码（Transposition Cipher）涉及到对明文 字母进行一些位置变换，也称置换密码 (Permutation cipher)
例如，
将消息 “ATTACK AT DAWN”写为:
ATCADW TAKTAN
进一步得到密文
ATCADWTAKTAN
现代密码算法通常将代换和置换结合在一起使用。
算法的开发非常复杂。一旦算法泄密，重新开发需要一 定的时间；
不便于标准化：由于每个用户单位必须有自己的加密算 法，不可能采用统一的硬件和软件产品；
不便于质量控制：用户自己开发算法，需要好的密码专 家，否则对安全性难于保障。
第15讲 密码技术
11
密码系统的设计要求
设计要求：
① 系统即使达不到理论上不可破译，也应该是实际上不 可破译的(也就是说，从截获的密文或某些已知的明 文和密文对，要决定密钥或任意明文在计算上是不可 行的)；
密码分析除了依靠数学、工程背景、语言学等知识外， 还要依靠经验、统计、测试、眼力、直觉判断能力等 因素，有时还要靠运气。
主要分析途径
穷举破译法(Exhaustive Attack or Brute-force Method) 分析破译法
第15讲 密码技术
8
穷举破译法
解密思路：m = D (c, k2 )
明文：ATTACK AT DAWN
密文：XCCXQJ XC MXBF
19
单表代换密码（2/2）
如何破解单表置换密码算法？ 利用穷举法？
非常困难，要尝试的次数：26! = 4 x 1026
利用统计法
英文中字母出现的频率是已知的 可以通过分析字母在文档出现频率来推断明文到密文的转换。
第15讲 密码技术
13
密码学发展简史(1/2)
一般来说，密码学的发展划分为三个阶段：
第一阶段为从古代到1949年。这一时期可以看作是科学密码学的 前夜时期，这阶段的密码技术可以说是一种艺术，而不是一种科 学，密码学专家常常是凭知觉和信念来进行密码设计和分析，而 不是推理和证明。
第二阶段为从1949年到1975年。1949年Shannon发表的“保密系统 的信息理论”为私钥密码系统建立了理论基础，从此密码学成为 一门科学，但密码学直到今天仍具有艺术性，是具有艺术性的一 门科学。这段时期密码学理论的研究工作进展不大，公开的密码 学文献很少。
第三阶段为从1976年至今。1976年diffie 和 hellman 发表的文 章“密码学的新动向”一文导致了密码学上的一场革命。他们首 先证明了在发送端和接受端无密钥传输的保密通讯是可能的，从 而开创了公钥密码学的新纪元。
第15讲 密码技术
14
密码学发展简史(2/2)
在密码学发展史上有两个重要因素：
在接收端，用相同的随机序列与密文进行异或运算便 可恢复明文序列。
--------------- = 10111101…
= 00110010…
10001111…
10111101…
00110010… =
密钥序列 种子密钥
密钥序列产生算法
密钥序列 种子密钥
密钥序列产生算法
第15讲 密码技术
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序列密码（2/2）
的密钥和加密函数进行运算。
密钥K=(k0, k1, …, kL-1)
密钥K=(k0, k1, …, kL-1)
加密算法
解密算法
明文X=(x0, x1, …, xm-1)
密文Y=(y0, y1, …, ym-1)
明文X=(x0, x1, …, xm-1)
第15讲 密码技术
29
分组密码（2/2）
优缺点：
结果，以上两电均被设在珍珠港的美国海军破 译，从而掌握了日军进攻中途岛的日期和兵力， 致使日军在战役中遭到惨败。
第15讲 密码技术
2
内容提要
1 密码技术概述 2 古典密码体制 3 单钥密码体制 4 双钥密码体制 5 小结
第15讲 密码技术
3
密码技术
密码技术通过对信息的变换或编码，将机密的 敏感信息变换成攻击者难以读懂的乱码型信息， 以此达到两个目的：
统计分析法：利用明文的已知统计规律进行破 译的方法。对截收的密文进行统计分析，总结 出密文的统计规律，并与明文的统计规律进行 对照比较，从而提取出明文和密文之间的对应 或变换信息。
第15讲 密码技术
10
密码系统的安全策略
密码系统可以采用的两种安全策略：基于算法 保密和基于密码保护。
基于算法保密的策略有没有什么不足之处？？
