密码学及其应用最新研究进展综述
摘要：密码技术是信息安全的核心技术。随着现代计算机技术的飞速发展，密码技术正在不断向更多其他领域渗透。它是集数学、计算机科学、电子与通信等诸多学科于一身的交叉学科。使用密码技术不仅可以保证信息的机密性，而且可以保证信息的完整性和确证性，防止信息被篡改、伪造和假冒。目前密码的核心课题主要是在结合具体的网络环境、提高运算效率的基础上，针对各种主动攻击行为，研究各种可证安全体制。本文主要介绍了密码学的基本原理，和应用的方面，以及密码理论的若干问题和密码学的最新进展。
Abstract: Cryptography is the important technology of information security。With the rapid development of modern computer technology, Cryptography technology is continuing to penetrate other areas more。It is a lot of discipline in an interdisciplinary which include mathematics, computer science, electronics and communication. Using cryptographic techniques can not only ensure the confidentiality of information, but also to ensure the integrity and confirmatory information to prevent information tampering, forgery and counterfeiting. The important issues of the current cryptography is mainly in combination with specific network environment, improving operation efficiency of the basis for various initiatives attacks, provable security system to study various. This paper introduces the basic principles of cryptography, and applications, as well as a number of issues and the password theory the latest cryptography.
关键词：密码，信息安全，数字签名，身份认证，公钥体制，私钥体制
Key W ords：Cryptography，information secure，digital sign，authentication ，Public key cryptosystem，Private key system
引言：随着以Internet为代表的全球性信息化浪潮日益高涨，计算机和信息网络技术的应用正日益普及和深入，应用领域已经扩大到政府部门，金融，企业等。网络安全日益成为影响网络效能的重要问题，这就对信息安全提出了很高大的要求。如何使网络信息系统不受黑客及非法授权人的入侵，已成为社会信息化健康发展所考虑的重要问题之一。
密码学的加密技术使得即使敏感信息被窃取，窃取者也无法获取信息的内容；认证性可以实体身份的验证。以上思想是密码技术在信息安全方面所起作用的具体表现。密码学是保障信息安全的核心；密码技术是保护信息安全的主要手段。本文主要讲述了密码的基本原理，设计思路，分析方法以及密码学的最新研究进展等内容
一．密码学基础
密码是按特定法则编成，用于通信双方的信息进行明密变换的符号。研究密码的学科就称之为密码学。现代密码主要用于保护传输和存储的信息；除此之外，密码还用于保证信息的完整性、真实性、可控性和不可否认性。
密码是构建安全信息系统的核心基础。密码学发展历史主要有以下四个阶段：①科学密码学的前夜发展时期（从古代到1948年）：这一时期的密码专家常常凭直觉和信念来进行密码设计和分析；②对称密码学的早期发展时期（1949～1975年）：1949年Shannon发表的论文《保密系统的信息理论》为对称密码学建立了理论基础，从此密码学成为一门科学；③现代密码学的发展时期（1976～1996
年）：这一时期以1976年Diffie和Hellman开创的公钥密码学和1977年美国制定了数据加密标准DES为里程碑，标志着现代密码学的诞生；④应用密码学的发展时期（1997年至今）：20世纪90年代以来，密码被广泛应用，密码的标准化工作和实际应用受到空前关注。
上图是密码体制的基本模型
密码体制的分类：
1.对称密码体制。对称密码体制中，使用的密钥完全保密，且要求加密密钥和解密密钥相同，或由其中的一个很容易的推出另一个。对称密码体制包括：分组密码体制和序列密码。典型的对称算法体制有DES，3DES，AES，A5，SEAL。
对称密码算法按其对明文的处理方式，可分为序列密码算法和分组密码算法。
2.非对称密码体制。非对称密码体制中使用的密钥有两个，一个对外公开的公钥，一个是必须保密的私钥，只有拥有者才知道。不能从公钥推出私钥，或者说从公钥推出私钥在计算上困难或者不可能。典型的非对称密钥密码体制有RSA，ECC，Rabin，Elgamal和NYRU。
在非对称密码算法中，加密和解密使用不同的密钥，一般来说，用对方的公钥进行加密，用自己的私钥进行解密。见下图：
非对称密码体制的优点：密钥分发相对容易，密钥管理简单，可以有效地实现数字签名。
二．密码学的应用
以前都认为密码是政府、军事、外交、安全等部门专用，从这时候起，人们看到密码已由公用到民用研究，这种转变也导致了密码学的空前发展。
迄今为止的所有公钥密码体系中，RSA系统是最著名、使用最广泛的一种。RSA 公开密钥密码系统是由R.Rivest、A.Shamir和L.Adleman三位教授于1977年提出的，RSA的取名就是来自于这三位发明者姓氏的第一个字母。
RSA算法研制的最初目标是解决利用公开信道传输分发 DES 算法的秘密密钥的难题。而实际结果不但很好地解决了这个难题，还可利用 RSA 来完成对电文的数字签名，以防止对电文的否认与抵赖，同时还可以利用数字签名较容易地发现攻击者对电文的非法篡改，从而保护数据信息的完整性。
公用密钥的优点就在于：也许使用者并不认识某一实体，但只要其服务器认为该实体的CA(即认证中心Certification Authority的缩写)是可靠的，就可以进行安全通信，而这正是Web商务这样的业务所要求的。例如使用信用卡购物，服务方对自己的资源可根据客户 CA的发行机构的可靠程度来授权。目前国内外尚没有可以被广泛信赖的CA，而由外国公司充当CA在我国是非常危险的。
公开密钥密码体制较秘密密钥密码体制处理速度慢，因此，通常把这两种技术结合起来能实现最佳性能。即用公开密钥密码技术在通信双方之间传送秘密密钥，而用秘密密钥来对实际传输的数据加密解密
密码技术不仅用于网上传送数据的加解密，也用于认证，数字签名，完整性以及SSL，SET等安全通信标准和IPsec安全协议中，其具体应用如下：
1.用来加密保护信息
利用密码变换将明文变换成只有合法者才能恢复的密文，这是密码的最基本功能。信息的加密保护包括传输信息和存储信息两方面，后者解决起来难度更大。
2.采用数字证书来进行身份鉴别
数字证书就是网络通讯中标志通讯各方身份信息的一系列数据，是网络正常运行所必须的。现在一般采用交互式询问回答，在询问和回答过程中采用密码加密，特别是采用密码技术的带CPU的职能卡，安全性好，在电子商务系统中，所有参与活动的实体都需要用数字证书来表明自己的身份，数字证书从某种角度上说就是“电子身份证”。
3.数字指纹
在数字签名中有重要作用的“报文摘要”算法，即生成报文“数字指纹”的方法，近年来备受关注，构成了现代密码学的一个重要侧面。
4.采用密码技术对发送信息进行验证
为防止传输和存储的消息被有意或无意的篡改，采用密码技术对消息进行运算生成消息的验证码，附在消息之后发出或信息一起存储，对信息进行验证，它在票房防伪中有重要作用。
5.利用数字签名来完成最终协议
