古典密码运用的两种基本技术
古典密码是一种历史悠久的加密方式，其基本思想是通过将明文转化为不易被破解的密文，以保护信息的安全性。在古代，人们常常使用古典密码来传递重要的信息，从而避免被敌人获知。在这篇文章中，我们将介绍古典密码运用的两种基本技术，即替换和置换。
替换是指将明文中的每个字母都用另一个字母来代替。这种技术最早出现在古希腊时期，被称为凯撒密码。凯撒密码的原理是将明文中的每个字母都向后移动一个固定的位置，例如，将A替换成B，B 替换成C，以此类推。这种替换方式可以很容易地破解，因为字母表只有26个字母，破解者可以通过试错的方式来找出加密的规律。
为了提高替换密码的安全性，人们开始使用多重替换的方法。这种方法可以将多个替换规则组合在一起，使得加密更加复杂。例如，可以将字母表分成几个部分，每个部分使用不同的替换规则，使得破解者更难以找到加密的规律。
置换是指将明文中的每个字母都按照一定的规则进行重新排列。置换密码最早出现在古罗马时期，被称为轮换密码。轮换密码的原理是将明文中的每个字母按照一定的顺序排列，例如，将明文按照3个一组进行排列，得到密文。这种置换方式可以增加加密的难度，因为破解者不知道明文中每个字母出现的位置。
为了提高置换密码的安全性，人们开始使用多重置换的方法。这种方法可以将多个置换规则组合在一起，使得加密更加复杂。例如，可以将明文划分成若干个块，每个块按照不同的置换规则进行重新排
列，然后再将所有块合并成密文。
总之，替换和置换是古典密码运用的两种基本技术。这些技术虽然已经过时，但它们仍然对现代密码学的研究产生了影响。通过对古典密码的研究，人们可以更好地理解密码学的基本原理，从而设计出更加安全的密码系统。
实验2 古典密码 1.实验目的 （1）了解古典密码中的基本加密运算。 （2）了解几种典型的古典密码体制。 （3）掌握古典密码的统计分析方法。 2.实验内容 （1）古典密码体制 ①简单移位加密（单表代换） 该加密方法中，加密时将明文中的每个字母向前推移K位。经典恺撒密码加密变换就是这种变换，取k=3。 步骤1：打开CAP4软件，并加载实验一附带的“mw.txt”，如图2-1所示。 图2-1加载文件
步骤2：采用恺撒加密方法手工加密“mw.txt”;打开CAP4菜单栏“Cipher”菜单项选择“simple shift”选项，并选择移位值“shift value”为3，加密步骤1中加载的文件，如图2-2所示。 图2-2 参数设置 图2-3加密文件
步骤3：比较二者的加密结果是否相同。 步骤4：点击CAP4软件中的“Simple analysis”下的“shift”键，观察恺撒加密法的可能密钥值，并分析其攻击的难度，如图2-4所示。 图2-4密钥分析 ②仿射密码加密（单表代换） 在仿射密码加密(affine cipher)中，字母表中的字母被赋予一个数字，例如，a=0,b=1,c=2,…,z=25.仿射密码加密法的密钥为0~25之间的数字对（a,b）。a与26的最大公约数必须为1，这就是说能整除a和26的数只有1.现在假设m为明文字母的数字，而c为密文字母的数字，那么，这两个数字之间有如下关系： c=(am+b)(mod 26) m=a-1(c-b)(mod 26) 其中，（mod 26）的操作是：除以26，得其余数。 例如，选取密钥为（7，3）。因为7与26互素，也就是只有公约数1，所以（7，3）可以作为仿射密码的加密钥。将“hot”转换成数字7、14、19，利用仿射等式生成： c(H)=(7×7+3) mod 26=52 mod 26=0,即为字母“a“。 c(O)=(7×14+3) mod 26=101 mod 26=23,即为字母“x“. c(T)=(7×19+3) mod 26=136 mod 26=6,即为字母”g”. 这样，对于这个密钥，”hot”变成了“axg“.
