现代密码学第二讲(必修)：古典密码学

《现代密码学》第二讲
古典密码学
1
上讲内容回顾
密码学分类 密码学与信息安全的关系
本章主要内容
代换密码 置换密码 Hill密码 转轮密码 古典密码的惟密文攻击方法
密码分类
代换密码（ substitution ）：代换是古典密码中用 到的最基本的处理技巧。所谓代换，就是将明文 中的一个字母由其它字母、数字或符号替代的一 种方法。
置换密码
练习： 明文: nice work
X1234 Pi(x) 2 4 1 3
求密文和逆置换。
思考： 当明文 字符不 是4的整 数倍怎 么办？
置换密码
已知多对明文和密文，可以推导置换表（即 密钥）；
穷举攻击：已知密文，明文为有意义字符， 至多尝试m！ 个，可以恢复明文
分组为m，至多有m！个置换
明文p ∈Z26，密文c ∈Z26 ，密钥k取[1,25]，只有25个
凯撒密码
例:使用其后的第三个字母代换该字母
明文：meet me after the toga party 密文：PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB
恺撒密码的攻击
已知明文和密文、加密和解密算法，需要解 同余方程，可以恢复密钥 k = (c- p) mod (26)；
H(4), O,R(2), K(1), Q(1), Y(1), U(1), B(1) H------e, 也就是e+x=h得4+x=7，密钥为3
解密：hello，every one
惟密文攻击
维吉尼亚密码由m个移位密码构成，移位密码不改变 字符的分布，故若能确定m，则可以找到每个移位 密码的位移量k
穷举攻击：已知密文，明文为有意义字符，至多 尝试26m*m个，可以恢复明文
转轮密码（Rotor Machine）
19世纪20年代，开始出现机械加解密设备 ，最典型的是转轮密码机
1918年Arthur Scherbius发明的EIGMA，瑞典 Haglin发明的Haglin，和日军发明的“紫密” 和“兰密”都属于转轮密码机。
惟密文攻击
移位密码、仿射密码和单表代换密码都没有 破坏明文的频率统计规律，可以直接用统计 分析法
例：
截取一段仿射密码的密文 c=ap+b mod 26
惟密文攻击
统计得到R(8),D(7),E,H,K(5),S,F,V(4) 密文出现字母频率统计
字母 频率 字母 频率 字母 频率 字母 频率 A2H5O1U2 B1 I 0P2V4 C 0 J 0 Q0W0 D7K5R8X2 E5L2S3Y1 F 4M2T0 Z 0 G0N1
明文: if we wish to replace letters 密文:SFUUFYA
单表代换密码
练习： 明文: nice work，使用上例中的单表代换
表，求密文。
密文：X W V F R H Y E
单表代换密码
已知明文和密文，可以恢复部分加密函数（ 解密函数）；
希尔密码（Hill cipher）
扩散
1929年，LesterS. Hill提出
明文p ∈(Z26)m，密文c ∈ (Z26)m ， 密钥K ∈{定义在Z26上m*m的可逆矩阵}
加密
c = p * K mod 26
解密
p = c * K-1 mod 26
希尔密码
例
希尔密码
置换密码可以看做是希尔密码的特例。 练习：设hill密码的密钥如下，求对应置换密
解密：
p = D(c) = (c – b) × a-1mod 26
仿射密码
例：令密钥k=(7,3), 且gcd(7,26)=1.
