信息安全 第2章密码学基础
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需测试的密钥只有25个。 明文所用的语言是已知的,其意义易于识别。
因此,为了提高穷举分析的难度,密钥空间 必须很大。例如3-DES算法的密钥长度为168 位,密钥空间为2168。
单表代换密码
使用一个密文字母表,并且用密文字母表中
的一个字母来代替一个明文字母表中的一个 字母。 例如,明文a用c来代换,b用剩下的25个字母 中随机的一个来代换,c用剩下的24个字母中 随机的一个来代换,……,以此类推。这样, 密钥空间为26!,约4*1026种可能的密钥。
密的科学。它包含两个分支
密码编码学(Cryptography),对信息进行编码 实现隐蔽信息的一门学问 密码分析学(Cryptanalytics),研究分析破译 密码的学问。
密码学的基本概念(3)
明文(消息)(Plaintext) :被隐蔽消息。 密文(Ciphertext)或密报(Cryptogram):明文经密 码变换成的一种隐蔽形式。 加密(Encryption):将明文变换为密文的过程。 解密(Decryption):加密的逆过程,即由密文恢复 出原明文的过程。 加密员或密码员(Cryptographer):对明文进行加密 操作的人员。
对截收的密报依次用各种可解的密钥试译,直到得到 有意义的明文;一般来说,要获取成功必须尝试所有可能 密钥的一半。 或在不变密钥下,对所有可能的明文加密直到得到与 截获密报一致为止,此法又称为完全试凑法(Complete trial-and-error Method)。 只要有足够多的计算时间和存储容量,原则上穷举法 总是可以成功的。但实际中,任何一种能保障安全要求的 实用密码都会设计得使这一方法在实际上是不可行的。
密码分析
截收者在不知道解密密钥及通信者所采用的加 密体制的细节条件下,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称作 密码分析学。 密码分析在外交、军事、公安、商业等方面都 具有重要作用,也是研究历史、考古、古语言 学和古乐理论的重要手段之一。
密码分析
密码设计和密码分析是共生的、又是互逆的,两 者密切有关但追求的目标相反。两者解决问题的 途径有很大差别
密码学的发展历史(4)
两次世界大战大大促进了密码学的发展。
转轮密码机ENIGMA,由Arthur Scherbius于1919年发明,面板 前有灯泡和插接板;4轮 ENIGMA在1942年装备德国海军, 英国从1942年2月到12月都没能 解读德国潜艇的信号。
英国的TYPEX打字密码机,是德国3 轮ENIGMA的改进型密码机。它在英 国通信中使用广泛,且在破译密钥后 帮助破解德国信号。
密码学的发展历史(3)
两次世界大战大大促进了密码学的发展。
二战中美国陆军和海军使用的条形密 码设备M-138-T4。根据1914年Parker Hitt的提议而设计。25个可选取的纸条 按照预先编排的顺序编号和使用,主 要用于低级的军事通信。
Kryha密码机大约在1926年由 Alexander vo Kryha发明。这是 一个多表加密设备,密钥长度为 442,周期固定。一个由数量不 等的齿的轮子引导密文轮不规则 运动。
密码系统的分类(3)
根据加密算法是否变化分类
设E为加密算法,K0, K1,…,Kn,为密钥,
M0,M1,…,Mn为明文,C为密文 固定算法密码体制
C0=E(M0,K0), C1=E(M1,K1),..., Cn=E(Mn,Kn)
变化算法密码体制 C0=E1 (M0,K0), C1=E2 (M1,K1),..., Cn=En (Mn,Kn)
序列密码体制(Stream Cipher) 将明文和密钥都划分为位(bit)或字符的序列,并且对 明文序列中的每一位或字符都用密钥序列中对应的分 量来加密。 M=(M1, M2,… ,Mn) , Ke=(ke1, ke2,…,ken),C=(C1, C2,…,Cn),其中Ci=E(mi,kei) ,i=1,2,…,n。