《应用密码学》习题和思考题答案 第3章古典密码 3－1 举例说明什么是隐写术。 答：隐写术就是隐藏消息的存在，这种方法通常在一段看来无伤大雅的文字中嵌入排列一些词汇或字母隐含地表达真正的意思。例子略。 3－2 区别隐写术与密码编码学。 答：密码编码学是通过各种文本转换的方法使得消息为外部不可理解。隐写术则是隐藏消息的存在，它本质上不是一种编码加密技术，这种方法通常在一段看来无伤大雅的文字中嵌入排列一些词汇或字母隐含地表达真正的意思。 隐写术的优点在于能够被某些人使用而不容易发现他们间在进行秘密通信。而加密则很容易被发现谁与谁在进行秘密通信，这种发现本身可能具有某种意义或作用。 隐写术与加密技术相比有一些缺点：（1）它形式简单但构造费时，要求有大量的开销来隐藏相对较少的信息。（2）一旦该系统的构造方法被发现，就会变得完全没有价值。（3）隐写术一般无稳健性，如数据改动后隐藏的信息不能被恢复。 3－3 区别代替与换位。 答：代替就是将明文字符用另一个字符取代，代替密码操作的目的是制造混乱，使得确定消息和密钥是怎样转换成密文的尝试变得困难。 换位就是重新排列消息中的字母，以便打破密文的结构特性。即它交换的不再是字符本身，而是字符被书写的位置。 3－4 频率分析的基本处理方法是什么？ 答：频率分析攻击的一般方法： 第一步：对密文中出现的各个字母进行统计，找出它们各自出现的频率。 第二步：根据密文中出现的各个字母的频率，和英语字母标准频率进行对比分析，做出假设，推论加密所用的公式。 第三步：证实上述假设（如果不正确，继续作其他假设）。 3－5 使用穷举搜索法，破译如下利用代替密码加密的密文： BEEAKFYDJXUQYHYJIQRYHTYJIQFBQDUYJIIKFUHCQD 解：
密码技术专题（二）—古典密码体制 ?1、密码体制的概念 o明文信源 o密文 o密钥与加密运算 o密码体制 ?2、古典密码体制的发展 o古典加密方法 o代替密码 o换位密码 o转轮密码 ?3、几种典型的古典密码体制 o CAESAR体制 o双字的Playfair体制 o维吉尼亚体制 o Hill体制 我们已经知道，一个密码体制由明文信源、密文、密钥与加密运算这四个基本要素构成，下面我们将进一步给出它们的数学模型。 1、明文信源 直观地讲，明文信源就是明文字母表或者明文字母。比如所有的英文字母、全部的中文字符就是典型的明文字母表。准确一点，明文信源还应当包含明文字母的概率分布。如果用X表示明文字母表，则它的元素x∈X则就是明文字母。在明文字母表中，不同的明文字母出现的频率往往是不同的，比如在26个英文字母中，一般来说字母“e”的频率最高；而在汉字中，可能是“的”字频率最高。 所以，一个明文信源记为S=[X,p(x)]，其中X为明文字母表，p(x)为明文字母x∈X 出现的概率，而且p(x)满足如下条件：对任何x∈X，p(x)≥0，且∑p(x)=1。 2、密文 密文由密文字母表Y和密文字母y∈Y组成，密文字母表一般是指密文可能使用的全部字母的集合，而y∈Y是它的元素。密文字母表可以与明文字母表相同，也可以不同。 3、密钥与加密运算 密钥用来从密码体制的一组加密运算中选择一个加密运算（或者称为加密步），密钥允许你按照以前制定的规则改变加密，比如每天，或每份报之后，或者每个
字符之后。通常，密钥的组织和编排须利于它们允许通过简单的规则产生单独的加密步。加密方法的组合复杂度取决于在此方法下密钥的数量。如果用K表示密钥空间，也就是选择加密步的参数集合，k∈K则称为一个密钥。 加密步就是明文字母表X到密文字母表Y的一个映射：E：X→Y，对每个x∈X。由于加密步并不是单一的，而是一族运算，因此我们就可以记为Ek=Ek(x)，其中x∈X，k∈K。除特殊的编码方法外，如多名码或多音码，对于每个k∈K，Ek(x)都是X到Y的1-1映射。 通常要求用户对密钥的选择是随机的，而且密钥的选择与明文无关。这样密钥的使用概率p(k),k∈K与明文的出现概率就是互相独立的。 4、密码体制 在明确了密码体制的几个组成要素的数学模型后，我们就可以给出一个密码体制的数学模型。我们定义S={X，Y，K，p(x,k)，Ek(x), x∈X，k∈K}为一个密码体制。实际上从运算的角度讲，密码体制包含加密系统和解密系统两部分。 如果一个密码体制设计完成，则相应的明文、密文、密钥之间的关系也就随之确定，用概率方法表示为：对任何x∈X，k∈K，y∈E(X)，p(x,y,k)=p(x,k)=p(x)p(k)。 