密码编码学与网络安全(第五版) 向金海 02-古典密码算法.ppt
密码编码学与网络安全
密码编码学与网络安全密码编码学是关于加密和解密数据的学科，主要用于确保数据的机密性和完整性。
它是网络安全的一个重要组成部分，经常用于保护个人和机密信息免受黑客和未授权访问者的攻击。
密码编码学基于一系列算法和协议，用于加密和解密敏感信息。
加密是将明文数据转换为密文的过程，而解密则是将密文数据还原为明文的过程。
这些算法和协议的设计旨在保证数据的安全性，并通过使用“密钥”来防止未授权的访问者获得敏感信息。
常见的密码编码学算法包括对称加密算法和非对称加密算法。
对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密，非对称加密算法则使用一对密钥，即公钥和私钥。
公钥可以自由发布，而私钥则必须保密。
密码编码学还涉及到其他一些重要概念，如哈希函数和数字签名。
哈希函数是一种将数据映射为固定长度值的算法，不可逆，用于验证数据的完整性。
数字签名则是使用私钥对数据进行加密，以确保数据的来源和完整性。
网络安全是关于保护网络和系统免受未经授权的访问、破坏和数据泄露的学科。
密码编码学在网络安全中发挥着重要作用，为个人和组织提供了安全的通信和数据存储方式。
除了密码编码学，网络安全还涉及其他方面，如防火墙、入侵检测系统和安全策略等。
防火墙是一种网络安全设备，用于监视和控制网络流量，防止未经授权的访问者进入受保护的网络。
入侵检测系统则是一种监控网络和系统活动的安全工具，用于检测和阻止入侵行为。
安全策略则是指定组织内部和外部安全措施的计划和规则。
在当今网络安全威胁日益增加的背景下，密码编码学和网络安全的研究和应用变得尤为重要。
随着技术的不断发展，黑客和攻击者的技术也在进步，因此保持密码编码学和网络安全的最新知识和技术至关重要，以保护个人和机构的敏感信息和资产。
密码学基础古典密码素材ppt课件
➢ 互联网的开放性是根源 ➢ 网络安全已成为网络设计、建设和维护的重要内容
密码学/密码算法成为保护网络信息的利器
➢ 以数学为工具，将信息明文变换为密文 ➢ 成为保护信息的核心屏障
32021精选ppt 网络与信息安全
简单加密系统模型
密码学的目的
➢ 合法通信双方Alice和Bob在不安全的信道上进行安全通信， 而破译者Oscar不能理解他们通信的内容
让每个字母对应一个数值
则基本型凯撒密码可以表示为
加密： 解密：
Ci = E(pi) = (pi+3) mod 26 pi = D(Ci) = (Ci3) mod 26
密钥数量：1
152021精选ppt 网络与信息安全
凯撒密码
凯撒密码
实例
➢ 明文： meet me after the party ➢ 密文： PHHW PH DIWHU WKH SDUWB
192021精选ppt 网络与信息安全
移位密码
移位密码
202021精选ppt 网络与信息安全
例如，k = 5
明文字母表： 密文字母表：
明文
移位密码
密文
密钥数量：25
212021精选ppt 网络与信息安全
移位密码
特点
➢ 非常简单 ➢ 密钥数为25，仍非常脆弱
222021精选ppt 网络与信息安全
指定一个关键词（词组、句子…） 去除关键词中的重复字母和空格，前置于密码表 将剩余的字母依次按序后置于密码表
密钥数量： 26!（≈ 4×1026 = 400亿亿亿）
272021精选ppt 网络与信息安全
短语密码
实例
➢ 关键词： ➢ 去重前置： ➢ 剩余后置：
chap2-古典密码
密钥 密文
密钥
明文
加密算法
明文 解密算法
加密密钥(Encryption Key) 解密密钥(Decryption Key)
基本概念
需要密钥的加密算法，记为：C=E(K,P),即密文消息同时
依赖于初始明文和密钥的值。实际上，E是一组加密算法， 而密钥则用于选择其中特定的一个算法。
加密与解密的密钥相同，即：P=D(K,E(K,P)) 加密与解密的密钥不同，则：P=D(K ,E(K ,P))
除了一次一密的方案外，没有无条件安全的算法 安全性体现在任意一条：
• 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
密钥搜索所需平均时间
目录
1.