在信息时代，电子数据的收发使我们过去所依赖的个人特征都将被数字代替，数字签名的作用有两点，一是因为自己的签名难以否认，从而确定了文件已签署这一事实；二是因为签名不易仿冒，从而确定了文件时真的这一事实。
三．密码学的发展方向
然而密码学不仅仅只包含编码与破译，而且包括安全管理、安全协议设计、散列函数等内容。不仅如此，密码学的进一步发展，涌现了大量的新技术和新概念，如零知识证明技术、盲签名、量子密码技术、混沌密码等。
密码学还有许许多多这样的问题。当前,密码学发展面临着挑战和机遇。计算机网络通信技术的发展和信息时代的到来，给密码学提供了前所未有的发展机
遇。在密码理论、密码技术、密码保障、密码管理等方面进行创造性思维，去开辟密码学发展的新纪元才是我们的追求。
在实际应用中不仅需要算法本身在数学证明上是安全的，同时也需要算法在实际应用中也是安全的。因此，在密码分析和攻击手段不断进步，计算机运算速度不断提高以及密码应用需求不断增长的情况下，迫切需要发展密码理论和创新密码算法，在最近研究中，对密码学的发展提出了更多的新技术与新的研究方向。
1.在线/离线密码学
公钥密码学能够使通信双方在不安全的信道上安全地交换信息。在过去的几年里，公钥密码学已经极大地加速了网络的应用。然而，和对称密码系统不同，非对称密码的执行效率不能很好地满足速度的需要。因此，如何改进效率成为公钥密码学中一个关键的问题之一。
针对效率问题，在线/离线的概念被提出。其主要观点是将一个密码体制分成两个阶段：在线执行阶段和离线执行阶段。在离线执行阶段，一些耗时较多的计算可以预先被执行。在在线阶段，一些低计算量的工作被执行。
2.圆锥曲线密码学
圆锥曲线密码学是1998年由本文第一作者首次提出，C.Schnorr认为，除椭圆曲线密码以外这是人们最感兴趣的密码算法。在圆锥曲线群上的各项计算比椭圆曲线群上的更简单，一个令人激动的特征是在其上的编码和解码都很容易被执行。同时，还可以建立模n的圆锥曲线群，构造等价于大整数分解的密码。现在已经知道，圆锥曲线群上的离散对数问题在圆锥曲线的阶和椭圆曲线的阶相同的情况下，是一个不比椭圆曲线容易的问题。所以，圆锥曲线密码已成为密码学中的一个重要的研究内容。
3.代理密码学
代理密码学包括代理签名和代理密码系统。两者都提供代理功能，另外分别提供代理签名和代理解密功能。
目前，代理密码学的两个重要问题亟需解决。一个是构造不用转换的代理密码系统，这个工作已经被本文第一作者和日本Tsukuba大学的学者进行了一些研究。另外一个是如何来构造代理密码系统的较为合理的可证安全模型，以及给出系统安全性的证明。已经有一些研究者开始在这方面展开工作。
4.密钥托管问题
在现代保密通信中，存在两个矛盾的要求：一个是用户间要进行保密通信，另一个是政府为了抵制网络犯罪和保护国家安全，要对用户的通信进行监督。密钥托管系统就是为了满足这种需要而被提出的。在原始的密钥托管系统中，用户通信的密钥将由一个主要的密钥托管代理来管理，当得到合法的授权时，托管代理可以将其交给政府的监听机构。但这种做法显然产生了新的问题：政府的监听机构得到密钥以后，可以随意地监听用户的通信，即产生所谓的“一次监控，永远监控”问题。另外，这种托管系统中“用户的密钥完全地依赖于可信任的托管机构”的做法也不可取，因为托管机构今天是可信任的，不表示明天也是可信任的。
在密钥托管系统中，法律强制访问域LEAF(Law Enforcement Access Field)是被通信加密和存储的额外信息块，用来保证合法的政府实体或被授权的第三方获得通信的明文消息。对于一个典型的密钥托管系统来说，LEAF可以通过获得通信的解密密钥来构造。为了更趋合理，可以将密钥分成一些密钥碎片，用不同的密钥托管代理的公钥加密密钥碎片，然后再将加密的密钥碎片通过门限化的方
法合成。以此来达到解决“一次监控，永远监控”和“用户的密钥完全地依赖于可信任的托管机构”的问题。现在对这一问题的研究产生了构造网上信息安全形式问题，通过建立可证安全信息形式模型来界定一般的网上信息形式。
5.基于身份的密码学
基于身份的密码学是由Shamir于1984年提出的。其主要观点是，系统中不需要证书，可以使用用户的标识如姓名、IP地址、电子邮件地址等作为公钥。用户的私钥通过一个被称作私钥生成器PKG(Private Key Generator)的可信任第三方进行计算得到。基于身份的数字签名方案在1984年Shamir就已得到。然而，直到2001年，Boneh等人利用椭圆曲线的双线性对才得到Shamir意义上的基于身份的加密体制(IBE)。在此之前，一个基于身份的更加传统的加密方案曾被Cocks提出，但效率极低。目前，基于身份的方案包括基于身份的加密体制、可鉴别身份的加密和签密体制、签名体制、密钥协商体制、鉴别体制、门限密码体制、层次密码体制等。
6.多方密钥协商问题
密钥协商问题是密码学中又一基本问题。
Diffie-Hellman协议是一个众所周知的在不安全的信道上通过交换消息来建立会话密钥的协议。它的安全性基于Diffie-Hellman离散对数问题。然而，Diffie-Hellman协议的主要问题是它不能抵抗中间人攻击，因为它不能提供用户身份验证。
当前已有的密钥协商协议包括双方密钥协商协议、双方非交互式的静态密钥协商协议、双方一轮密钥协商协议、双方可验证身份的密钥协商协议以及三方相对应类型的协议。
如何设计多方密钥协商协议？存在多元线性函数(双线性对的推广)吗？如果存在，我们能够构造基于多元线性函数的一轮多方密钥协商协议。而且，这种函数如果存在的话，一定会有更多的密码学应用。然而，直到现在，在密码学中，这个问题还远远没有得到解决。目前已经有人开始作相关的研究，并且给出了一些相关的应用以及建立这种函数的方向，给出了这种函数肯定存在的原因。
7.可证安全性密码学
当前，在现有公钥密码学中，有两种被广泛接受的安全性的定义，即语义安全性和非延展安全性。语义安全性，也称作不可区分安全性IND(Indistinguishability),首先由Goldwasser和Micali在1984年提出，是指从给定的密文中，攻击者没有能力得到关于明文的任何信息。非延展安全性NM(Non-malleability)是由Dolev、Dwork和Naor在1991年提出的，指攻击者不能从给定的密文中，建立和密文所对应的与明文意义相关的明文的密文。在大多数令人感兴趣的研究问题上，不可区分安全性和非延展安全性是等价的。
对于公钥加密和数字签名等方案，我们可以建立相应的安全模型。在相应的安全模型下，定义各种所需的安全特性。对于模型的安全性，目前可用的最好的证明方法是随机预言模型ROM(Random Oracle Model)。在最近几年里，可证明安全性作为一个热点被广泛地研究，就像其名字所言，它可以证明密码算法设计的有效性。现在，所有出现的标准算法，如果它们能被一些可证明安全性的参数形式所支持，就被人们广泛地接受。就如我们所知道的，一个安全的密码算法最终要依赖于NP问题，真正的安全性证明还远远不能达到。然而，各种安全模型和假设能够让我们来解释所提出的新方案的安全性，按照相关的数学结果，确认基本的设计是没有错误的。
随机预言模型是由Bellare和Rogaway于1993年从Fiat和Shamir的建议中提出的，它是一种非标准化的计算模型。在这个模型中，任何具体的对象例如哈希函数，都被当作随机对象。它允许人们规约参数到相应的计算，哈希函数被作为一个预言返回值，对每一个新的查询，将得到一个随机的应答。规约使用一个对手作为一个程序的子例程，但是，这个子例程又和数学假设相矛盾，例如RSA是单向算法的假设。概率理论和技术在随机预言模型中被广泛使用。
然而，随机预言模型证明的有效性是有争议的。因为哈希函数是确定的，不能总是返回随机的应答。1998年，Canetti等人给出了一个在ROM模型下证明是安全的数字签名体制，但在一个随机预言模型的实例下，它是不安全的。
尽管如此，随机预言模型对于分析许多加密和数字签名方案还是很有用的。在一定程度上，它能够保证一个方案是没有缺陷的。
但是，没有ROM，可证明安全性的问题就存在质疑，而它是一个不可忽视的问题。直到现在，这方面仅有很少的研究。并颁布了两项国家标准；其中的加密算法采用了自主研发的分组密码算法SMS4。
四．新的密码学理论
1.量子密码学