密码技术的应用一直伴随着人类文化的发展，其古老甚至原始的方法奠定了现代密码学的基础。使用密码的目标就是使一份消息或记录对非授权的人是不可理解的。可能有人认为这很容易，但你必须考虑原定的接收方是否能解读消息。如果接收方是没有经验的，随便写个便条他也可能很长时间无法读懂。因此不一定要求加密和解密方法特别复杂，它必须适应使用它的人员的智力、知识及环境。下面我们介绍古典密体制发展演化的过程。 1、古典加密方法 最为人们所熟悉的古典加密方法，莫过于隐写术。它通常将秘密消息隐藏于其它消息中，使真正的秘密通过一份无伤大雅的消息发送出去。隐写术分为两种，语言隐写术和技术隐写术。技术方面的隐写比较容易想象：比如不可见的墨水,洋葱法和牛奶法也被证明是普遍且有效的方法（只要在背面加热或紫外线照射即可复现）。语言隐写术与密码编码学关系比较密切，它主要提供两种类型的方法：符号码和公开代码。 符号码是以可见的方式，如手写体字或图形，隐藏秘密的书写。在书或报纸上标记所选择的字母，比如用点或短划线，这比上述方法更容易被人怀疑，除非使用显隐墨水，但此方法易于实现。一种变形的应用是降低所关心的字母，使其水平位置略低于其它字母，但这种降低几乎让人觉察不到。 一份秘密的信件或伪装的消息要通过公开信道传送，需要双方事前的约定，也就是需要一种公开代码。这可能是保密技术的最古老形式，公开文献中经常可以看到。东方和远东的商人和赌徒在这方面有独到之处，他们非常熟练地掌握了手势
现代密码学教程第二版 谷利泽郑世慧杨义先 欢迎私信指正，共同奉献 1.4 习题 1. 判断题 （1）现代密码学技术现仅用于实现信息通信保密的功能。（） （2）密码技术是一个古老的技术，所以，密码学发展史早于信息安全发展史。（）（3）密码学是保障信息安全的核心技术，信息安全是密码学研究与发展的目的。（）（4）密码学是对信息安全各方面的研究，能够解决所有信息安全的问题。（） （5）从密码学的发展历史可以看出，整个密码学的发展史符合历史发展规律和人类对客观事物的认识规律。（） （6）信息隐藏技术其实也是一种信息保密技术。（） （7）传统密码系统本质上均属于对称密码学范畴。（） （8）早期密码的研究基本上是秘密地进行的，而密码学的真正蓬勃发展和广泛应用源于计算机网络的普及和发展。（） （9）1976 年后，美国数据加密标准（DES）的公布使密码学的研究公开，从而开创了现代密码学的新纪元，是密码学发展史上的一次质的飞跃。（） （10 ）密码标准化工作是一项长期的、艰巨的基础性工作，也是衡量国家商用密码发展水平的重要标志。（） 2. 选择题 （1）1949 年，（）发表题为《保密系统的通信理论》，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 3）篡改的攻击形式是针对信息（）的攻击。
（2）截取的攻击形式是针对信息（）的攻击。 A. 机密性 B.完整性 C. 认证性 D. 不可抵赖性 3）篡改的攻击形式是针对信息（）的攻击。
A. 机密性 B.完整性 C. 认证性 D. 不可抵赖性 （4）伪造的攻击形式是针对信息（）的攻击。 A. 机密性 B.完整性 C. 认证性 D. 不可抵赖性 （5）在公钥密码思想提出大约一年后的1978 年，美国麻省理工学院的Rivest 、（）和Adleman 提出RSA的公钥密码体制，这是迄今为止第一个成熟的、实际应用最广的公钥密码体制。 A. Shannon B.Diffie C.Hellman D.Shamir 3. 填空题 （1）信息安全的主要目标是指、、 和、可用性。 （2）经典的信息安全三要素、、，是信息安全的 核心原则。 （3）根据对信息流造成的影响，可以把攻击分为五类：、、、 和重放，进一步可概括为两类：和 （4）1949 年，香农发表题为，为密码系统建立了理论基础， 从此密码学成了一门科学。 （5）密码学的发展大致经历了两个阶段：、 （6）1976 年，W.Diffie 和M.Hellman 在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。 （7）密码学的发展过程中，两个质的飞跃分别指和 （8）是社会信息化密码管理的依据。 4. 术语解释 （1）机密性 （2）完整性 （3）认证性 （4）不可抵赖性 5. 简答题 （1）信息安全中常用的攻击分别指是什么？分别使用什么密码技术能抵御这些攻击。 （2）简述密码学和信息安全的关系。