Kd C M------明文 Ke-----加密密钥 E-------加密算法 D M
C------密文 Kd-----解密密钥 D------解密算法
用户A
用户B
传送给B的信息 密文 明文 加密算法
B收到信息
ห้องสมุดไป่ตู้
网络信道
解密算法
明文
加密密钥K1
解密密钥K2
C窃听到的信息!@#$%^
窃听者C
注意
数据安全基于密钥而不是算法的保密。也就是说, 对于一个密码体制,其算法是可以公开的,让所有 人来使用、研究。但具体对于某次加密过程中所使 用的密钥,则是保密的。 例如,加密算法为Y=aX+b,其中,X为明文,计算 后Y成为密文。在具体加密过程中,a、b的取值为 密钥,假设为(2,3),明文为2,则密文计算后 为7。在这个过程中,Y=aX+b可以公开,但具体 a=2,b=3的取值不公开。所以即使对方知道了采用 的加密算法,由于不知道具体参数取值,也无法根 据密文计算出明文。
密码体制基本组成
一个密码系统,通常简称为密码体制,由5部
分组成:
明文空间 M 密文空间 C 加密算法 E 全体明文的集合 解密算法 D 密钥空间 K 一组由C到M的解密变换
全体密文的集合
全体密钥的集合
一组由M到C的加密变换
信息加密传输的过程
加密: C = E(M,Ke)
Ke
M
E
C
解密: M = D(C, Kd)
Caesar密码
如果让每个字母等价于一个数值:
a=0,b=1,…,z=25 则加密公式为: C=E(p)=(p+3) mod 26 更一般地: C=E(p)=(p+k) mod 26 解密:p=D(C)=(C-k) mod 26
用穷举分析可轻松破解Caesar密码
通常,加密和解密算法是已知的。
密码系统的分类(2)
根据明文和密文的处理方式分类
分组密码体制(Block Cipher) 设M为明文,分组密码将M划分为一系列明文块Mi,通 常每块包含若干字符,并且对每一块Mi都用同一个密 钥Ke进行加密。 M=(M1, M2,… ,Mn) ,C=(C1, C2 , … ,Cn,),其中 Ci=E(Mi,Ke), i=1,2…,n。
第2章 密码学基础
主要内容
密码学的发展历史
密码学的基本概念 密码系统的分类 密码分析 经典密码学
密码学的发展历史(1)
自人类社会出现战争便产生了密码 Phaistos圆盘,一种直径约为160mm 的Cretan-Mnoan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。
密码学的发展历史(5)
1949年香农发表了一篇题为《保密系统的通信理论》 的著名论文,该文首先将信息论引入了密码,从而 把已有数千年历史的密码学推向了科学的轨道,奠 定了密码学的理论基础。 1976年,美国密码学家W.Diffie和M.Hellman在一篇 题为《密码学的新方向》一文中提出了一个崭新的 思想,不仅加密算法本身可以公开,甚至加密用的 密钥也可以公开。 1977年美国国家标准局颁布了数据加密标准DES 2001年11月26日,正式颁布AES为美国国家标准。
密码学的基本概念(4)
加密算法(Encryption algorithm):密码员对明文进 行加密时所采用的一组规则。 接收者(Receiver):传送消息的预定对象。 解密算法:接收者对密文进行解密时所采用的一组规 则。 密钥(Key):控制加密和解密算法操作的数据处理,分 别称作加密密钥和解密密钥。 截收者(Eavesdropper):在信息传输和处理系统中的 非受权者,通过搭线窃听、电磁窃听、声音窃听等来窃 取机密信息。
密码可能经受的攻击
攻击类型
惟密文攻击 已知明文攻 击 选择明文攻 击 选择密文攻 击
加密算法 截获的部分密文 加密算法, 截获的部分密文和相应的明文 加密算法 加密黑盒子,可加密任意明文得到相应的密文 加密算法 解密黑盒子,可解密任意密文得到相应的明文