量子密码体系采用量子态作为信息载体，经由量子通道在合法的用户之间传送密钥。量子密码的安全性由量子力学原理所保证。所谓绝对安全性是指：即使在窃听者可能拥有极高的智商、可能采用最高明的窃听措施、可能使用最先进的测量手段，密钥的传送仍然是安全的。通常，窃听者采用截获密钥的方法有两类：一种方法是通过对携带信息的量子态进行测量，从其测量的结果来提取密钥的信息。但是，量子力学的基本原理告诉我们，对量子态的测量会引起波函数塌缩，本质上改变量子态的性质，发送者和接受者通过信息校验就会发现他们的通讯被窃听，因为这种窃听方式必然会留下具有明显量子测量特征的痕迹，合法用户之间便因此终止正在进行的通讯。第二种方法则是避开直接的量子测量，采用具有复制功能的装置，先截获和复制传送信息的量子态。然后，窃听者再将原来的量子态传送给要接受密钥的合法用户，留下复制的量子态可供窃听者测量分析，以窃取信息。这样，窃听原则上不会留下任何痕迹。但是，由量子相干性决定的量子不可克隆定理告诉人们，任何物理上允许的量子复制装置都不可能克隆出与输入态完全一样的量子态来。这一重要的量子物理效应，确保了窃听者不会完整地复制出传送信息的量子态。因而，第二种窃听方法也无法成功。量子密码术原则上提供了不可破译、不可窃听和大容量的保密通讯体系。
2.混沌密码学
混沌是确定性系统中的一种貌似随机的运动。混沌系统都具有如下基本特性：确定性、有界性、对初始条件的敏感性、拓扑传递性和混合性、宽带性、快速衰减的自相关性、长期不可预测性和伪随机性[1]，正是因为混沌系统所具有的这些基本特性恰好能够满足保密通信及密码学的基本要求：混沌动力学方程的确定性保证了通信双方在收发过程或加解密过程中的可靠性；混沌轨道的发散特性及对初始条件的敏感性正好满足Shannon提出的密码系统设计的第一个基本原则――扩散原则；混沌吸引子的拓扑传递性与混合性，以及对系统参数的敏感性正好满足Shannon提出的密码系统设计的第二个基本原则――混淆原则；混沌输出信号的宽带功率谱和快速衰减的自相关特性是对抗频谱分析和相关分析的
有利保障，而混沌行为的长期不可预测性是混沌保密通信安全性的根本保障等。因此，自1989年R.Mathews, D.Wheeler, L.M.Pecora和Carroll等人首次把混沌理论使用到序列密码及保密通信理论以来，数字化混沌密码系统和基于混沌同步的保密通信系统的研究已引起了相关学者的高度关注[2]。虽然这些年的研究取得了许多可喜的进展，但仍存在一些重要的基本问题尚待解决。
3．DNA密码
DNA密码是近年来伴随着DNA计算的研究而出现的密码学新领域, 其特点是以DNA为信息载体, 以现代生物技术为实现工具, 挖掘DNA固有的高存储密度和高并行性等优点, 实现加密、认证及签名等密码学功能.。DNA密码与传统的密码以及研制中的量子密码相比各有优势, 在未来的应用中可以互相补充. 实现DNA密码面临的主要困难是缺乏有效的安全理论依据和简便的实现方法。
五．密码学的发展趋势和展望
1.欧洲序列密码（eSTREAM）计划有效地推动了序列密码的发展。
2.美国AES计划和欧洲NESSIE计划的实施推动了分组密码的设计理论、分析方法、工作模式等方面研究的飞速发展。
3.后量子时代的密码或量子免疫的密码是公钥密码研究的一个重要方向。
4.杂凑函数的研究必将随着美国NIST推进的杂凑函数标准SHA-3计划的进展得到迅速发展。
5.数字签名的重点研究方向是新的数字签名的设计、安全性基础问题的挖掘和已有数字签名的安全性分析与证明。
6.既可以进行形式化分析，又具有密码可靠性的方法是目前形式化方法研究的热点也是未来的发展方向。可复合性问题是目前密码协议形式化分析的另一个热点问题。
7.可证明安全性的发展将集中在如何为新的安全属性建立合适的模型，标准模型下可证明安全的密码协议设计等。另外，重置零知识、精确零知识也是密码协议的一个发展方向。
8.密钥管理技术中，如何在各种应用环境中支持匿名性和隐私保护，以及适应具体应用的密钥管理新技术的研究都是目前的重要研究方向。PKI技术将向着跨域、无中心化、容侵容错、基于身份的结构和应用研究等方向发展。
9.面向新兴应用、新型信息安全系统的密码系统芯片的设计是未来的方向。当前的研究重点是如何降低校验方法的复杂度、硬件开销和验算时间。
10.量子密码已进入实用化阶段，克服量子密码应用中的技术难题和进行深入的安全性探讨将是今后量子密码发展的趋势。另外，量子中继器，地面与卫星之间的量子保密通信，量子密钥容量的计算，设备无关的量子密码系统等都是未来的一些重要研究方向。
新技术的应用和计算能力的提升必将对密码学带来巨大的挑战，密码学的研究必须顺应时代的要求。综观全局，密码学的发展呈现出以下四大趋势。
1）密码的标准化趋势。密码标准是密码理论与技术发展的结晶和原动力，像AES、NESSE、eSTREAM和SHA 3等计划都大大推动了密码学的研究。
2）密码的公理化趋势。追求算法的可证明安全性是目前的时尚，密码协议的形式化分析方法、可证明安全性理论、安全多方计算理论和零知识证明协议等仍将是密码协议研究的主流方向。
3）面向社会应用的实用化趋势。电子政务和电子商务的大力发展给密码技
术的实际应用带来了机遇和挑战。生物特征密码技术是现在的一个研究热点，由于应用的需要，它也将是未来的一个发展方向。轻量级密码技术（适度安全的密码技术）的研究已成为当前很受关注的一个方向。
4）面向新技术发展的适应性趋势。量子密码、DNA密码等可以应对新的计算能力和新的计算模式带来的巨大挑战；随着网络技术的广泛普及和深度应用，密码技术的研究也呈现出网络化、分布式发展趋势，并诱发新技术和应用模式的出现。
六、结束语
密码学还有许许多多这样的问题。当前,密码学发展面临着挑战和机遇。计算机网络通信技术的发展和信息时代的到来，给密码学提供了前所未有的发展机遇。在密码理论、密码技术、密码保障、密码管理等方面进行创造性思维，去开辟密码学发展的新纪元才是我们的追求。
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密码学的发展历史与在战争中的应用 摘要:本文分为两部分，一部分阐述了密码学的发展历史，分别介绍了古代加密方法、古典密码和近代密码，对不同阶段分别进行了详细的介绍，其中的许多方法至今沿用，对古代人们对密码学的应用进行了举例说明。另一部分介绍了密码学在战争的应用案例，通过甲午战争、抗日战争等说明了密码学在战争中的重要作用。 密码学包括密码编制学和密码分析学这两个相互独立又相互依存的分支。从其发展来看，可分为古典密码——以字符为基本加密单元的密码，以及现代密码——以信息块为基本加密单元的密码。 密码学的发展大致经过了三个历史阶段：古代加密方法、古典密码和近代密码。 古代加密方法（手工阶段） 存于石刻或史书中的记载表明许多古代文明，包括埃及人、希伯来人、亚述人都在实践中逐步发明了密码系统。从某种意义上说，战争是科学技术进步的催化剂。人类自从有了战争，就面临着通信安全的需求， 密码作为一种技术源远流长。 古代加密方法大约起源于公元前440年出现在古希腊战争中的隐写术。当时为了安全的传送军事情报，奴隶主剃光奴隶的头发，将情报写在努力的光头上，待头发长起后将奴隶送到另一个部落，再次剃光头发，原有的信息复现出来，从而实现这两个部落的秘密通信。 我国古代也早有以藏头诗、藏尾诗、漏格诗以及回话等形式，将要表达的真正意思或“密语”隐藏在诗文或画卷中特定位置的记载，一般人只注意诗或画的表面意境，而不去注意或难于发现隐藏在其中的“话外之音”。
由上可见，自从有了文字和书写以来，为了某种需要人们总是尽力隐藏书面形式的信息，以起到摆正信息安全的目的。这些古代加密方法体现了后来发展起来的密码学的若干要素，但是只能限制在一定范围内（只知道保密构造方法的人）使用。 古代加密方法主要基于手工的方式实现，因此，称为密码学发展的手工阶段。以今天的眼光来看，古代加密方法通常原理简单、变化量小、时效性较差。 古典密码（机械阶段） 古典密码的加密方法一般是文字置换，使用手工或机械变换的方式实现。古典密码系统已经初步体现出近代密码系统的雏形，他比古代加密方法更复杂，但其变化量仍然比较小。古典密码的代表密码体制主要有：单表代替密码、多表代替密码以及转轮密码。 阿拉伯人是第一个清晰的理解密码学原理的人，他们设计并且使用代替和换位加密，并且发现了密码分析中的字母频率分布关系。 欧洲的密码学起源于中世纪的罗马和意大利。到了1986年，密码系统在外交通信中已得到普遍适用，且已成为类似应用中的宠儿。当时，密码系统主要用于军事通信，如在美国国内战争期间，联邦军广泛的使用换位加密；联合军密码分析人员破译了截获的大部分联邦军密码，处于绝望中的联邦军有时在报纸上公布联合军的密码，请求读者帮助分析。 到了20世纪20年代，随着机械和机电技术的成熟，以及电报和无线电需求的出现，引起了密码设备方面的一场革命——发明了轮转