明文hot=(7,14,19) 加密：
(7 × 7 + 3) mod 26 = 0 (7 × 14 + 3) mod 26 =23 (7 × 19 + 3) mod 26 =6
码的置换表。
希尔密码
已知m组明文和密文、加密和解密算法，需要解m 元同余方程组，可以恢复密钥；
⎡ c11 c12 L c1m ⎤ ⎡ p11 p12 L p1m ⎤ ⎡ k11 k12 L k1m ⎤
⎢ ⎢
M
MM
M
⎥ ⎥
=
⎢ ⎢
M
M
M
M
⎥⎢ ⎥⎢
M
MM
M
⎥ ⎥
⎢⎣cm1 cm2 L cmm ⎥⎦ ⎢⎣ pm1 pm2 L pmm ⎥⎦ ⎢⎣km1 km2 L kmm ⎥⎦
多表代换密码
例
多表代换密码
练习： 明文: nice work，密钥：hot，求密文。
密文：U W V L K H Y Y
多表代换密码
已知m个连续的明文和密文，可以恢复维 吉尼亚密码的单表移位量（即密钥）；
穷举攻击：已知密文，明文为有意义字符， 至多尝试26m 个，可以恢复明文
惟密文攻击
人类的语言存在冗余，以英文文档为例 字母 e 是使用频率最高的 其次是 T,R,N,I,O,A,S Z,J,K,Q,X 很少使用 A、I、U很少用在词尾，E、N、R常 出现在词尾。E、S、D作为字母结 尾字母的单词超过一半，T、A、S 、W为起始字母的单词约占一半。
惟密文攻击
definitions of arithmetic processes.
惟密文攻击
练习：已知用户用移位密码加密，密文为 “KHOOR,HYHUB RQH”，用统计法求密钥和 对应明文
abcdefghijk l mn o p q r s t u v w x y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
惟密文攻击
令R=E(e)，D=E(t)，得到方程组
abcdefghijk l mn o p q r s t u v w x y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
⎧4a + b = 17 ⎩⎨19a + b = 3
多表代换密码
维吉尼亚密码：在长为m的密码中，任何一 个字母可被影射为26个字母中的一个
明文p ∈(Z26)m，密文c ∈ (Z26)m ，密钥k ∈ (Z26)m
加密
c= (p1+k1 ,,p2+k2 ,, …, pm+km) mod 26;
解密
p = (c1-k1 ,,c2-k2 ,, …, cm-km) mod 26.
数学描述: 用数字表示每个字母：
abcdefghijk l mn o p q r s t u v w x y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
c = E(p) = (p + k) mod (26) p = D(c) = (c – k) mod (26)
频率 14 12 10
8 6 4 2 0
ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ
惟密文攻击
对于双字母组合, 三字母组合
惟密文攻击
统计攻击（频率攻击）
假设：根据分析假设某些结论。 推断：在假设的前提下，推断出一些结论。
双频 字母跟随关系 构词规则 词义
验证发展：填上破译出的字母，根据词义、 构词规则不断发展
单表代换密码 （ Monoalphabetic Cipher ）
代换表是26个字母的任意置换 例：
加密函数:
a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v wx y z D K V Q F I B J WP E S C X H T M Y A U O L R G Z N 解密函数: A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V WX Y Z s g ma k e x o f h b v q z u j d wl p t c i n r y
密文为(0,23,6)=(a,x,g)
解密：7-1=15=-11 mod 26
(0- 3) × 15 mod 26 = 7 (23- 3) × 15 mod 26 =14 (6- 3) × 15 mod 26 =19
明文为(7,14,19)=(h, o,t)
仿射密码
练习：令密钥k=(9,3), 且gcd(9,26)=1.
解密
p
=
(c
∏
-1 (1)
,,c
∏
-1 (2)
,,
…,
c
∏
-1(m))
mod
26.
置换密码
例
x
1
密钥 ∏(x) 3
x
1
∏-1(x) 3
2 3456 5 1642 2 3456 6 1524
明文：State Key Laboratory of Networking 分组： StateK eyLabo ratory ofNetw orking 置换： EESLSH SALSES LSHBLE HSYEET HRAEOS
转轮密码
Enigma密码机
转轮密码
惟密文攻击
在攻击者可以截获（足够）明密文的条件下 ，易于恢复用户的密钥；
当攻击者只能窃听到密文时，若明文是有意 义的（一段话等具有可读性）字符时，利用 穷当举攻搜击索者，只可能以窃通听过到密密文文解时密，出是对否应有明其文它， 继而更恢有复效密攻钥击。方（法穷？举？搜索的复杂度取决于 密通若钥常否明空比可文间较以是的 小获无大 。得意小 ）明义，文的古或随典密机密钥字码的符体相时制关，的信攻密息击钥？者空？是间