应用密码学实验一古典密码 一、实验目的 学习常见的古典密码学算法，通过编程实现替代密码算法和置换密码算法，加深对古典密码体制的了解，为深入学习密码学奠定基础。 二、实验要求 分析替代密码算法和置换密码算法的功能需求，详细设计实现替代密码算法和置换密码算法的数据结构和流程，给出测试用例和测试步骤，得出测试和结论。 三、实验原理 古典密码算法曾被广泛应用，大都比较简单，使用手工和机械操作来实现加密和解密。它的主要应用对象是文字信息，利用密码算法实现文字信息的加密和解密。下面介绍两种常见的具有代表性的古典密码算法，以帮助读者对密码算法建立一个初步的印象。 1.替代密码 替代密码的原理是使用替代法进行加密，就是将明文由其它的字母、数字或符合所代替后形成密文。这里每个明文字母对应的密文字母可能是一个，也可能是多个。接收者对密文进行逆向替换即可得到明文。替代密码有五种表现形式： ○1单表代替 即简单替代密码或者称为单字母代替，明文字母表中的一个字符对应密文字母表中的一个字符。这是所有加密中最简单的方法。 ○2多表代替 即由多个简单代替组成，也就是使用了两个或两个以上的代替表。比如使用有5个简单代替表的代替密码，明文的第一个字母用第一个代替表，第二个字母用第二个表，第三个字母用第三个表，以此类推，循环使用这五张代替表。多表代替密码由莱昂.巴蒂斯塔于1568年发明，著名的维吉尼亚密码和博福特密码均是多表代替密码。 关于单表替代密码——凯撒(Caesar)密码，又叫循环移位密码。它的加密方法就是将明文中的每个字母用字母表中该字母后的第R个字母来替换，达到加密的目的。它的加密过程可以表示为下面的函数： =+ E m m k n ()()mod E m为其中，ｍ为明文字母在字母表中的位置数；ｎ为字母表中的字母个数；ｋ为密钥；()密文字母在字母表中对应的位置数。 k=，则按照上式计算出来的密例如：对于明文字母H，其在字母表中的位置数为8，设4 文为L，计算过程如下： =+=+== (8)()mod(84)mod2612 E m k n L ２．置换密码 置换密码算法的原理是不改变明文字符，而是按照某一规则重新排列消息中的比特或字符顺序，才而实现明文信息的加密。置换密码有时又称为换位密码。 矩阵换位法是实现置换密码的一种常用方法。它将明文中的字母按照给定的顺序安排在一个矩阵中，然后用根据密钥提供的顺序重新组合矩阵中的字母，从而形成密文。例如，明文为attack begins at five，密钥为cipher，将明文按照每行6个字母的形式排在矩阵中，形成如下
第五章密码技术 一、密码学的基础知识 密码学(Cryptography)一词来自于希腊语中的短语“secret writing (秘密地书写) ”，是研究数据的加密及其变换的学科。它集数学、计算机科学、电子与通信等诸多学科于一身，它包括两个分支：密码编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行变换，以保护信息在传递过程中不被敌方窃取、解读和利用的方法。密码分析学则与密码编码学相反，它主要研究如何分析和破译密码。这两者之间既相互对立又相互促进。 进入20世纪80年代，随着计算机网络，特别是因特网的普及，密码学得到了广泛的重视。如今，密码技术不仅服务于信息的加密和解密，还是身份认证、访问控制、数字签名等多种安全机制的基础。加密技术包括密码算法设计、密码分析、安全协议、身份认证、消息确认、数字签名、密钥管理、密钥托管等技术，是保障信息安全的核心技术。 待加密的消息称为明文 (plaintext) ，它经过一个以密钥 (key) 为参数的函数变换，这个过程称为加密，输出的结果称为密文 (ciphertext) ，然后，密文被传送出去，往往由通信员或者无线电方式来传送。我们假设敌人或者入侵者听到了完整的密文，并且将密文精确地复制下来。然而，与目标接收者不同的是，他不知道解密密钥是什么，所以他无法轻易地对密文进行解密。有时候入侵者不仅可以监听通信信道 (被动入侵者) ，而且还可以将消息记录下来并且在以后某个时候回放出来，或者插入他自己的消息，或者在合法消息到达接收方之前对消息进行篡改 (主动入侵者) 。 使用C = EK(P)来表示用密钥K加密明文P得到密文C，P = DK(C)代表用密钥K解密密文C得到明文P的过程。由此可得到：DK(EK(P)) = P。这种标记法也说明了E和D只是数学函数，事实上也确实如此。 密码学的基本规则是，必须假定密码分析者知道加密和解密所使用的方法。 二、古典密码技术 古典密码技术主要有两大基本方法：①代替密码：就是将明文的字符替换为密文中的另一种的字符，接收者只要对密文做反向替换就可以恢复出明文。②置换密码 (又称易位密码) ：明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。 （一）滚桶密码