古典密码 1.密码的基本概念 ○1作为数学的一个分支，是密码编码学和密码分析学的统称 ○2密码编码学：使消息保密的技术和科学 研究内容：1、序列密码算法的编码技术 2、分组密码算法的编码技术 3、公钥密码体制的编码技术 ○3密码分析学：破译密文的科学和技术 研究内容：1、密码算法的安全性分析和破译的理论、方法、技术和实践 2、密码协议的安全性分析的理论与方法 3、安全保密系统的安全性分析和攻击的理论、方法、技术和实践2.密码体制的5构成要素： ○1M：明文消息空间，表示所有可能的明文组成的有限集。 ○2C：密文消息空间，表示所有可能的密文组成的有限集。 ○3K：密钥空间，表示所有可能的密钥组成的有限集。 ○4E：加密算法集合。 ○5D：解密算法集合 3.密码体制的分类： ○1对称密匙密码系统加密密钥=解密密钥钥匙是保密的依赖密钥选择 ○2非对称密匙密码系统加密密钥≠解密密钥 加密密钥为公钥（Public Key）解密密钥为私钥（Private Key） 4.古典密码体制的算法 ○1棋盘密码希腊作家Polybius提出密钥空间：25 ○2移位密码 ○3代换密码 ○4维吉尼亚密码 ○5仿射密码：仿射密码是移位密码的一个推广，其加密过程中不仅包含移位操作，而且使用了乘法运算 例题： 1-1mod26=1 3-1mod26=9 5- 1mod26=21 7-1mod26=15 11-1mod26=19 17-1mod26=23 25- 1mod26=25 ○6置换密码 ○7Hill密码 例题： 5.密码分析的Kerckhoffs原 则：攻击者知道所用的加密算法的内部机理，不知道的仅仅是加密算法所采用的加密密钥 6.常用的密码分析攻击分为以下四类：
混合离散对数及安全认证 摘要：近二十年来，电子认证成为一个重要的研究领域。其第一个应用就是对数字文档进行数字签名，其后Chaum希望利用银行认证和用户的匿名性这一性质产生电子货币，于是他提出盲签名的概念。 对于所有的这些问题以及其他的在线认证，零知识证明理论成为一个非常强有力的工具。虽然其具有很高的安全性，却导致高负荷运算。最近发现信息不可分辨性是一个可以兼顾安全和效率的性质。 本文研究混合系数的离散对数问题，也即信息不可识别性。我们提供一种新的认证，这种认证比因式分解有更好的安全性，而且从证明者角度看来有更高的效率。我们也降低了对Schnorr方案变形的实际安全参数的Girault的证明的花销。最后，基于信息不可识别性，我们得到一个安全性与因式分解相同的盲签名。 1．概述 在密码学中，可证明为安全的方案是一直以来都在追求的一个重要目标。然而，效率一直就是一个难以实现的属性。即使在现在对于认证已经进行了广泛的研究，还是很少有方案能兼顾效率和安全性。其原因就是零知识协议的广泛应用。 身份识别：关于识别方案的第一篇理论性的论文就是关于零知识的，零知识理论使得不用泄漏关于消息的任何信息，就可以证明自己知道这个消息。然而这样一种能够抵抗主动攻击的属性，通常需要许多次迭代来得到较高的安全性，从而使得协议或者在计算方面，或者在通信量方面或者在两个方面效率都十分低下。最近，poupard和stern提出了一个比较高效的方案，其安全性等价于离散对数问题。然而，其约减的代价太高，使得其不适用于现实中的问题。 几年以前，fiege和shamir就定义了比零知识更弱的属性，即“信息隐藏”和“信息不可分辨”属性，它们对于安全的识别协议来说已经够用了。说它们比零知识更弱是指它们可能会泄漏秘密消息的某些信息，但是还不足以找到消息。具体一点来说，对于“信息隐藏”属性，如果一个攻击者能够通过一个一次主动攻击发现秘密消息，她不是通过与证明者的交互来发现它的。而对于“信息不可分辨”属性，则意味着在攻击者方面看来，证据所用的私钥是不受约束的。也就是说有许多的私钥对应于一个公钥，证据仅仅传递了有这样一个私钥被使用了这样一个信息，但是用的是哪个私钥，并没有在证据传递的信息中出现。下面，我们集中考虑后一种属性，它能够提供一种三次传递识别方案并且对抗主动攻击。Okamoto 描述了一些schnorr和guillou-quisquater识别方案的变种，是基于RSA假设和离散对数子群中的素数阶的。 随机oracle模型：最近几年，随机oracle模型极大的推动了研究的发展，它能够用来证明高效方案的安全性，为设计者提供了一个有价值的工具。这个模型中理想化了一些具体的密码学模型，例如哈希函数被假设为真正的随机函数，有助于给某些加密方案和数字签名等提供安全性的证据。尽管在最近的报告中对于随机oracle模型采取了谨慎的态度，但是它仍然被普遍认为非常的有效被广泛的应用着。例如，在这个模型中被证明安全的OAPE加密
密码学(cryptography)简单的说就是通过某种方式只能将信息传递给特定的接受者。 实现的手段基本上就是对要传递的信息实行加密 (encryption) 和解密 (decryption) 算法，从而使任何其它人没有办法获得原始信息。密钥 (key) 指的是一串特定的参数， 发送信息的一方用密钥和原始信息进行加密运算得到密文 (cryptogram)，接收方用密 钥和密文进行解密运算得到原始信息。加密和解密的算法是公开的，密文的保密性依赖 于密钥的保密性。密钥的保密性依赖于密钥的随机性和有足够的长度。密钥分两类，一 类是对称密钥 (Symmetric key) ，发送和接收方用同样的密钥进行加密解密，比如DES (Data Encryption Standard) 算法；另一类是非对称密钥 (Asymmetric key) ，发送 和接收方用不同的密钥进行加密解密，发送方用公用密钥 (Public key) 加密，接收方 用私有密钥 (Private key) 解密。两个密钥有一定的数学关系，但是很难从公用密钥 获得私有密钥，比如RSA算法采用的分解大数法。一旦双方获得相应的密钥，密文就可 以在公共信道上传递而不必顾忌公共信道上可能存在的窃听者，因为窃听者没有密钥， 无法成功解密。但是为了通信双方成功建立密钥，必须要有一个可靠和高度机密的信道 传递密钥。然而从理论上说，任何经典的密钥传递 (key distribution) 都不能保证总 能察觉密钥是否被窃听。因为经典的信息是无法区分的 (跟量子相比) ，窃听者可以读 取信息然后还原该信息，接收方无法知道中间是否发生过窃听。非对称密钥的好处就在 于避免了密钥的传递，由于双方的密钥有一定的数学关系，但又不是用现有的计算能力 能够快速破解的，比如RSA的分解大数关系，所以达到保密的目的。这种方法的缺陷在 于如果有一种比现有快很多的计算方法出现，就很容易获得私有密钥。比如已经有人提 出如果量子计算机可以实现，采用量子算法可以大大加快分解大数的时间 (Peter Shor at AT&T lab. 1994) 。 有没有绝对的保密呢？香农 (Shannon at Bell lab.) 在四十年代从理论上证明了如果 密钥的长度不小于密文，并且保证绝对随机，同时采用one-time-pad算法(简单的说就是密钥只能用一次)，就没有办法破译，即使你有量子计算机也没有用。但是这个算法在实 用上非常难实现，首先就是不能保证密钥传递的可靠性。 量子密码学 (Quantum Cryptography) 的优势就在于利用海森堡测不准原理 (Heisenberg uncertainty principle) 和量子纠缠(quantum entanglement)这些基本的量子原理使得 密钥可以绝对保密地传递。量子密钥传递(Quantum Key Distribution：QKD) 是现在Quan- tum Cryptography的核心。 现在具体介绍QKD的实现方法。 最早的QKD协议由Bennett and Brassard于1984年提出，简称为"BB84"。发送方Alice 和接收方Bob使用一个量子信道传递四种偏振光子，同时使用一个经典信道传递普 通信号。窃听者Eve被允许随意窃听，也就是说可以随意测量量子信道里的光子的 偏振方向，同时听到任意经典信道里的信息，但是不能改变听到的信息。首先 Alice产生并发送给Bob一串光子，这些光子被任意偏振在0, 45, 90 ,135度上。然 后Bob测量接收到的光子的偏振方向。根据量子力学，Bob只能区分正交的偏振方向 ，比如0和90度，45和135度，但是不能区分所有方向。因此整个过程可以用简单的 图示表示。Alice发送给Bob的光子偏振方向如下： | / - \ - / | |