2. 3.
密码学的起源、发展和现状
密码学基本概念 典型几种古典密码技术
经典加密技术
替代 置换 隐写术
古典密码：替代（代替）
2018/6/26
41/72
古典密码：置换
改变明文内容元素的相对位置，保持内容的表现形式不 变 通常称为transposition或者permutation密码 通过重新安排消息字母的位置来隐藏明文信息，而不是 用其他字母来代换明文字母 这种方法是很容易破译的，因为密文拥有与明文一样的 字母频率统计特性
（4）任意k∈ K，有一个加密算法 ek E 和相应的解密 算法 d k D ，使得 ek : P C 和 dk : C P 分别为加 密解密函数， 满足dk(ek(x))=x ，这里 x ∈P。
密码编码系统分类
保密内容 密钥数量 明文处理的方式
保密内容
受限制的（restricted)算法
密码编码学与网络安全第五版
密码编码学与网络安全第五版密码编码学与网络安全是现代信息保密与通信安全的基础理论。
其研究内容包括加密、解密算法的设计与分析，密码系统的实现与安全性评估，网络安全协议的设计与分析等。
在网络时代，密码编码学与网络安全的研究显得尤为重要。
密码编码学主要包括对消息的加密与解密。
加密是将明文消息转化为密文消息的过程，解密是将密文消息还原为明文消息的过程。
密码算法的设计应具有安全性、可靠性和效率性。
安全性是指密文不能被未授权的人解密，可靠性是指密文在传输、存储和处理过程中不会出现错误，效率性是指算法需要较低的时间和空间成本。
密码系统的实现需要考虑多种因素。
首先是密钥的管理，密钥是加密与解密过程中必不可少的要素，因此密钥的生成、分发、存储和更新等都需要考虑。
其次是密码系统的可靠性与安全性评估，对密码系统的实施，应进行相关的评估与测试，以确保其在现实应用中的可靠性与安全性。
最后，密码系统的实施还需要考虑与其他系统的兼容性，以实现不同系统之间的通信与数据交换。
网络安全协议设计与分析是密码编码学与网络安全的重要研究内容之一。
网络安全协议是保证网络信息安全的关键，它基于密码学算法与协议的设计与实现。
网络安全协议的设计目标是实现认证、机密性、完整性和不可否认性等安全性质，并确保这些性质在网络通信中得以维护。
密码编码学与网络安全既有其理论研究的基础，也有其实际应用的重要性。
随着信息技术的不断发展，网络安全问题也越发凸显。
密码编码学与网络安全的研究对于保护个人隐私，防止信息泄露，维护国家安全等方面起到了重要作用。
综上所述，密码编码学与网络安全是现代信息保密与通信安全的基础理论。
其应用领域广泛，包括信息加密，网络安全协议的设计与分析等。
密码编码学与网络安全的研究对于保障个人隐私，防止信息泄露，维护国家安全等方面具有重要意义。
在信息时代，我们需要加强对密码编码学与网络安全的研究与实践，以应对不断增长的网络安全挑战。
密码编码学和网络安全
– 因子分解 N=p.q, 从而发觉 ø(N) 和 d – 直接拟定 ø(N) ，然后找出 d – 直接找出 d
• 关键是因子分解
– 改善不大
• Aug-99 曾经使用 GNFS 攻击 130 decimal digits (512) bit
– 算法改善
• 从 “Quadratic Sieve” 到 “Generalized Number Field Sieve”
– 采用1024+ bit RSA 使攻击更困难
• 确保 p, q 具有相同大小且满足其他限制
RSA-定时攻击
• mid-1990’s 提出 • 利用运算过程中旳时间变化
– 密钥中旳0或1，时间不同
• 从化费时间推算出操作数旳大小 • 对策
– 使用固定时间 – 随机延迟 – 运算盲化-取幂操作前将密文与一种随机数相乘
• 线性混合层：确保多轮之上旳 高度扩散。
• 非线性层：具有最优最差-情形 非线性旳S-盒旳并行应用
• 密钥加层：轮密钥简朴地异或 到中间状态上。
AES算法构造
• Ecryption • Decryption
状态、密钥旳表达
• 状态/密钥旳矩阵表达
State
S00 S01 S02 S03 S10 S11 S12 S13 S20 S21 S22 S23 S30 S31 S32 S33
公钥算法应用：鉴别
保密和鉴别
RSA
• RSA措施由三位MIT科学家Rivest、Shamir 和Adleman于1977年提出
• 最著名和使用最广泛旳公钥加密措施 • 基于整数旳有限幂次对素数旳取模 • 使用大整数作为密钥 • 安全性依赖于大数旳因子分解
【安全课件】第2讲--古典密码
将英文字母编码为它的序号(0起算)
当将明、密文空间均改为
Z26 {0,1,2,,25}