古典密码算法 古典密码算法是指在计算机加密领域之前使用的一些传统密码算法，它们通常基于简单的数学原理和替换规则。以下是几种常见的古典密码算法： 凯撒密码（Caesar Cipher）：凯撒密码是一种替换密码，通过将字母按照一个固定的偏移量进行替换来加密消息。例如，偏移量为3时，字母A被替换为D，字母B被替换为E，以此类推。解密过程则是将替换后的字母反向偏移。凯撒密码很容易破解，因为只有26种可能的偏移量。 维吉尼亚密码（Vigenère Cipher）：维吉尼亚密码是一种多表密码，它使用一个关键字来决定每个字母的偏移量。关键字被重复使用，逐个与明文中的字母对应，生成密文。解密过程则是通过将密文与关键字对应的字母相减得到明文。维吉尼亚密码比凯撒密码更复杂，但仍然容易受到频率分析等攻击。 替代密码（Substitution Cipher）：替代密码使用替换规则来加密和解密消息。最简单的替代密码是单字母替换，即将明文中的每个字母替换为一个固定的密文字母。这种方法容易受到频率分析攻击。更复杂的替代密码如多表密码和多字母替换密码引入了更复杂的替换规则，增加了密码破解的难度。 仿射密码（Affine Cipher）：仿射密码是一种线性替换密码，它使用一个加密函数将明文字母映射到密文字母。加密函数是一个仿射变换，包括一个乘法和一个加法操作。解密过程则是应用逆仿射变换。仿射密码比凯撒密码和替代密码更难破解，但对于较大的密钥空间来说仍然存在弱点。 这些古典密码算法在现代密码学中已经被更安全和复杂的算法所取代，因为它们容易受到密码分析的攻击。现代密码算法，如对称加密算法（如AES）和公钥加密算法（如RSA），提供了更高的安全性和复杂性，以抵御现代密码破解技术的威胁。
替代密码（代换密码） 替代密码就是明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符。接收者对密文进行逆替换就恢复出明文来。替代法加密是用另一个字母表中的字母替代明文中的字母。 加密算法Ek(m)是一个代换函数，将每一个m∈M代换为相应的c ∈C，代换函数的参数是秘钥k；解密算法Dk(c)只是逆代换。 在替代法加密体制中，使用了密钥字母表。它可以由单个字母表构成，也可以由多个字母表构成。 如果是由一个字母表构成的替代密码，称为单表密码。其替代过程是在明文和密码字符之间进行一对一的映射。 如果是由多个字母表构成的替代密码，称为多表密码。 1．单表替代密码 单表替代密码的一种典型方法是凯撒（Caesar）密码，又叫循环移位密码。它的加密方法就是把明文中所有字母都用它右边的第k个字母替代，并认为Z后边又是A。这种映射关系表示为如下函数：F(a)=(a+k) mod n 其中：a表示明文字母；n为字符集中字母个数；k为密钥。 凯撒（Caesar）密码k=3. 映射表中，明文字母中在字母表中的相应位置数为C，（如A=1，B=2，…Y=25,Z=0）形式如下： 设k＝3；对于明文P＝COMPUTE SYSTEMS则 f（C）=（3+3）mod 26=6=F f（O）=（15+3）mod 26=18=R f（M）=（13+3）mod 26=16=P ┆ f（S）=（19+3）mod 26=22=V 密文C= Ek（P）=FRPSXRWHUVBVWHPV。 除了凯撒密码，在其他的单表替代法中，有的字母表被打乱。比如，在字母表中首先排列出密钥中出现的字母，然后在密钥后面填上剩余的字母。如密钥是HOW，那么新的字母表就是：HOWABCDEFGIJKLMNPQRSTUVXYZ 这个密钥很短，多数明文字母离开其密文等价字母，仅有一个或几个位置。若用长的密钥字，则距离变大，因而便难于判断是何文字密钥。 2．多表替代密码 周期替代密码，又称为维吉尼亚（Vigenere）密码。 循环的使用有限个字母来实现替代的一种方法。