国内外密码学发展现状 简述国内外密码学发展现状 一、近年来我国本学科的主要进展 我国近几年在密码学领域取得了长足进展，下面我们将从最新理论与技术、最新成果应用和学术建制三个方面加以回顾和总结。 (一)最新理论与技术研究进展 我国学者在密码学方面的最新研究进展主要表现在以下几个方面。 (1)序列密码方面，我国学者很早就开始了研究工作，其中有两个成果值得一提:1、多维连分式理论，并用此理论解决了多重序列中的若干重要基础问题和国际上的一系列难题。2、20世纪80年代，我国学者曾肯成提出了环导出序列这一原创性工作，之后戚文峰教授领导的团队在环上本原序列压缩保裔性方面又取得了一系列重要进展。 (2)分组密码方面，我国许多学者取得了重要的研究成果。吴文玲研究员领导的团队在分组密码分析方面做出了突出贡献，其中对NESSIE工程的候选密码算法NUSH的分析结果直接导致其在遴选中被淘汰;对AES、Camellia、SMA4等密码算法做出了全方位多角度的分析，攻击轮数屡次刷新世界纪录。 (3)Hash函数(又称杂凑函数)方面，我国学者取得了一批国际领先的科研成果，尤其是王小云教授领导的团队在Hash函数的安全性分析方面做出了创新性贡献:建立了一系列杂凑函数破解的基本理论，并对多种Hash函数首次给出有效碰撞攻击和原像攻击。 (4)密码协议方面，我国学者的成果在国际上产生了一定的影响，其中最为突出的是在重置零知识方面的研究:构造了新工具，解决了国际收那个的两个重要的猜想。
(5)PKI技术领域，我国学者取得了长足的发展，尤其是冯登国教授领导的团队做出了重要贡献:构建了具有自主知识产权的PKI模型框架，提出了双层式秘密分享的入侵容忍证书认证机构(CA)，提出了PKI实体的概念，形成了多项国家标准。该项成果获得2005年国家科技进步二等奖。 (6)量子密码方面，我国学者在诱骗态量子密码和量子避错码等方面做出了开创性工作;在协议的设计和分析方面也提出了大量建设性意见。 (7)实验方面，主要有郭光灿院士领导的团队和潘建伟教授领导的团队取得了 一些令人瞩目的成绩，其中的“量子政务网”和“量子电话网”均属世界首创。 (二)最新成果应用进展 2009年是我国《商用密码管理条例》发布实施10周年。10年来我国的商用密码取得了长足发展。尤其值得一提的是可信计算和WAPI方面的密码应用。 (1)通过在可信计算领域中的密码应用推广，推出了我国自主的《可信计算密码支撑平台功能与接口规范》，大大提升了我国密码算法的应用水平和密码芯片的设计和研制水平。 (2)我国自主研发的宽带无线网络WAPI安全技术，弥补了同类国际标准的安全缺陷，形成并颁布了两项国家标准;其中的加密算法采用了自主研发的分组密码算法SMS4。该成果2005年获得国家发明二等奖。 二、密码学的发展趋势和展望 (1)密码的标准化趋势。密码标准是密码理论与技术发展的结晶和原动力，像AES、NESSE、eSTREAM和SHA 3等计划都大大推动了密码学的研究。 (2)密码的公理化趋势。追求算法的可证明安全性是目前的时尚，密码协议的形式化分析方法、可证明安全性理论、安全多方计算理论和零知识证明协议等仍将是密码协议研究的主流方向。
《现代密码学习题》答案 第一章 判断题 ×√√√√×√√ 选择题 1、1949年，（ A ）发表题为《保密系统的通信理论》的文章，为密码系统建立了理论基础，从此密码学成了一门科学。 A、Shannon B、Diffie C、Hellman D、Shamir 2、一个密码系统至少由明文、密文、加密算法、解密算法和密钥5部分组成，而其安全性是由（ D）决定的。 A、加密算法 B、解密算法 C、加解密算法 D、密钥 3、计算和估计出破译密码系统的计算量下限，利用已有的最好方法破译它的所需要的代价超出了破译者的破译能力（如时间、空间、资金等资源），那么该密码系统的安全性是（ B ）。 A无条件安全B计算安全C可证明安全D实际安全 4、根据密码分析者所掌握的分析资料的不通，密码分析一般可分为4类：唯密文攻击、已知明文攻击、选择明文攻击、选择密文攻击，其中破译难度最大的是（ D ）。 A、唯密文攻击 B、已知明文攻击 C、选择明文攻击 D、选择密文攻击 填空题： 5、1976年，和在密码学的新方向一文中提出了公开密钥密码的思想，从而开创了现代密码学的新领域。 6、密码学的发展过程中，两个质的飞跃分别指 1949年香农发表的保密系统的通信理论和公钥密码思想。 7、密码学是研究信息寄信息系统安全的科学，密码学又分为密码编码学和密码分析学。 8、一个保密系统一般是明文、密文、密钥、加密算法、解密算法 5部分组成的。 9、密码体制是指实现加密和解密功能的密码方案，从使用密钥策略上，可分为对称和非对称。 10、对称密码体制又称为秘密密钥密码体制，它包括分组密码和序列密码。 第二章 判断题： ×√√√ 选择题： 1、字母频率分析法对（B ）算法最有效。 A、置换密码 B、单表代换密码 C、多表代换密码 D、序列密码 2、（D）算法抵抗频率分析攻击能力最强，而对已知明文攻击最弱。 A仿射密码B维吉利亚密码C轮转密码D希尔密码
第一章 1、1949年，（A ）发表题为《保密系统的通信理论》的文章，为密码系统建立了理论基础，从此密码学成了一门科学。 A、Shannon B、Diffie C、Hellman D、Shamir 2、一个密码系统至少由明文、密文、加密算法、解密算法和密钥5部分组成，而其安全性是由（D）决定的。 A、加密算法 B、解密算法 C、加解密算法 D、密钥 3、计算和估计出破译密码系统的计算量下限，利用已有的最好方法破译它的所需要的代价超出了破译者的破译能力（如时间、空间、资金等资源），那么该密码系统的安全性是（B ）。 A无条件安全B计算安全C可证明安全D实际安全 4、根据密码分析者所掌握的分析资料的不同，密码分析一般可分为4类：唯密文攻击、已知明文攻击、选择明文攻击、选择密文攻击，其中破译难度最大的是（D ）。 A、唯密文攻击 B、已知明文攻击 C、选择明文攻击 D、选择密文攻击 5、1976年，W.Diffie和M.Hellman在密码学的新方向一文中提出了公开密钥密码的思想，从而开创了现代密码学的新领域。 6、密码学的发展过程中，两个质的飞跃分别指1949年香农发表的保密系统的通信理论和公钥密码思想。 7、密码学是研究信息及信息系统安全的科学，密码学又分为密码编码学和密码分析学。 8、一个保密系统一般是明文、密文、密钥、加密算法、解密算法5部分组成的。 9、密码体制是指实现加密和解密功能的密码方案，从使用密钥策略上，可分为对称和非对称。 10、对称密码体制又称为秘密密钥密码体制，它包括分组密码和序列密码。 第二章 1、字母频率分析法对（B ）算法最有效。 A、置换密码 B、单表代换密码 C、多表代换密码 D、序列密码 2、（D）算法抵抗频率分析攻击能力最强，而对已知明文攻击最弱。 A仿射密码B维吉利亚密码C轮转密码D希尔密码 3、重合指数法对（C）算法的破解最有效。 A置换密码B单表代换密码C多表代换密码D序列密码 4、维吉利亚密码是古典密码体制比较有代表性的一种密码，其密码体制采用的是（C ）。 A置换密码B单表代换密码C多表代换密码D序列密码 5、在1949年香农发表《保密系统的通信理论》之前，密码学算法主要通过字符间的简单置换和代换实现，一般认为这些密码体制属于传统密码学范畴。 6、传统密码体制主要有两种，分别是指置换密码和代换密码。 7、置换密码又叫换位密码，最常见的置换密码有列置换和周期转置换密码。 8、代换是传统密码体制中最基本的处理技巧，按照一个明文字母是否总是被一个固定的字母代替进行划分，代换密码主要分为两类：单表代换和多表代换密码。 9、一个有6个转轮密码机是一个周期长度为26 的6次方的多表代替密码机械装置。 第四章 1、在（ C ）年，美国国家标准局把IBM的Tuchman-Meyer方案确定数据加密标准，即DES。 A、1949 B、1972 C、1977 D、2001 2、密码学历史上第一个广泛应用于商用数据保密的密码算法是（B ）。 A、AES B、DES C、IDEA D、RC6 3、在DES算法中，如果给定初始密钥K，经子密钥产生的各个子密钥都相同，则称该密钥K为弱密钥，DES算法弱密钥的个数为（B ）。 A、2 B、4 C、8 D、16