战争的刺激和科学技术的发展推动了密码学的发展。 信息技术的发展和广泛应用为密码学开辟了广阔的
天地。
第15讲 密码技术
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内容提要
1 密码技术概述 2 古典密码体制 3 单钥密码体制 4 双钥密码体制 5 小结
第15讲 密码技术
16
古典密码体制
古典密码大都比较简单，可用手工或机械操作实 现加解，现在已很少采用，但很多思想值得借鉴
原理：明文中的字母在密文中用该字母循环右移 k 位 后所对应的字母替换，其中 k 就是密钥。
例如，令 k = 3 ATTACK AT DAWN DWWDFN DW GDZQ
21
凯撒密码(2/2)
如何破解凯撒密码算法？ 利用穷举法
位移量 k 在 1 到 25 之间，逐个尝试 比普通的单表代换密码的破解要简单
23
内容提要
第15讲 密码技术
1 密码技术概述 2 古典密码体制 3 单钥密码体制 4 双钥密码体制 5 小结
24百度文库
单钥密码体制：概述
单钥密码体制的加密密钥和解密密钥相同，也叫 对称密码体制（symmetric cryptosystem）或者秘 密密码体制。
m 发送者
加密器
c=E (m, k ) c
k 密钥信道
解密器
m
m=D (c, k )
k
密钥产生器
密钥信道
接收者
第15讲 密码技术
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单钥密码体制：概述
单钥密码体制对明文加密有两种方式：
序列密码（或流密码，Stream Cipher） 分组密码 (Block Cipher)
第15讲 密码技术
26
序列密码（1/2）
主要原理：
以明文的比特为加密单位，用某一个伪随机序列作为 加密密钥，与明文进行异或运算，获得密文序列；
M是明文空间，表示全体明文集合。明文是指加密前的 原始信息，即需要隐藏的信息；
C是密文空间，表示全体密文的集合。密文是指明文被加 密后的信息，一般是毫无识别意义的字符序列；
K是密钥或密钥空间。密钥是指控制加密算法和解密算法 得以实现的关键信息，可分为加密密钥和解密密钥，两 者可相同也可不同；
使攻击者无法从截获的信息中得到任何有意义的信息； 使攻击者无法伪造任何信息。
密码技术不仅可以解决网络信息的保密性，而 且可用于解决信息的完整性、可用性及不可否 认性，是网络安全技术的核心和基石，是攻防 都需了解的技术。
第15讲 密码技术
4
概念：密码系统
密码系统(Cryptosystem)，也称为密码体制，用 数学符号描述为：S = {M, C, K, E, D}
m 发送者
加密器
c=E (m, k1 ) c
k1 密钥信道
解密器
m
m=D (c, k2 )
k2
密钥产生器
密钥信道
接收者
第15讲 密码技术
6
概念：密码学
密码学(cryptology)：是一门关于发现、认识、 掌握和利用密码内在规律的科学，由密码编码学 (cryptography)和密码分析学(cryptanalysis) 组 成。
序列密码算法的安全强度完全取决于伪随机序 列的好坏，因此关键问题是：伪随机序列发生 器的设计。
优点：
错误扩散小（一个码元出错不影响其它码元）； 速度快、实时性好； 安全程度高。
缺点：密钥需要同步
第15讲 密码技术
28
分组密码（1/2）
主要原理：
在密钥的控制下一次变换一个明文分组； 将明文序列以固定长度进行分组，每一组明文用相同
代换密码（Substitute Cipher） 换位密码（Transposition Cipher）
17
代换密码
代换密码：将明文中字母由另一个或另一组字母 替换。
单表代换密码：只使用一个密文字母表，并且用密文 字母表中的一个字母来代换明文字母表中的一个字母。 具有代表性的密码是凯撒密码（Julius Caesar）。
回顾与引入
网络攻击技术 网络安全体系结构
第15讲 密码技术
1
密码案例
1942年6月，在关系到日美太平洋战争转折点 的中途岛海战中，日军出现了两起严重泄密事 件：
一是在战役发起前夕，日海军第二联合特别陆战队的 一个副官，用低等级密码发电说：六月五日以后，本 部队的邮件请寄到中途岛。
二是日军军港的一个后勤部门，用简易密码与担任进 攻中途岛任务的部队联系淡水供应问题。