将对英文字母的加密变换改为：
c Ek (m) (m k) mod 26
这个密码就是一个著名的古典密码体制： 维几尼亚密码（Vigenere密码体制）
若明文序列为: m1, m2,, mt , 密钥序列为：k1, k2,, kt ,
16
二、多表代替密码 根据密钥的指示，来选择加密时使用的单 表的方法，称为多表代替密码。
例4：加密变换为:c Ek (m) (m k) mod10
但 k 不再是固定常数而是密钥。 加密算法： 明 文： 晨 五 点 总 攻 明文序列： 1931 4669 2167 5560 1505 密钥序列： 4321 5378 4322 3109 1107 密文序列： 5252 9937 6489 8669 2602 若密钥序列是随机的,该密码就是绝对安全的. 随机就是指序列的信号相互独立且等概分布.
时间）
3
上节课补充内容－密码算法的分类
保密内容 受限制的（restricted)算法
算法的保密性基于保持算法的秘密 基于密钥（key-based)的算法
算法的保密性基于对密钥的保密
4
上节课补充内容－密码算法的分类
密钥
对称密码算法（symmetric cipher) 加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同，即从一
13
特别地,若取q =10 和 k=3,则
加密变换为：
c E3(m) (m 3) mod10, 0 m 9
脱密变换为：
m D3(c) (c 3) mod10, 0 c 9
此时,明文:晨五点总攻 变换为区位码 1931 4669 2167 5560 1505
信息安全系统工程密码学基础和古典加密共39页PPT
16、云无心以出岫，鸟倦飞而知还。 17、童孺纵行歌，斑白欢游诣。 18、福不虚至，祸不易来。 19、久在樊笼里，复得返自然。 20、羁鸟恋旧林，池鱼思故渊。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
密码编码学与网络安全课件
目录
• 密码编码学基础 • 网络安全基础 • 密码编码学在网络安全中的应用 • 网络安全攻击与防范 • 密码编码学的发展趋势与挑战 • 网络安全法律法规与道德规范
01
密码编码学基础
密码编码学简介
密码编码学定义
密码编码学是一门研究如何将信息进行加密以保护其机密性和完 整性的科学。
线。
网络安全协议
SSL/TLS协议
SSL/TLS协议是一种用于保护数据传输安全的协议，广泛应用于网 页浏览、电子邮件和即时通讯等场景。
IPsec协议
IPsec协议是一种用于保护IP层通信安全的协议，能够提供数据加密 和完整性校验功能。
SET协议
SET协议是一种用于保护电子商务交易安全的协议，能够保证交易信 息的机密性和完整性。
网络钓鱼与社交工程攻击防范
识别可疑链接
不要轻易点击来自陌生人或不 可信来源的链接。
保护个人信息
避免在公共场合透露敏感信息 ，如账号、密码等。
使用安全软件
安装防病毒软件和防火墙，定 期更新病毒库。
提高警惕意识
时刻保持警觉，不轻信陌生人 的诱饵。
恶意软件防范与清除
安装防病毒软件
实时监测和清除恶意软 件。
数字签名在网络身份认证中的应用
数字签名
通过使用私钥对数据签名，验证数据的完整性和来源。在网络身份认证中，数字 签名可以确保发送方的身份不被伪造，同时保证数据在传输过程中没有被篡改。
证书签名
通过权威的证书颁发机构（CA）对公钥进行签名，验证公钥的合法性和来源。 在网络身份认证中，证书签名可以确保接收方能够验证发送方的身份，并建立安 全的通信通道。
安全、数据保护、个人信息保护、关键信息基础设施保护等。
信息安全基础2(密码编码学与网络安全)
The Phaistos (1700 BC)
Encryption Machines in Early 20th Century
History of Cryptography (cont‘ d)
1949~1976 – Shannon published ―The Communication Theory of Secret Systems‖ in 1949, which indicated cryptography became a formal subject. The development of computer enabled ciphers on complex computing. The security of data is based on the secrecy of secret key instead of cipher algorithm.