若明文信息mlm2m3…mn，采用n个字母（n个字母为B1，B2，…Bn）替代法，那么，ml将根据字母Bn的特征来替代，mn+l 又将根据B1的特征来替代，mn+2又将根据B2的特征来替代……，如此循环。可见B1，B2，…Bn就是加密的密钥。 以字母表移位为基础把26个英文字母进行循环移位，排列在一起，形成26×26的方阵。该方阵被称为维吉尼亚表。采用的算法为：f（a）=（a+Bi）mod n （i=（1，2，…，n））例如：以YOUR为密钥，加密明码文HOW AREYOU。 P =HOW AREYOU K =YOURYOURY Ek（P） =FCQRPSSFS H=7,Y=24, 31 MOD 26=5 查佛吉尼亚表，其加密过程就是以明文字母选择列，以密钥字母选择行，两者的交点就
古典密码运用的两种基本技术 古典密码是一种历史悠久的加密方式，其基本思想是通过将明文转化为不易被破解的密文，以保护信息的安全性。在古代，人们常常使用古典密码来传递重要的信息，从而避免被敌人获知。在这篇文章中，我们将介绍古典密码运用的两种基本技术，即替换和置换。 替换是指将明文中的每个字母都用另一个字母来代替。这种技术最早出现在古希腊时期，被称为凯撒密码。凯撒密码的原理是将明文中的每个字母都向后移动一个固定的位置，例如，将A替换成B，B 替换成C，以此类推。这种替换方式可以很容易地破解，因为字母表只有26个字母，破解者可以通过试错的方式来找出加密的规律。 为了提高替换密码的安全性，人们开始使用多重替换的方法。这种方法可以将多个替换规则组合在一起，使得加密更加复杂。例如，可以将字母表分成几个部分，每个部分使用不同的替换规则，使得破解者更难以找到加密的规律。 置换是指将明文中的每个字母都按照一定的规则进行重新排列。置换密码最早出现在古罗马时期，被称为轮换密码。轮换密码的原理是将明文中的每个字母按照一定的顺序排列，例如，将明文按照3个一组进行排列，得到密文。这种置换方式可以增加加密的难度，因为破解者不知道明文中每个字母出现的位置。 为了提高置换密码的安全性，人们开始使用多重置换的方法。这种方法可以将多个置换规则组合在一起，使得加密更加复杂。例如，可以将明文划分成若干个块，每个块按照不同的置换规则进行重新排
列，然后再将所有块合并成密文。 总之，替换和置换是古典密码运用的两种基本技术。这些技术虽然已经过时，但它们仍然对现代密码学的研究产生了影响。通过对古典密码的研究，人们可以更好地理解密码学的基本原理，从而设计出更加安全的密码系统。
古典密码运用的两种基本技术 古典密码是指使用传统的加密算法和技术进行加密和解密通信信息的 密码系统。它是密码学的起源，直到20世纪的中期被现代密码系统所取代。古典密码运用了许多不同的加密技术，但其中有两种是最基本和常见的，分别是置换技术和替换技术。 1.置换技术 置换技术是一种古老而普遍的加密方法，它通过改变字母或字符的顺 序来加密原始文本。常见的置换技术有以下几种： a. 凯撒密码（Caesar Cipher）：凯撒密码是一种基本的字母置换密码，它通过对字母表进行循环左移或右移来加密和解密文本。在凯撒密码中，每个字母都被替换为字母表中固定位置的字母，这个固定位置由一个 偏移量决定。 b. 列置换密码（Columnar Transposition Cipher）：列置换密码将 明文分成若干列，然后按照一定的顺序将这些列重新排列，形成密文。解 密时，按照相同的顺序将密文的列排列，并按列逐个读取即可恢复原始文本。 c. 群置换密码（Permutation Cipher）：群置换密码将明文中的字 母分成若干个群，然后按照一定的顺序对这些群进行重新排列，形成密文。解密时，按照相同的顺序将密文的群排列，并按群逐个读取即可恢复原始 文本。 2.替换技术
替换技术是古典密码学中另一种常见的加密技术，它通过将明文中的 字母替换为其他字母或符号来加密文本。 a.单字母替换密码：单字母替换密码使用一个简单的替换表来将明文 字母一对一地替换为其他字母或符号。替换表可以是任何形式的映射，如 字母表的逆置、移位替换等。单字母替换密码易于破解，因为它们可以通 过使用频率分析方法推断出英文字母的出现频率。 b. 多字母替换密码：多字母替换密码使用多个字母或字符的替换规 则来加密文本。常见的多字母替换密码包括维吉尼亚密码（Vigenère Cipher）和同音词替换密码（Homophonic Substitution Cipher）。多字 母替换密码相对于单字母替换密码更加安全，因为它们改变了字母的频率，并增加了破解的难度。 古典密码的运用虽然已经过时，但它们为现代密码学的发展奠定了基础，并引发了密码破解和密码分析的研究。如今，随着计算机技术的发展，现代密码系统已经取代了古典密码，采用了更加复杂和安全的加密算法和 技术，以保护通信信息的机密性和完整性。