攻击者拥有的资源
密码分析方法--穷举破译法
密码学的基本概念(1)
密码学是关于加密和解密变换的一门科学,
是保护数据和信息的有力武器。 密码是什么? 密码就是变换。(信息代码变 换、数据电平变换) 变换是什么?变换是一种算法实现过程。 谁来做变换?变换可以由硬件和软件实现。 (人、器件部件、计算机)
密码学的基本概念(2)
密码学(Cryptology):研究信息系统安全保
字或符号的方法。
例如:明晨五点发动反攻
明文:MING CHEN WU DIAN FA DONG FAN GONG 密文:GNOGN AFGNO DAFNA IDUWN EHCGN IM Caesar密码(已知的最早的代换密码)
例如:明晨五点发动反攻 明文:MING CHEN WU DIAN FA DONG FAN GONG 密文:PLQJ FKHQ ZX GLDQ ID GRQJ IDQ JRQJ
注意
Internet的广泛应用,可以把全世界的计算机资源连 成一体,形成巨大的计算能力,从而拥有巨大的密 码破译能力,使原来认为安全的密码被破译。 1994年,40多个国家的600多位科学家通过Internet, 历时9个月破译了RSA-129密码,1999年又破译了 RSA - 140密码,2005年,RSA-200也被成功破译。 1997年6月18日美国科罗拉多州以Rocke Verser为 首的工作小组宣布,通过利用Internet上的数万台微 机,历时4个多月,通过穷举破译了DES。因此, 在21世纪,只有经得起通过Internet进行全球攻击的 密码,才是安全的密码。
Julius
Caesar发明了凯撒密码
密码学的发展历史(2)
1834年,伦敦大学的实验物理学教授惠斯顿
发明了电机,这是通信向机械化、电气化跃 进的开始,也为密码通信采用在线加密技术 提供了前提条件。 1920年,美国电报电话公司的弗纳姆发明了 弗纳姆密码。其原理是利用电传打字机的五 单位码与密钥字母进行模2相加。
密码设计是利用数学来构造密码
密码分析除了依靠数学、工程背景、语言学等知识外, 还要靠经验、统计、测试、眼力、直觉判断能力……,有 时还靠点运气。
密码分析方法—分析法
确定性分析法 利用一个或几个已知量(比如,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)。已知量和未 知量的关系视加密和解密算法而定,寻求这种关系是确定 性分析法的关键步骤。 统计分析法 利用明文的已知统计规律进行破译的方法。密码破译者 对截收的密文进行统计分析,总结出其间的统计规律,并 与明文的统计规律进行对照比较,从中提取出明文和密文 之间的对应或变换信息。
密码系统的分类(1)
根据密钥的使用方式分类
对称密码体制(秘密钥密码体制)
用于加密数据的密钥和用于解密数据的密钥相同,或
者二者之间存在着某种明确的数学关系。 加密:EK(M)=C 解密:DK(C)=M
非对称密码体制(公钥密码体制)
用于加密的密钥与用于解密的密钥是不同的,而且从
加密的密钥无法推导出解密的密钥。 用公钥KP对明文加密可表示为:EKP(M)=C 用相应的私钥KS对密文解密可表示为:DPK(C)=M
经典密码学
经典密码(古典密码)对于今天来说,是
极不安全的,是极易破解的,但其基本方 法仍然是近、现代密码学的基础。 经典密码运用的两种基本技术:
代换法:将明文字母替换成其他字母、数字
或符号 置换法:明文的字母保持相同,但顺序被打 乱
代换技术
代换法,是将明文字母替换成其他字母、数
密码学的基本概念(5)
密码分析(Cryptanalysis):截收者试图通过分析从 截获的密文推断出原来的明文或密钥。 密码分析员(Cryptanalyst):从事密码分析的人。 被动攻击(Passive attack):对一个保密系统采取截 获密文进行分析的攻击。 主动攻击(Active attack):非法入侵者(Tamper)、 攻击者(Attcker)或黑客(Hacker)主动向系统窜扰,采用 删除、增添、重放、伪造等窜改手段向系统注入假消息 ,达到利已害人的目的。