– Classical Encryption古典加密 Before computer was invented, cryptography was art more than science. There were some cipher algorithms, encryption machines & simple cryptanalysis密 码分析 ways. The main encryption objects are alphabet character. The security of data is based on the secrecy of algorithms.
Symmetric Cipher Ke=Kd Asymmetric Cipher Ke≠Kd Ke Kd So, make Ke public, keep Kd secret
古典密码学ppt课件
出现频率：例如，在标准英语中，出现频率最高的是字母“e”，而“x”和 “z”则很少出现；字母的实际出现频率取决于具体文字的类型，科技文献 的字母出现频率与文学文献有很大的不同；
首选关联集：在标准英语中，多个字母常一起出现或不出现，例如，元 音字母“a”、 “i”和“o”互不相联。
安全性分析 每一密钥序列和明文序列都是等概率的出现，敌手没有任何信 息用来哪一密钥序列和明文消息是正确的。
古典密码编码学之外：使用和安全性
一个被安全用于密码协议中的移位密码(零知识证明)
假定一个Zn上的函数f(x)，具有以下两条性质
单向性：对于任意的x∈ Zn， f(x)能有效计算，而对几乎所有的x∈ Zn，对于 任意有效算法A，Prob[x←A(y) ∧f(x)=y]与y的大小相比是一个可忽略的量；
古典置换加密法是一种简单的换位加密法，其加密过程类似于洗一 副纸牌。它的密钥是(d，f)。 将密文分成固定长度的块，如长度为d； 置换函数f从1~d中选取一个整数排列； 将明文每个分块中的字母根据f重新排列。
例一：令d = 4，f = (2, 4, 1, 3)
第一个字符移位到位置二，第二个字符移到位置四，第三个字符移到 位置一，第四个字符移到位置三；
古典多码加密法：Vigenere密码
Vigenere表
明文
密文
古典多码加密法：Vigenere密码
加密过程：给定一个密钥字母k和一个明文字母p，密文字母就是位 于k所在的行与p所在的列的交叉点上的那个字母。
解密过程：由密钥字母决定行，在该行中找到密文字母，密文字母 所在列的列首对应的明文字母就是相应的明文。 例一：关键词为“hold”，那么关键词-明文-密文的关联如下
假设明文：“this is the plaintext” -> “this isth epla inte xt**” 密文：“itsh this leap tien *x*t”
密码编码学与网络安全 向金海 02-古典密码算法.ppt
128
2128 = 3.4 1038 2127 µs = 5.4 1024 years
5.4 1018 years
168
2168 = 3.7 1050 2167 µs = 5.9 1036 years
5.9 1030 years
26 characters (permutation)
基于密钥的算法，按照密钥特点 对称密码算法（传统密码算法或单钥密码算法） 非对称算法（公开钥密码算法或双钥密码算法）
按照明文处理方式 分组密码 流密码
*
7
安全要求
加密算法必须足够强
最低要求：已知密文时不能破译该密文或由密文 推导出密钥；
加强形式：已知某些明、密文对，也不能由此破 译出新的密文或发现密钥。
32
232 = 4.3 109
56
256 = 7.2 1016
Time required at 1 decryption/µs
231 µs = 35.8 minutes
255 µs = 1142 years
Time required at 106 decryptions/µs
2.15 milliseconds
惟密文攻击，ciphertext only
only know algorithm & ciphertext, is statistical, know or can identify plaintext
已知明文攻击，known plaintext
know/suspect plaintext & ciphertext
加密算法必须是足够强的 a strong encryption algorithm
密码编码学与网络安全讲义
•
9、要学生做的事，教职员躬亲共做； 要学生 学的知 识，教 职员躬 亲共学 ；要学 生守的 规则， 教职员 躬亲共 守。21.6.921.6.9Wednesday, June 09, 2021
•
10、阅读一切好书如同和过去最杰出 的人谈 话。08:50:5608:50:5608:506/9/2021 8:50:56 AM
•