密码学试题 选择题 1、如果发送方用私钥加密消息，则可以实现() A、保密性 B、保密与鉴别 C、保密而非鉴别 D、鉴别 2、在混合加密方式下，真正用来加解密通信过程中所传输数据(明文)的密钥是() A、非对称算法的公钥 B、对称算法的密钥 C、非对称算法的私钥 D、CA中心的公钥 3、以下关于加密说法，不正确的是() A、加密包括对称加密和非对称加密两种 B、信息隐蔽是加密的一种方法 C、如果没有信息加密的密钥，只要知道加密程序的细节就可以对信息进行解密 D、密钥的位数越多，信息的安全性就越高 4、以下关于混合加密方式说法不正确的是:() A、采用公开密钥体制进行通信过程中的加解密处理 B、采用公开密钥体制对对称密钥体制的密钥进行加密后的通信 C、采用对称密钥体制对对称密钥体制的密钥进行加密后的通信 D、采用混合加密方式，利用了对称密钥体制的密钥容易管理和非对称密钥体制的加解密处理速
度快的双重优点 5、两个不同的消息摘要具有相同的值时，称为() A、攻击 B、冲突 C、散列 D、都不是 6、()用于验证消息完整性。 A、消息摘要 B、加密算法 C、数字信封 D、都不是 7、HASH函数可应用于()。 A、数字签名 B、生成程序或文档的“数字指纹” C、安全存储口令 D、数据的抗抵赖性 8、数字证书采用公钥体制，每个用户设定一把公钥，由本人公开，用它进行: A、加密和验证签名 B、解密和签名 C、加密 D、解密 9、数字签名为保证其不可更改性，双方约定使用() A、HASH算法 B、RSA算法 C、CAP算法 D、ACR算法
10、1是网络通信中标志通信各方身份信息的一系列数据，提供一种在Internet上验证身份的 方式 A、数字认证 B、数字证书 C、电子证书 D、电子认证 11、以下关于CA认证中心说法正确的是 A、CA认证是使用对称密钥机制的认证方法 B、CA认证中心只负责签名，不负责证书的产生 C、CA认证中心负责证书的颁发和管理、并依靠证书证明一个用户的身份 D、CA认证中心不用保持中立，可以随便找一个用户来做为CA认证中心 12、关于CA 和数字证书的关系，以下说法不正确的是 A、数字证书是保证双方之间的通讯安全的电子信任关系，他由CA签发 B、数字证书一般依靠CA中心的对称密钥机制来实现 C、在电子交易中，数字证书可以用于表明参与方的身份 D、数字证书能以一种不能被假冒的方式证明证书持有人身份 13、以下关于数字签名说法正确的是 A、数字签名是在所传输的数据后附加上一段和传输数据毫无关系的数字信息 B、数字签名能够解决数据的加密传输，即安全传输问题 C、数字签名一般采用对称加密机制 D、数字签名能够解决篡改、伪造等安全性问题 14、密钥交换问题的最终解决方案是使用 A、身份证
《现代密码学》教学大纲 课程编号：CE6209 课程名称：现代密码学英文名称：Modern Cryptography 学分/学时：2/32 课程性质：学院选修 适用专业：网络工程（含卓越班） 建议开设学期：5 先修课程：离散数学、信息安全数学基础、概率论、C语言等 开课单位：网络与信息安全学院 一、课程的教学目标与任务 本课程是网络与信息安全学院网络工程专业的学院选修课。 本课程的目标是全面介绍现代密码学的基本概念、基础理论和基本核心部件；研究和分析密码算法和安全协议的设计原理和思想；了解现代密码学的理论分析方法及技术。通过本课程的学习使学生系统地掌握密码学的基本概念和原理，掌握密码技术应用的基本要求，了解现代密码学的发展方向和新兴密码技术；具备进行密码学理论研究的基础知识；具备在信息安全中分析和应用密码技术的能力。 本课程以理论教学为主，并在各个环节注意加强学生实践能力的培养。注重密码学部件的正确应用，实践环节将针对各种不安全的密码协议进行分析，理论和实践攻击。通过本课程的学习，学生将全面了解密码技术的正确应用，并在使用中规避不安全的密码协议设计，分析和评估不同场景下密码部件应用的安全性，跟踪前沿的密码技术、标准，能充分运用并掌握先进的密码设计原理、分析方法、应用场景，为学生从事网络安全相关工作打下坚实的基础。 二、课程具体内容及基本要求 （一）密码学基础（4学时） 主要包括密码学基本概念，用途和发展历史，介绍古典密码学的一些简单实际应用和初等密码分析技术，从信息论角度分析密码安全。 1. 基本要求 （1）保密学的基本概念； （2）密码体制分类；
（3）古典密码：掌握凯撒密码，维吉尼亚密码等古典密码的原理、实现、应用和攻击； （4）初等密码分析：掌握密码分析的初等方法； 2. 重点、难点 重点：古典密码的应用和安全性分析，离散概率的各种定义和分析方法。 难点：古典密码的安全性分析。 3. 作业及课外学习要求： （1）掌握单钥体制与双钥体制的区别以及双钥体制产生的原因； （2）掌握古典密码中代换密码的工作原理； （3）分析维吉尼亚密码，掌握初等密码分析方法的分类以及分析方法具体细节。 （二）单钥体制——分组密码（2学时） 主要包括分组密码的基本概念、组件；DES与Feistel结构；穷举搜索攻击，差分密码分析和线性密码分析；分组密码的运行模式。 1. 基本要求 （1）熟悉分组密码的基本概念、了解代换和置换等基本组件及分组密码发展现状； （2）熟悉DES算法和Feistel结构； （3）了解分组密码的攻击方法：线性攻击，差分攻击，穷举搜索等； （4）了解分组密码的四种运算模式：ECB，CBC，CFB，OFB； 2. 重点、难点 重点：Feistel结构；DES算法结构和S盒。 难点：Feistel网络结构。 3. 作业及课外学习要求： （1）完成课堂练习； （2）DES算法的编程实现。 （三）双钥密码体制（6学时） 主要包括公钥密码的基本概念和原理，包括单向函数、陷门函数、密码学困难问题、RSA密码体制、Rabin密码体制、ElGamal密码体制及相关安全性分析。 1. 基本要求 （1）掌握公钥密码的基本概念原理，包括单向函数、陷门函数； （2）掌握密码学困难问题的有关概念，包含大整数分解困难问题和离散对数困难问题； （3）掌握Diffle-Hellman密钥交换协议及其安全性分析。
密码学及其研究现状(2014年) {摘要}： 密码系统的两个基本要素是加密算法和密钥管理。加密算法是一些公式和法则，它规定了明文和密文之间的变换方法。由于密码系统的反复使用，仅靠加密算法已难以保证信息的安全了。事实上，加密信息的安全可靠依赖于密钥系统，密钥是控制加密算法和解密算法的关键信息，它的产生、传输、存储等工作是十分重要的。{关键词}：密码技术安全网络密匙管理 密码技术是信息安全的核心技术。如今，计算机网络环境下信息的保密性、完 整性、可用性和抗抵赖性，都需要采用密码技术来解决。密码体制大体分为对称密 码(又称为私钥密码)和非对称密码(又称为公钥密码)两种。公钥密码在信息安全中 担负起密钥协商、数字签名、消息认证等重要角色，已成为最核心的密码。 密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。依照这 些法则，变明文为密文，称为加密变换；变密文为明文，称为脱密变换。密码在早 期仅对文字或数码进行加、脱密变换，随着通信技术的发展，对语音、图像、数据 等都可实施加、脱密变换。 密码学是在编码与破译的斗争实践中逐步发展起来的，并随着先进科学技术的 应用，已成为一门综合性的尖端技术科学。它与语言学、数学、电子学、声学、信 息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。它的现实研究成果，特别是各国政府 现用的密码编制及破译手段都具有高度的机密性。 进行明密变换的法则，称为密码的体制。指示这种变换的参数，称为密钥。它 们是密码编制的重要组成部分。密码体制的基本类型可以分为四种：错乱－－按照 规定的图形和线路，改变明文字母或数码等的位置成为密文；代替－－用一个或多 个代替表将明文字母或数码等代替为密文；密本－－用预先编定的字母或数字密码 组，代替一定的词组单词等变明文为密文；加乱－－用有限元素组成的一串序列作 为乱数，按规定的算法，同明文序列相结合变成密文。以上四种密码体制，既可单 独使用，也可混合使用，以编制出各种复杂度很高的实用密码。 当前，公钥密码的安全性概念已经被大大扩展了。像著名的RSA公钥密码算法、 Rabin公钥密码算法和ElGamal公钥密码算法都已经得到了广泛应用。但是，有些公
