《通信原理教程》版樊昌信编著十三课件PPT课件

13.3 分组密码和流密码
分组密码 加密过程
串行 明文
串行-分组 变换器
密码加密 逻辑
分组-串行 串行 变换器 明文
密钥
原理 连续的分组用相同的密钥加密。 若有一个特定的分组明文和以前的一个分组相同，则加 密后两者的密文也相同。 目标是使明文的任1比特都不会直接出现在密文中。
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13.4.1 完善安全性 完善安全性定义
假定：破译人员只能够看到密文Y，则一个保密系 统的完善安全性定义为：明文X和密文Y之间是统计独立的，
即有
I(X; Y) = 0 于是，由I (X; Y) = H(X) – H(X/Y)，可以求出
H(X/Y) = H(X)
上式表明，敌方破译人员最多只能，按照所有可能消
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流密码 原理：对明文的逐个比特进行不同的变换。 例：二进制加性流密码
密钥流
密钥
产生器
密钥流
产生器
密钥
密钥流 zn 明文 xn
密文 yn
密钥流 zn 密文 yn
明文 xn
(a)加密装置
(b)解密装置
令xn, yn和zn分别表示在n时刻明文比特、密文比特和
密钥流比特，则有yn xn zn , n 1, 2, , N
原理方框图：一种流密码，其密钥和密钥流相同，并且密 钥只使用一次。
密钥
消息 xn
zn 密文 yn
(a) 加密
密钥
密文
zn 消息
yn
xn
(b) 解密
密文 yn = xn zn,
n = 1, 2, …
式中，xn － 消息比特序列； zn － 统计独立和均匀分布的密钥比特序列。
一次一密密码是完善安全的，因为消息和密文之间的互信 息量为0；所以它是完全不可解密的。
仅对密文的攻击是一个密码系统受到的最轻的威胁。因 此，任何系统若不能战胜这种攻击，则被认为是完全不 安全的系统。
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13.4用信息论研究密码的方法
香农模型的假定：
敌方破译人员具有无限的时间和无限的计算能力；
敌方仅限于对密文攻击。
香农的密码分析定义：给定密文以及各种明文和密钥的先验 概率，搜寻密钥的过程。当敌方破译人员获得密文的唯一解 时，就成功地解密了。
H(X/Y) H(X, Z/Y) = H(Z/Y) + H(X/Y, Z)
简化如下：
H(X/Y) H(Z/Y) H(Z)
将上式代入式
H(X/Y) = H(X)
得知：为使一个保密系统给出完善的安全性，必须满足条件
H(Z) H(X) 它表明为了达到完善安全性，密钥Z的不确定性
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一次一密密码
息的概率分布，从给定的密文Y，去猜测明文消息X。
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香农基本界 给定密钥Z后，有
H(X/Y) H(X, Z/Y) = H(Z/Y) + H(X/Y, Z)
当且仅当Y 和 Z 共同唯一地决定X 时， H(X/Y, Z) = 0；
当使用已知密钥 Z 解密时，这是一个很有价值的假定。
因此，我们可以将式
香农对安全性的基本度量 － 互信息量I(X; Y) 令X = (X1, X2, …, XN)表示一个N 比特的明文消息; Y = (Y1, Y2, …, YN)表示相应的N 比特密文。
假定：
密钥Z服从某种概率分布 H(X) － X的不确定性 H(X/Y) － 给定Y后X的不确定性 I (X; Y) = H(X) – H(X/Y) － X和Y之间的互信息量。
式中，N是密钥流的长度。
因为在模2运算中加法和减法是一样的，所以上式也 可以写为 xn yn zn , n 1, 2, , N
因此，同样的装置既可以用于加密，也可以用于解密。
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密钥流应当尽可能地近似于一个完全随机的序列。 若密钥流是一个m序列，则图中的密钥流产生器就是一
个m序列产生器；密钥则是控制此m序列的生成多项式和 同步信息等。 二进制加性流密码没有错误传播；在密文中一个错误比 特解密后只影响输出中的相应比特。 （分组密码可能有错误传播，使明文分组中很少几个比 特的改变在密文输出中产生很多比特的变化。分组密码 的这种错误传播性质在认证中很有价值，因为它使敌方 的破译人员不可能修改加密后的数据，除非知道密钥。） 流密码通常较适用于通过易出错的通信信道传输数据， 用于要求高数据率的应用中，例如视频保密通信，或者 用于要求传输延迟很小的场合。
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密码编码学内容： 将消息加密的方法 将已加密的消息解密的方法
密码分析学内容：如何破译密文和伪造密文。 密码学的基本术语
明文 － 待加密的消息 密文 － 加密后的消息 密码 － 用于加密的数据变换集合 密钥 － 用于表示加密变换的参数 密码种类： 单密钥密码 公共密钥密码：也称为双密钥密码
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对通信安全的基本要求
假设：敌方破译人员知道所用加密法的全部机理，只是 不知道密钥。
密码分析性攻击的形式：
仅对密文的攻击
对已知明文的攻击
对选定的明文的攻击
对选定的密文的攻击
实际中常发生的是仅对密文的攻击：
例：使用语言的统计结构知识（例如，英文字母e的 出现概率是13%，以及字母q的后面总跟随着u）和关 于某些可能的字的知识（例如，一封信的开头中可能 有“先生”或“女士”两字）。
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13.2 单密钥加密通信系统
信源 X 加密 Y 信道
解密
X
Z
密钥
敌方
安全信道
发送端
信道
例：
密钥Z － m序列
加密算法 － 模2加法 解密算法 － 仍是模2加法 一般算法：
令F为产生密文Y 的可逆变换，即有 Y = F(X, Z) = FZ(X)
接收端
在接收端，密文Y 用逆变换F-1恢复成原来的明文X ，即 X = F-1(Y, Z) = FZ-1(Y) = FZ-1[FZ(X)] 3
第十三章 通信安全
13.1 概述
通信安全的基础 － 密码学
密码编码学
密码分析学
通信不安全因素
被破译
被攻击 － 被伪造和篡改
认证 － 防止被攻击的手段
认证的目的：
验证信息发送者真伪
验证接收信息的完整性― 是否被篡改了？是否被重复接收 了？是否被拖延了？
认证技术：包括消息认证、身份验证和数字签字。