11、一个好的教师，是一个懂得心理 学和教 育学的 人。21.6.908:50:5608:50Jun- 219-Jun-21
•
12、要记住，你不仅是教课的教师， 也是学 生的教 育者， 生活的 导师和 道德的 引路人 。08:50:5608:50:5608:50Wednesday, June 09, 2021
• RSASSA-PSS-VERIFY ((n, e), M, S)
B
RSASSA-PKCS1-v1_5
• RSASSA-PKCS1-V1_5-SIGN (K＝(n, d), M)
– EM = EMSA-PKCS1-V1_5-ENCODE (M, k) – m = OS2IP (EM) – s = RSASP1 (K, m) – S = I2OSP (s, k)
•
4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行
5.26.20215.26.202108:3008:3008:30:5708:30:57
B
EMSA-PKCS1-v1_5
•
5、You have to believe in yourself. That's the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自己，这是成功的秘诀。-Wednesday, May 26, 2021May 21Wednesday, May 26, 20215/26/2021
密码编码学与网络安全(第五版) 向金海 04-对称密码-aes-rc4
final criteria
general security ease of software & hardware implementation implementation attacks flexibility (in en/decrypt, keying, other factors)
AES-192 6/24/192 4/16/128
12 4/16/128 52/208
AES-256 8/32/256 4/16/128
14 4/16/128 60/240
3/04/2020
18
AES密码
AES的特性
所有的已知攻击具有免疫性
在各种平台上执行速度快，代码紧凑
设计简单
3/04/2020
3/04/2020
14
The AES Cipher - Rijndael
designed by Rijmen-Daemen in Belgium has 128/192/256 bit keys, 128 bit data an iterative rather than feistel cipher
3/04/2020
华中农业大学信息学院
36
列混淆（Mix Column）变换
例子
3/04/2020
华中农业大学信息学院
37
轮密钥加（Add Round Key）变换
一个简单地按位异或的操作
3/04/2020
华中农业大学信息学院
38
内部函数的功能小结
密码编码学与网络安全讲义
密码编码学与网络安全讲义密码编码学是一门重要的学科，在网络安全中起着关键的作用。
密码编码学涉及使用算法和技术来保护数据的机密性和完整性。
在网络安全中，密码编码学的应用范围非常广泛，包括加密通信、认证用户、数字签名和访问控制等方面。
密码编码学的基本概念包括明文、密文、密钥和算法。
明文是未加密的原始数据，密文是经过加密处理的数据，密钥是用于加密和解密的关键，算法是加密和解密的计算过程。
密码编码学的目标是保证数据机密性，即使在数据传输和存储过程中，也能保证数据的安全性。
在网络安全中，密码编码学的应用包括对通信数据的加密和解密，以防止未经授权的访问者获取数据内容。
加密通信通常使用对称加密和非对称加密技术。
对称加密技术使用同一个密钥对数据进行加密和解密，而非对称加密技术使用一对密钥，一个用于加密，一个用于解密。
另外，数字签名技术也是密码编码学的重要应用之一，它可以验证数据的完整性和真实性，避免数据被篡改。
除了加密通信和数字签名，密码编码学在认证用户和访问控制中也发挥了重要作用。
通过身份验证和访问控制系统，只有经过授权的用户才能获得网络资源的访问权限，从而保证网络的安全性。
然而，密码编码学也面临着一些挑战和风险。
例如，传统的加密算法可能会受到攻击者的破解，还有可能发生密钥泄露等安全问题。
因此，密码编码学需要不断地进行研究和发展，以适应不断变化的网络安全环境。
总之，密码编码学是网络安全中不可或缺的一部分，通过加密通信、数字签名和认证用户等技术，可以保护网络数据的机密性和完整性，确保网络安全的运行。
然而，密码编码学也需要持续的研究和改进，以应对不断变化的网络安全挑战。
密码编码学和网络安全是当今数字化世界中不可或缺的组成部分。
在信息和通信技术的快速发展的背景下，数据的机密性和完整性变得尤为重要。
因此，密码编码学通过各种技术和算法，为网络安全提供了重要支持。
一种常见的密码编码学技术是对称加密，这种加密方式使用相同的密钥来加密和解密数据。
密码编码学与网络安全第五版