现代密码学 实 验 报 告 院系：理学院 班级：信安二班 姓名： 学号：
前言 密码学（Cryptology）是研究秘密通信的原理和破译秘密信息的方法的一门学科。密码学的基本技术就是对数据进行一组可逆的数学变换，使未授权者不能理解它的真实含义。密码学包括密码编码学（Cryptography）和密码分析学（Cryptanalyst）两个既对立又统一的主要分支学科。研究密码变化的规律并用之于编制密码以保护信息安全的科学，称为密码编码学。研究密码变化的规律并用之于密码以获取信息情报的科学，称为密码分析学，也叫密码破译学。 密码学在信息安全中占有非常重要的地位，能够为信息安全提供关键理论与技术。密码学是一门古老而深奥的学问，按其发展进程，经历了古典密码和现代密码学两个阶段。现代密码学（Modern Cryptology）通常被归类为理论数学的一个分支学科，主要以可靠的数学方法和理论为基础，为保证信息的机密性、完整性、可认证性、可控性、不可抵赖性等提供关键理论与技术。
古典密码算法实验 在密码编码体制中有两种基本也是古老的编码体制一直沿用至今，它们是代替密码和置换密码，其历史悠久并且是现代密码体制的基本组成部分，在密码学中占有重要地位。古典密码是密码学发展的一个阶段，也是近代密码学产生的渊源，一般把Shannon 在1949 年发表“保密系统的通信理论”之前的时期称为古典密码时期。尽管古典密码大多比较简单，一般可用手工或机械方式实现，且都可用统计分析方法破译，目前已很少采用。但是，古典密码所采用的代替技术和置换技术仍然是现代分组密码算法设计的基础，了解它们的设计原理，有助于理解、设计和分析现代密码。 一、实验目的 通过编程实现经典的代替密码算法和置换密码，包括移位密码、维吉尼亚密码、周期置换密码、列置换密码，加深对代替技术的了解，为现代分组密码实验奠定基础。 二、实验原理 代替（Substitution）是古典密码中基本的处理技巧，就是将明文字母由其他字母表中的字母替换的一种方法。代替密码（Substitution Cipher）就是使用代替法进行加解密的密码算法。代替密码的密钥是一个替换表，它表示了明文字母与密文字母的对应关系。加密时，通过查表，明文字母被逐个替换后，生成看似无任何意义的字母串，即密文。解密时，逆向使用替换表，将密文字母逐个替换为明文字母。 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，代替密码可分为两类： （1）单表代替密码（Monoalphabetic Substitution Cipher）：明文中出现的同一个字母，不管它出现在什么位置，在加密时都用相同的字母来代替。移位密码就是单表代 替密码。 （2）多表代替密码（Polyalphabetic Substitution Cipher）：明文中出现的同一个字母，在加密时不是完全被相同的字母代替，而会根据其出现的位置次序用不同的字母 代替。维吉利亚密码就是多表代替密码。 1．移位密码 移位密码（Shift Cipher）是一种典型的单表替代密码，也称为加法密码。 移位密码的加密方法就是将明文中的每个字母用其在字母表后面的第k 个字母替代，它的加密过程可以表示为： c = (m + k) mo d n 其中，m 为明文字母在字母表中的位置数；n 为字母表中的字母总数；k 为密钥；c 为密 文字母在字母表中对应的位置数。相应的，移位密码的解密过程可以表示为： m = (c - k) mod n 实验代码： #include