因此,为了提高穷举分析的难度,密钥空间 必须很大。例如3-DES算法的密钥长度为168 位,密钥空间为2168。
单表代换密码
使用一个密文字母表,并且用密文字母表中
的一个字母来代替一个明文字母表中的一个 字母。 例如,明文a用c来代换,b用剩下的25个字母 中随机的一个来代换,c用剩下的24个字母中 随机的一个来代换,……,以此类推。这样, 密钥空间为26!,约4*1026种可能的密钥。
密的科学。它包含两个分支
密码编码学(Cryptography),对信息进行编码 实现隐蔽信息的一门学问 密码分析学(Cryptanalytics),研究分析破译 密码的学问。
密码学的基本概念(3)
明文(消息)(Plaintext) :被隐蔽消息。 密文(Ciphertext)或密报(Cryptogram):明文经密 码变换成的一种隐蔽形式。 加密(Encryption):将明文变换为密文的过程。 解密(Decryption):加密的逆过程,即由密文恢复 出原明文的过程。 加密员或密码员(Cryptographer):对明文进行加密 操作的人员。
对截收的密报依次用各种可解的密钥试译,直到得到 有意义的明文;一般来说,要获取成功必须尝试所有可能 密钥的一半。 或在不变密钥下,对所有可能的明文加密直到得到与 截获密报一致为止,此法又称为完全试凑法(Complete trial-and-error Method)。 只要有足够多的计算时间和存储容量,原则上穷举法 总是可以成功的。但实际中,任何一种能保障安全要求的 实用密码都会设计得使这一方法在实际上是不可行的。
密码分析
截收者在不知道解密密钥及通信者所采用的加 密体制的细节条件下,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称作 密码分析学。 密码分析在外交、军事、公安、商业等方面都 具有重要作用,也是研究历史、考古、古语言 学和古乐理论的重要手段之一。
密码分析
密码设计和密码分析是共生的、又是互逆的,两 者密切有关但追求的目标相反。两者解决问题的 途径有很大差别
密码学的发展历史(4)
两次世界大战大大促进了密码学的发展。
转轮密码机ENIGMA,由Arthur Scherbius于1919年发明,面板 前有灯泡和插接板;4轮 ENIGMA在1942年装备德国海军, 英国从1942年2月到12月都没能 解读德国潜艇的信号。
英国的TYPEX打字密码机,是德国3 轮ENIGMA的改进型密码机。它在英 国通信中使用广泛,且在破译密钥后 帮助破解德国信号。
密码学的发展历史(3)
两次世界大战大大促进了密码学的发展。
二战中美国陆军和海军使用的条形密 码设备M-138-T4。根据1914年Parker Hitt的提议而设计。25个可选取的纸条 按照预先编排的顺序编号和使用,主 要用于低级的军事通信。
Kryha密码机大约在1926年由 Alexander vo Kryha发明。这是 一个多表加密设备,密钥长度为 442,周期固定。一个由数量不 等的齿的轮子引导密文轮不规则 运动。
密码系统的分类(3)
根据加密算法是否变化分类
设E为加密算法,K0, K1,…,Kn,为密钥,
M0,M1,…,Mn为明文,C为密文 固定算法密码体制
C0=E(M0,K0), C1=E(M1,K1),..., Cn=E(Mn,Kn)
变化算法密码体制 C0=E1 (M0,K0), C1=E2 (M1,K1),..., Cn=En (Mn,Kn)
序列密码体制(Stream Cipher) 将明文和密钥都划分为位(bit)或字符的序列,并且对 明文序列中的每一位或字符都用密钥序列中对应的分 量来加密。 M=(M1, M2,… ,Mn) , Ke=(ke1, ke2,…,ken),C=(C1, C2,…,Cn),其中Ci=E(mi,kei) ,i=1,2,…,n。