密码编码学与网络安全第五版《密码编码学与网络安全》是一本全面介绍密码学和网络安全的经典教材。
本书分为11章，涵盖了密码学的基础知识、对称加密算法、公钥加密算法、哈希函数、数字签名、安全协议、网络安全等内容。
在密码学的基础知识章节中，书中介绍了密码学的基本概念、加密和解密的基本原理、安全性要求和攻击模型等内容。
同时，还介绍了一些常用的密码学术语和符号，为后续章节的学习做好铺垫。
对称加密算法是密码学中最简单和最早可实现的算法之一。
在本书的对称加密算法章节中，作者介绍了几种经典的对称加密算法，包括凯撒密码、DES和AES等。
对于每种算法，作者都详细介绍了其原理、算法流程以及安全性分析等内容。
公钥加密算法是密码学中的另一项重要技术。
在本书的公钥加密算法章节中，作者介绍了RSA和椭圆曲线密码算法等常用的公钥加密算法。
对于每种算法，作者都详细介绍了其原理、算法流程以及安全性分析等内容。
哈希函数是密码学中常用的一种算法。
在本书的哈希函数章节中，作者介绍了一些常用的哈希函数，如MD5和SHA-1等。
对于每种哈希函数，作者都介绍了其原理、算法流程以及安全性分析等内容。
数字签名是密码学中的一项重要技术，用于保证消息的完整性和身份认证。
在本书的数字签名章节中，作者介绍了数字签名的基本原理、几种常用的数字签名算法，如RSA和DSA等。
作者还介绍了数字证书的概念和使用方法，以及证书机构的信任模型等内容。
安全协议是网络安全中的重要组成部分。
在本书的安全协议章节中，作者介绍了一些常用的安全协议，如SSL/TLS协议和IPSec协议等。
对于每种协议，作者都详细介绍了其原理、实现方法以及安全性分析等内容。
最后，本书还介绍了一些与网络安全相关的内容，如网络攻击和防御、入侵检测和防范、网络安全政策和法律等。
同时，作者还介绍了一些常见的网络攻击技术，如拒绝服务攻击和中间人攻击等。
《密码编码学与网络安全》是一本非常经典的教材，内容全面，深入浅出。
class2_古典密码学
单表代换—多项式代换密码
(Polynomial SubstitueCipher)
移位密码、乘法密码、仿射密码
是多项式密码的特例！
代换密码(Substitution Cipher)
单表代换—密钥短语密码(Key Word/Phrase Cipher)
单表代换 单字母代换 单码代换 流密码 代换密码
Phaistos圆盘，直径约160mm的Creran-Minoan粘土圆盘，始于公元前17
世纪。表面有明显字间空格的字母，至今还没有破解。J.Friedrichs：“如 果没有进一步的线索，短的报文段不会提示其含义的。”
双密码盘，估计始于18或19世纪。外层圆盘上有类似词汇表的明文，明文 中有字母，元音字母和常用单词。密文是由两位的十进制数组成的。
多表代换：以一系列代换表依次对明文字母进行代换
周期多表代换密码
d的长度为1：单表代换密码 d的长度和明文一样长：滚动密钥密码 密钥不重复：一次一密钥密码
密钥取自：书、报告 起始位置：书名、章节号、标题
代换密码(Substitution Cipher)
多表代换—弗纳姆Vernam密码
代换密码(Substitution Cipher)
内容及分类
单表代换 单字母代换 单码代换 流密码 代换密码
棋盘密码 移位代换密码凯撒密码 数/采样密码 仿射密码 多项式代换密码 密钥短语密码 乘 非周期多表代换密码 一次一密密码
多表代换
周期多表代换密码
古典 密码
置换密码
多字母代换 多码代换 分组密码
单表代换 多表代换
Playfair密码 希尔(Hill)密码 (矩阵变换密码) 置换 矩阵
单表代换 —棋盘密码
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逆矩阵、线性无关、线性空间与线 性变换等概念和运算
密码编码学：对信息进行编码，实现信息保密性 密码分析学：研究、分析、破译密码
2020年10月12日11时25分
3
密码学的发展历史
第1阶段：1949年以前； 第2阶段：从1949年到1975年；
标志：1949年Shannon发表《保密系统的信息 理论》一文；
第3阶段：1976年至今。
标志：1976年Diffie和Hellman发表《密码学 新方向》一文。
排序，ya→BN，es→IL（或JL）
解密
加密的逆向操作
2020年10月12日11时25分
34
Playfair密码安全性分析
安全性优于单表代替密码 密钥空间：＝25！≈1.6×1025 在WW1（一战）中使用多年 虽然明文中字母的统计规律在密文中得到了
降低，但密文中仍含有明文的部分结构信息 给定几百个字母，即可被攻破 明、密文字母不是一一对应关系
单表代替密码由于密钥空间较小所以无 法提供安全性；
Playfair密码是一个多表代替密码 ； Charles Wheatstone 于1854年发明, 用其朋
友Baron Playfair 命名。
2020年10月12日11时25分