2009年第11期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.11,2009 总第215期Communications Technology No.215,Totally 量子密码学的应用研究 何湘初 （广东工贸职业技术学院计算机系，广东 广州 510510） 【摘 要】文中首先对量子密码学作了简单的介绍，给出了量子密钥所涉及的几个主要量子效应，接着较为详细地阐述了国内外量子密码学发展的历史，给出了量子密码学研究的几个课题：量子密钥分配、量子签名、量子身份认证、量子加密算法、量子秘密共享等，并分别加以简单的说明并详细地分析了阻碍量子密码实用化的几个因素。最后对量子密码学的发展做了展望。 【关键词】量子密码；量子身份认证；量子通信 【中图分类号】TN918 【文献标识码】A【文章编号】1002-0802(2009)11-0093-03 Quantum Cryptography and its Applications HE Xiang-chu （Dep.of Computer, Guangdong Vocational College of Industry & Commerce, Guangzhou Guangdong 510510, China） 【Abstract】This paper first gives a brief introduction of quantum cryptography and several principal quantum effects involved by quantum key; then it describes in detail the development history of quantum cryptography at home, gives some topics in the research of quantum cryptography, including quantum key distribution, quantum signature, quantum identity authentication, quantum encryption, quantum secret-sharing, and their brief descriptions, and analyzes in depth some hindering factors in practical quantum cryptography; finally, the development of quantum cryptography is forecasted. 【Key words】quantum cryptography；quantum authentication; quantum communication 0 引言 随着科学技术的发展，信息交流己经深入到社会生活的各个角落，各种通信手段形成一张大网，将人们紧密联系在一起。人们对信息交流的依赖性越来越强，对信息交流的安全性要求也越来越高，基于数学理论的经典通信保密机制并不能从根本上保证通信的安全，然而，随着量子物理学的发展，人们有了一种基于物理理论的崭新的信息保密方法—量子密码学，理论上讲，这种保密机制可以从根本上保证信息的安全。 1 量子密码学简介 量子密码学是当代密码理论研究的一个新领域，它以量子力学为基础，这一点不同于经典的以数学为基础的密码体制。量子密码依赖于信息载体的具体形式。目前，量子密码中用于承载信息的载体主要有光子、微弱激光脉冲、压缩态光信号、相干态光信号和量子光弧子信号，这些信息载体可通过多个不同的物理量描述。在量子密码中，一般用具有共轭特性的物理量来编码信息。光子的偏振可编码为量子比特。量子比特体现了量子的叠加性，且来自于非正交量子比特信源的量子比特是不可克隆的。通过量子操作可实现对量子比特的密码变换，这种变换就是矢量的线性变换。不过变换后的量子比特必须是非正交的，才可保证安全性。一般来说，不同的变换方式或者对不同量子可设计出不同的密码协议或者算法，关键是所设计方案的安全性[1]。 在量子密码学中，密钥依据一定的物理效应而产生和分发，这不同于经典的加密体制。目前，量子密钥所涉及的量子效应主要有[2]： ① 海森堡不确定原理：源于微观粒子的波粒二象性。自由粒子的动量不变，自由粒子同时又是一个平面波，它存在于整个空间。也就是说自由粒子的动量完全确定，但是它的位置完全不确定； ② 光子的偏振现象：每个光子都具有一个特定的线偏 收稿日期：2008-12-18。 作者简介：何湘初（1977-），男，讲师，硕士，主要研究方向为通 信技术、虚拟一起。 93
密码学发展简史 学院：数学与统计学院专业：信息与计算科学学生：卢富毓学号：20101910072 密码是什么？什么是密码学？ 信息泛指人类社会传播的一切内容。人通过获得、识别自然界和社会的不同信息来区别不同事物，得以认识和改造世界。而密码便是对信息进行隐藏的一种手段。它既是一种工具又是一门艺术。 《破译者》一书说：“人类使用密码的历史几乎与使用文字的时间一样长。”因为自从有了文字以来，人们为了某种需要总是想方设法隐藏某些信息，以起到保证信息安全的目的。人们最早为了包通信的机密，通过一些图形或文字互相传达信息的密令。连闯荡江湖的侠士和被压迫起义者各自有一套秘密的黑道行话和地下联络的暗语。 而在今天信息泛滥的计算机世界里，如何保护好自己的重要信息不被泄露，保护自己的通讯不被窃听等一系列与信息有关的内容中，同样需要一个较好的密码协议来完成对信息的私密化！可以看出密码学在不同的时代里有着不同的诠释。 所以密码学是一门既古老又新兴的学科。 古典密码学 密码学大致可以分为五个时期： 1、第一阶段从古代到1949，这一时期称为古典密码时期，密码学可以 说是一门艺术，而不是一种学科。(发展缓慢) 2、第二阶段是从1949年到1976年，这一时期，由香浓发表的“保密系 统的信息理论”一文产生了信息论，信息论为对称密码系统建立了理论基础，从此密码学成为一门学科。 3、第三个阶段是从1976年到1984年。1976年Diffie和Hellman发表了 《密码学新方向》一文，从而导致了密码学上的一场革命。他们首次证明了发送端和接收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。 4、第四个阶段是从1984年至今，1984年Goldwasser和Micali首次提出 了证明安全的思想。他们讲概率论中的东西引入到密码学，在计算复杂度理论假设下，安全性是可以证明的。 5、第五个阶段，这是我个人认为有必要写出来的——两字密码学时期： 当量子计算机大量的投入使用后，可以预见好多目前主流的加密算法将不再实用，新的方案新的体系将被人们发现利用。 公元前400年，斯巴达人就发明了“塞塔式密码”，即把长条纸螺旋形地斜绕在一个多棱棒上，将文字沿棒的水平方向从左到右书写，写一个字旋转一下，写完一行再另起一行从左到右写，直到写完。解下来后，纸条上的文字消息杂乱无章、无法理解，这就是密文,但将它绕在另一个同等尺寸的棒子上后，就能看到原始的消息。这是最早的密码技术。
《现代密码学（基础？）》编写大纲 88888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888888
前言 第一章概论（HDK） 1．1信息系统安全与密码技术 1．2密码系统模型和密码体制 （密码系统模型、单钥与双钥密码体制、对密码体制的一般要求）1．3密码分析 1．4信息论与保密系统安全水平 1．4．1信息量和熵 1．4．2完善保密性与随机性 1．4．3唯一解距离、理论保密性与实际保密性 1．5复杂性理论简介 习题 第二章序列密码（T） 2．1 序列密码的一般模型 2．2 线性反馈移位寄存器序列 2．3 序列密码设计准则 2．3．1复杂度及B-M算法 2．3．2相关免疫性 2．4 非线性序列 2．4．1 一般模型 2．4．2 钟控序列、级联序列 2．4．3 FCSR及其使用FCSR的序列密码 2．5 实际算法：RC4、A5 习题 第三章分组密码（T） 3.1分组密码的一般模型及工作模式 3.2DES 3.2.1算法描述 3.2.2三重DES 3.3IDEA 3.3.1设计原理与算法描述 3.3.2安全性分析 3.4AES 3.5分组密码分析方法* 3.5.1差分分析 3.5.2线性分析 3.6NESSIE: MISTY1、Camellia、SHACAL2 习题