Kd C M------明文 Ke-----加密密钥 E-------加密算法 D M
C------密文 Kd-----解密密钥 D------解密算法
用户A
用户B
传送给B的信息 密文 明文 加密算法
B收到信息
ห้องสมุดไป่ตู้
网络信道
解密算法
明文
加密密钥K1
解密密钥K2
C窃听到的信息!@#$%^
窃听者C
注意
数据安全基于密钥而不是算法的保密。也就是说, 对于一个密码体制,其算法是可以公开的,让所有 人来使用、研究。但具体对于某次加密过程中所使 用的密钥,则是保密的。 例如,加密算法为Y=aX+b,其中,X为明文,计算 后Y成为密文。在具体加密过程中,a、b的取值为 密钥,假设为(2,3),明文为2,则密文计算后 为7。在这个过程中,Y=aX+b可以公开,但具体 a=2,b=3的取值不公开。所以即使对方知道了采用 的加密算法,由于不知道具体参数取值,也无法根 据密文计算出明文。
密码体制基本组成
一个密码系统,通常简称为密码体制,由5部
分组成:
明文空间 M 密文空间 C 加密算法 E 全体明文的集合 解密算法 D 密钥空间 K 一组由C到M的解密变换
全体密文的集合
全体密钥的集合
一组由M到C的加密变换
信息加密传输的过程
加密: C = E(M,Ke)
Ke
M
E
C
解密: M = D(C, Kd)
Caesar密码
如果让每个字母等价于一个数值:
a=0,b=1,…,z=25 则加密公式为: C=E(p)=(p+3) mod 26 更一般地: C=E(p)=(p+k) mod 26 解密:p=D(C)=(C-k) mod 26
用穷举分析可轻松破解Caesar密码
通常,加密和解密算法是已知的。
密码系统的分类(2)
根据明文和密文的处理方式分类
分组密码体制(Block Cipher) 设M为明文,分组密码将M划分为一系列明文块Mi,通 常每块包含若干字符,并且对每一块Mi都用同一个密 钥Ke进行加密。 M=(M1, M2,… ,Mn) ,C=(C1, C2 , … ,Cn,),其中 Ci=E(Mi,Ke), i=1,2…,n。
第2章 密码学基础
主要内容
密码学的发展历史
密码学的基本概念 密码系统的分类 密码分析 经典密码学
密码学的发展历史(1)
自人类社会出现战争便产生了密码 Phaistos圆盘,一种直径约为160mm 的Cretan-Mnoan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。
密码学的发展历史(5)
1949年香农发表了一篇题为《保密系统的通信理论》 的著名论文,该文首先将信息论引入了密码,从而 把已有数千年历史的密码学推向了科学的轨道,奠 定了密码学的理论基础。 1976年,美国密码学家W.Diffie和M.Hellman在一篇 题为《密码学的新方向》一文中提出了一个崭新的 思想,不仅加密算法本身可以公开,甚至加密用的 密钥也可以公开。 1977年美国国家标准局颁布了数据加密标准DES 2001年11月26日,正式颁布AES为美国国家标准。
密码学的基本概念(4)
加密算法(Encryption algorithm):密码员对明文进 行加密时所采用的一组规则。 接收者(Receiver):传送消息的预定对象。 解密算法:接收者对密文进行解密时所采用的一组规 则。 密钥(Key):控制加密和解密算法操作的数据处理,分 别称作加密密钥和解密密钥。 截收者(Eavesdropper):在信息传输和处理系统中的 非受权者,通过搭线窃听、电磁窃听、声音窃听等来窃 取机密信息。
密码可能经受的攻击
攻击类型
惟密文攻击 已知明文攻 击 选择明文攻 击 选择密文攻 击
加密算法 截获的部分密文 加密算法, 截获的部分密文和相应的明文 加密算法 加密黑盒子,可加密任意明文得到相应的密文 加密算法 解密黑盒子,可解密任意密文得到相应的明文
攻击者拥有的资源
密码分析方法--穷举破译法
密码学的基本概念(1)