32
Playfair密钥矩阵
5X5 填写密钥单词 用其他字母填写剩下的空缺
2020年10月12日11时25分
14
对称密码模型
（Symmetric Cipher Model）
2020年10月12日11时25分
15
对称密码安全的两个必备条件:
加密算法必须是足够强的 a strong encryption algorithm
惟有发送者和接收者知道的秘密密钥 a secret key known only to sender / receiver
明 文
x
y
z
ab
c
d
e
f
gh
i
j
k
l mn o p q
r
s
t
u vw
2020年10月12日11时25分
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恺撒密码
c = E(p) = (p + k) mod (26) p = D(c) = (c – k) mod (26)
2020年10月12日11时25分
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恺撒密码的密码分析
共有密钥25个 可简单地依次去测试 、强力搜索、穷举攻击 基于字母频率的破译方法 所破译的明文需要识别
ciphertext
2020年10月12日11时25分
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密码编码学
Cryptography
研究内容
主要研究对信息进行编码，实现对信息的隐蔽。
特征
运算类型：代换与置换 所用的密钥数：单钥与双钥 处理明文的方法：分组密码与流密码
2020年10月12日11时25分
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密码算法分类
按照保密内容 受限制的（restricted）算法：算法的保密性基于 保持算法的秘密； 基于密钥的（key-based）算法：算法的保密性基 于对密钥的保密
算法的保密，而依赖于对密钥的保密。
2020年10月12日11时25分
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穷举攻击
Key Size (bits)
Number of Alternative Keys
32
232 = 4.3 109
56
256 = 7.2 1016
Time required at 1 decryption/µs
231 µs = 35.8 minutes
2020年10月12日11时25分
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语言的冗余与密码分析
人类的语言是有冗余的 字母的使用频率是不同的 在英语中E使用的频率最高 有些字母使用较少 单字母、双字母、三字母组合统计
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英语字母使用频率
2020年10月12日11时25分
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§2.2.1 Playfair密码
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字母出现的相对频率
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§2.2.4 希尔(Hill)密码
莱斯特·S·希尔（Lester S. Hill， 1891–1961），美国数学家、教育 家。1911年于哥伦比亚大学读完学 士学位，1926年在耶鲁大学读完博 士学位，于1929年发明希尔密码。
如：破译密文 "GCUA VQ DTGCM“ dzrx sn aqdzj （k=3） easy to break （k=2）
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§2.2.2 单表代替密码
密钥短语密码就是选一个英文短语作为密钥字(Key Word)或密钥短语(Key Phrase)，如HAPPY NEW YEAR，去掉重复字母得HAPYNEWR。
密文C ＝ c1c2…cn （加密）运算：Pi ＝ ci - k （mod 26）, i＝1,2,…,n 解码得明文： P ＝ p1p2…pn
2020年10月1k=3）
密 文
A
B
C
D
E
F GH
I
J K LMNO P QR S
T U V W X YZ
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单表代替密码分析
不是简单有序地字母移位 任意地打乱字母的顺序 每个明文字母映射到一个不同的随机密文
字母 密钥数目： 26！