第四章公钥密码（M） 4.1 RSA公钥密码体制 4.1.1 RSA算法(包括介绍欧拉函数和欧拉定理) 4.1.2 对RSA的攻击与参数选取 包括因子分解复杂度，对RSA的选择密文攻击，公共模数攻击，低加密指数 攻击，低解密指数攻击，素因子的要求，确定性素性测试算法复杂度。 4.2 基于离散对数的公钥密码体制 4.2.1 EIGamal公钥密码体制 4.2.2 安全性分析(包括介绍离散对数问题、Diffie-Hellman问题及其复杂度) 4.3 椭圆曲线密码密码体制 4.4可证明性安全公钥密码体制简介* 4.4.1 公钥加密中若干安全性概念介绍 4.4.2 基于RSA的可证明性安全公钥密码体制 介绍OAEP方案、安全性结论 4.4.3基于Diffie-Hellman问题可证明性安全公钥密码体制 介绍Cramer-Shoup方案、安全性结论 4.5 其它公钥体制 包括Ranbin体制（较详细）、XTR和NTRU等（一般性点到） 习题 第五章散列函数与消息认证 5．1散列函数的性质 Hash函数 5．2散列函数的安全性 单向Hash函数；弱碰撞免疫(weakly collision-free)；强碰撞免疫(strongly collision-free)； 生日攻击. 5．3迭代散列函数 结构分析，算法描述，安全性讨论. 5．4散列函数MD5 设计目标，算法描述，安全性讨论. 5．5安全散列算法 算法描述，安全性讨论. 5．6消息认证 认证；认证系统；消息认证码；无条件安全认证码；HMAC算法描述与安全性讨论. 习题 第六章安全协议 6.1数字签名 6.1.1概念 6.1.2RSA数字签名 6.1.3ElGamal数字签名 6.1.4特殊类型的数字签名
密码学的研究方向与发展前景综述 摘要：如今，计算机网络环境下信息的保密性、完整性、可用性和抗抵赖性，都需要采用密码技术来解决。密码体制大体分为对称密码(又称为私钥密码)和非对称密码(又称为公钥密码)两种。对称密码术早已被人们使用了数千年，它有各种形式，从简单的替换密码到较复杂的构造方式。它通常非常快速，但容易遭受攻击，因为用于加密的密钥必须与需要对消息进行解密的所有人一起共享。而非对称密码在信息安全中担负起密钥协商、数字签名、消息认证等重要角色，已成为最核心的密码。无论我们在应用程序中使用哪种密码，都应该考虑使用的方法、认识到发生的折衷方案以及规划功能更强大的计算机系统的前景。 关键字：计算机网络；密码技术；私钥密码；公钥密码 一、引言 当前，公钥密码的安全性概念已经被大大扩展了。像著名的RSA公钥密码算法、Rabin公钥密码算法和ElGamal公钥密码算法都已经得到了广泛应用。但是，有些公钥密码算法在理论上虽然是安全的，在具体的实际应用中却并非安全。因为在实际应用中不仅需要算法本身在数学证明上是安全的，同时也需要算法在实际应用中也是安全的。比如，公钥加密算法根据不同的应用，需要考虑选择明文安全、非适应性选择密文安全和适应性选择密码安全三类。数字签名根据需要也要求考虑抵抗非消息攻击和选择消息攻击等。因此，近年来，公钥密码学研究中的一个重要内容——可证安全密码学正是致力于这方面的研究。 公钥密码在信息安全中担负起密钥协商、数字签名、消息认证等重要角色，已成为最核心的密码。目前密码的核心课题主要是在结合具体的网络环境、提高运算效率的基础上，针对各种主动攻击行为，研究各种可证安全体制。其中引人注目的是基于身份(ID)密码体制和密码体制的可证安全模型研究，目前已经取得了重要成果。这些成果对网络安全、信息安全的影响非常巨大，例如公钥基础设施(PKI)将会更趋于合理，使其变为ID-PKI。在密码分析和攻击手段不断进步，计算机运算速度不断提高以及密码应用需求不断增长的情况下，迫切需要发展密码理论和创新密码算法。 二、研究方向 1.在线/离线密码学 公钥密码学能够使通信双方在不安全的信道上安全地交换信息。在过去的几年里，公钥密码学已经极大地加速了网络的应用。然而，和对称密码系统不同，非对称密码的执行效率不能很
通过这个学期对应用密码学的学习，我深刻地体会到应用密码学的魅力，也认识到随着科学的发展，密码学越来越成为一个国家不可缺少的一项科学技术。密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的，称为编码学；应用于破译密码以获取通信情报的，称为破译学，总称密码学。 密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。依照这些法则，变明文为密文，称为加密变换；变密文为明文，称为脱密变换。密码在早期仅对文字或数码进行加、脱密变换，随着通信技术的发展，对语音、图像、数据等都可实施加、脱密变换。密码学是在编码与破译的斗争实践中逐步发展起来的，并随着先进科学技术的应用，已成为一门综合性的尖端技术科学。它与语言学、数学、电子学、声学、信息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。它的现实研究成果，特别是各国政府现用的密码编制及破译手段都具有高度的机密性。 密码学主要经历了三个阶段：古代加密方法、古代密码和近代密码。首先，古代加密方法处于手工阶段，其源于应用的无穷需求总是来推动技术发明和进步的直接动力。存于石刻或史书中的记载表明，许多古代文明，包括埃及人、希伯来人、亚述人都在实践中逐步发明了密码系统。从某种意义上说，战争是科学技术进步的催化剂。人类自从有了战争，就面临着通信安全的需求，密码技术源远流长。古代加密方法大约起源于公元前440年出现在古希腊战争中的隐写术。当时为了安全传送军事情报，奴隶主剃光奴隶的头发，将情报写在奴隶的光头上，待头发长长后将奴隶送到另一个部落，再次剃光头发，原有的信息复现出来，从而实现这两个部落之间的秘密通信。公元前 400 年，斯巴达人就发明了“塞塔式密码” ，即把长条纸螺旋形地斜绕在一个多棱棒上，将文字沿棒的水平方向从左到右书写，写一个字旋转一下，写完一行再另起一行从左到右写，直到写完。解下来后，纸条上的文字消息杂乱无章、无法理解，这就是密文,但将它绕在另一个同等尺寸的棒子上后，就能看到原始的消息。这是最早的密码技术。我国古代也早有以藏头诗、藏尾诗、漏格诗及绘画等形式，将要表达的真正意思或“密语” 隐藏在诗文或画卷中特定位置的记载，一般人只注意诗或画的表面意境，而不会去注意或很难发现隐藏其中的“话外之音” 。比如：我画蓝江水悠悠，爱晚亭枫叶愁。秋月溶溶照佛寺，香烟袅袅绕轻楼其次是古典密码（机械阶段），古典密码的加密方法一般是文字置换，使用手工或机械变换的方式实现。古典密码系统已经初步体现出近代密码系统的雏形，它比古代加密方法复杂，其变化较小。古典密码的代表密码体制主要有：单表代替密码、多表代替密码及转轮密码。最后是近代密码，这是计算机阶段，密码形成一门新的学科是在 20 世纪 70 年代，这是受计算机科学蓬勃发展刺激和推动的结果。快速电子计算机和现代数学方法一方面为加密技术提供了新的概念和工具，另一方面也给破译者提供了下伪装：加密者对需要进行伪装机密信息（明文）进行伪装进行变换（加密变换），得到另外一种看起来似乎与原有信息不相关的表示（密文），如果合法者（接收者）获得了伪装后的信息，那么他可以通过事先约定的密钥，从得到的信息中分析得到原有的机密信息（解密变换），而如果不合法的用户（密码分析者）试图从这种伪装后信息中分析得到原有的机密信息，那么，要么这种分析过程根本是不可能的，要么代价过于巨大，以至于无法进行。 在计算机出现以前，密码学的算法主要是通过字符之间代替或易位实现的，我们称这些密码体制为古典密码。其中包括：易位密码、代替密码（单表代替密码、多表代替密码等）。这些密码算法大都十分简单，现在已经很少在实际应用中使用了。由于密码学是涉及数学、通讯、计算机等相关学科的知识，就我们现有的知识水平而言，只能初步研究古典密码学的基本原理和方法。但是对古典密码学的研究，对于理解、构造和分析现代实用的密码都是很有帮助。然后是古典密码学的基础运用：从密码学发展历程来看，可分为古典密码（以字符为基本加密单元的密码）以及现代密码（以信息块为基本加密单元的密码）两类。凯