密码学是关于加密和解密变换的一门科学,
是保护数据和信息的有力武器。 密码是什么? 密码就是变换。(信息代码变 换、数据电平变换) 变换是什么?变换是一种算法实现过程。 谁来做变换?变换可以由硬件和软件实现。 (人、器件部件、计算机)
密码学的基本概念(2)
密码学(Cryptology):研究信息系统安全保
字或符号的方法。
例如:明晨五点发动反攻
明文:MING CHEN WU DIAN FA DONG FAN GONG 密文:GNOGN AFGNO DAFNA IDUWN EHCGN IM Caesar密码(已知的最早的代换密码)
例如:明晨五点发动反攻 明文:MING CHEN WU DIAN FA DONG FAN GONG 密文:PLQJ FKHQ ZX GLDQ ID GRQJ IDQ JRQJ
注意
Internet的广泛应用,可以把全世界的计算机资源连 成一体,形成巨大的计算能力,从而拥有巨大的密 码破译能力,使原来认为安全的密码被破译。 1994年,40多个国家的600多位科学家通过Internet, 历时9个月破译了RSA-129密码,1999年又破译了 RSA - 140密码,2005年,RSA-200也被成功破译。 1997年6月18日美国科罗拉多州以Rocke Verser为 首的工作小组宣布,通过利用Internet上的数万台微 机,历时4个多月,通过穷举破译了DES。因此, 在21世纪,只有经得起通过Internet进行全球攻击的 密码,才是安全的密码。
Julius
Caesar发明了凯撒密码
密码学的发展历史(2)
1834年,伦敦大学的实验物理学教授惠斯顿
发明了电机,这是通信向机械化、电气化跃 进的开始,也为密码通信采用在线加密技术 提供了前提条件。 1920年,美国电报电话公司的弗纳姆发明了 弗纳姆密码。其原理是利用电传打字机的五 单位码与密钥字母进行模2相加。
密码设计是利用数学来构造密码
密码分析除了依靠数学、工程背景、语言学等知识外, 还要靠经验、统计、测试、眼力、直觉判断能力……,有 时还靠点运气。
密码分析方法—分析法
确定性分析法 利用一个或几个已知量(比如,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)。已知量和未 知量的关系视加密和解密算法而定,寻求这种关系是确定 性分析法的关键步骤。 统计分析法 利用明文的已知统计规律进行破译的方法。密码破译者 对截收的密文进行统计分析,总结出其间的统计规律,并 与明文的统计规律进行对照比较,从中提取出明文和密文 之间的对应或变换信息。
密码系统的分类(1)
根据密钥的使用方式分类
对称密码体制(秘密钥密码体制)
用于加密数据的密钥和用于解密数据的密钥相同,或
者二者之间存在着某种明确的数学关系。 加密:EK(M)=C 解密:DK(C)=M
非对称密码体制(公钥密码体制)
用于加密的密钥与用于解密的密钥是不同的,而且从
加密的密钥无法推导出解密的密钥。 用公钥KP对明文加密可表示为:EKP(M)=C 用相应的私钥KS对密文解密可表示为:DPK(C)=M
经典密码学
经典密码(古典密码)对于今天来说,是
极不安全的,是极易破解的,但其基本方 法仍然是近、现代密码学的基础。 经典密码运用的两种基本技术:
代换法:将明文字母替换成其他字母、数字
或符号 置换法:明文的字母保持相同,但顺序被打 乱
代换技术
代换法,是将明文字母替换成其他字母、数
密码学的基本概念(5)
密码分析(Cryptanalysis):截收者试图通过分析从 截获的密文推断出原来的明文或密钥。 密码分析员(Cryptanalyst):从事密码分析的人。 被动攻击(Passive attack):对一个保密系统采取截 获密文进行分析的攻击。 主动攻击(Active attack):非法入侵者(Tamper)、 攻击者(Attcker)或黑客(Hacker)主动向系统窜扰,采用 删除、增添、重放、伪造等窜改手段向系统注入假消息 ,达到利已害人的目的。