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单表代替密码分析
密钥空间： 26! ＞ 4 x 1026 貌似安全，实则不然 语言特性
数学表示:
C = EK(P) P = DK(C)
假设加/解密算法是已知的 拥有一个安全通道用于分发密钥
2020年10月12日11时25分
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§2.2 古典代替密码
将明文字母替换成其他字母、数字或符号 的方法;
如果把明文看成是0或1的序列，那么密文 就是0或1比特序列的另一种表达。
know/suspect plaintext & ciphertext
选择明文攻击，chosen plaintext
select plaintext and obtain ciphertext
选择密文攻击，chosen ciphertext
select ciphertext and obtain plaintext
20
恺撒密码-加密
方式二：查表（例k=3）
明 文 a b c d e f g h i j k l mn o p q r s t u vwx y z 密 文 D E F GH I J K LMNOPQR S T U VWX Y Z ABC
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恺撒密码 - 解密
方式一：公式计算
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§2.2.1 恺撒密码 Caesar Cipher
所知道的最早的代替密码 Julius Caesar 首先用在军事通信中 用字母后的第三个字母代替
明 文a b c d e f g h i j k l mn o p q r s t u v w x y z 密 文D E F GH I J K LMN O P Q R S T U VWX Y Z A B C
基于密钥的算法，按照密钥特点 对称密码算法（传统密码算法或单钥密码算法） 非对称算法（公开钥密码算法或双钥密码算法）
按照明文处理方式 分组密码 流密码
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安全要求
加密算法必须足够强
最低要求：已知密文时不能破译该密文或由密文 推导出密钥；
加强形式：已知某些明、密文对，也不能由此破 译出新的密文或发现密钥。
算法是基于密钥的：通信双方必须在某种安 全形式下获得密钥并必须保证密钥的安全
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密码分析学
Cryptanalysis
密码破译 攻击的一般方法
密码分析学： cryptanalytic attack 穷举攻击： brute-force attack
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选择文本攻击，chosen text
select plaintext or ciphertext to en/decrypt
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两个概念
绝对安全，Unconditional Security
计算安全，Computational Security
19世纪，Kerckhoff原则： 系统的保密性不依赖于对加密体制或
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§2.1 对称密码的模型
传统密码/常规密码/私钥密码/单钥密码 conventional / private-key / single-key
发送方和接收方共享一个共同的密钥 sender and recipient share a common key
所有的传统密码算法都是私钥密码 20世纪70年代以前私钥密码是唯一类型 至今仍广泛应用
2020年10月12日11时25分
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基本术语
明文，plaintext - original message 密文，ciphertext - coded message 密码体制，密码，cipher - algorithm for transforming
plaintext to ciphertext 密钥，key - info used in cipher known only to sender/receiver 加密，encipher (encrypt) - converting plaintext to ciphertext 解密，decipher (decrypt) - recovering plaintext from