古典密码和流密码的原理及应用 古典密码和流密码是密码学领域中两种基本的加密算法，它们分别有着不同的原理和 应用。本文将就古典密码和流密码的原理及应用进行介绍。 一、古典密码的原理及应用 古典密码是指几乎所有密码学家都熟悉的早期密码系统，它主要包括凯撒密码、替换 密码和仿射密码等。这些密码系统都是基于简单的数学运算和替换规则来对明文进行加密的。其中最为简单的凯撒密码是通过将每个字母按照一个固定的偏移量来进行位移，例如 将字母A替换为D，B替换为E，以此类推。替换密码则是通过将明文中的字母按照一个固定的规则替换成密文中的字母，而仿射密码则是通过对明文中的字母进行线性变换来得到 密文。 古典密码的应用已经不再常见，因为它们在现代密码学中已经被更为复杂和安全的加 密算法所取代。但是古典密码作为密码学的基础，仍然具有一定的研究意义。 流密码是一种对称加密算法，它利用伪随机数发生器生成的密钥流与明文进行按位运算，以此来对明文进行加密。流密码的原理就是利用密钥流与明文进行按位异或来得到密文，解密过程与加密过程相同，只需要再次与密钥流进行按位异或即可得到明文。 流密码的应用非常广泛，它可以用于保护无线通信、加密电子邮件、保护网络传输等 领域。由于流密码算法在加密速度和密钥分发方面具有优势，因此在一些对实时性要求较 高的应用中得到了广泛的应用。 三、古典密码和流密码的比较 古典密码和流密码在加密原理和应用方面有着很大的不同之处。古典密码是基于字母 替换和数学运算的原理进行加密的，它的安全性主要依赖于密钥的保密性和算法的复杂性。而流密码则是利用伪随机数发生器生成的密钥流与明文进行按位运算，从而实现加密和解 密过程。 古典密码在现代密码学中已经不再安全，因为它们容易受到频率分析等攻击手段的破解。而流密码虽然在理论上是安全的，但是其安全性主要依赖于随机数发生器的质量和伪 随机数的随机性，因此在实际应用中需要选取合适的伪随机数发生器以及适当的密钥长度 来保证安全性。 随着密码学领域的不断发展，古典密码和流密码也在不断更新和改进。在古典密码方面，研究人员通过引入更为复杂的替换规则和多轮的变换操作来提高其安全性。而在流密 码方面，研究人员则致力于改进伪随机数发生器的质量，以及设计更为复杂的流密码算法 来增强其安全性。
古典密码运用的数学知识 在现代，大量的信息都是以数字和文字的形式传递的，这些信息通常是不公开的受保护的，所以，密码学的发展对于不受损害的传输和接收信息以及对于建立一套可靠的安全系统而言，都极其重要。在密码学的研究中，古典密码学（Classical Cryptography）是一个重要分支，主要涉及数学知识，在历史上古典密码学也发挥了重要的作用，有助于信息的保密性、可靠性以及不受外界干扰的传输。 首先，什么是古典密码学？古典密码学，也称作简单密码学，是指使用不包含算法、概率等高级数学知识的简单的密码系统，这些系统被称为古典密码。古典密码学以纯粹的数学和物理知识为基础，主要是利用数学函数、等式、代数运算等知识实现密码传输和接收，这些密码技术具有可逆性和可交换性，多数古典密码技术都涉及到狭义的元素和群论学科，如圈群、多项式以及真空域的概念。 其次，古典密码的应用。在历史上，古典密码技术被用来保护统治者、军队、政府部门和军事机构等秘密活动。在战争期间，古典密码学经常被用来传递信息，以保证消息的安全性，古典密码也常常用于破解敌人的信息，以帮助军队取得胜利。在越来越多的信息安全应用领域，如网络安全、电子商务、商业数据库、金融交易等，古典密码学也被广泛用于实现安全传输、认证保护等功能。 最后，古典密码学的发展前景。随着技术的发展，古典密码学的研究也在不断发展，以适应传输信息的新趋势，其发展趋势主要集中在以下几个方面：
1、关于古典密码系统的安全性和可用性的研究，以更好地保护数字信息，抵御网络攻击以及解密对手的破译攻击； 2、对古典密码的逆向分析和改进，以提高古典密码的安全性，减少密文的大小和传输成本； 3、基于古典密码的新的密码系统的研究，开发出新的安全性、可靠性更高的安全算法； 4、基于古典密码的多媒体安全传输技术，以满足多媒体信息传输和存储的安全要求。 综上所述，古典密码学有着深厚的数学背景，它的发展和应用对于保护信息安全和不受外界干扰的传输具有重要意义，而随着网络环境和技术的发展，古典密码学也将发挥更大的作用，实现软件和硬件设备上的信息传输安全性的突破性进展。
密码学 [填空题] 1简述密码学与信息安全的关系。 参考答案：密码技术是实现网络信息安全的核心技术，是保护数据最重要的工具之一。通过加密变换，将可读的文件变换成不可理解的乱码，从而起到保护信息和数据的作用。它直接支持机密性、完整性和非否认性。 密码学尽管在网络信息安全中具有举足轻重的作用，但密码学绝不是确保网络信息安全的唯一工具，它也不能解决所有的安全问题。密码编码与密码分析是一对矛和盾的关系。 [填空题] 2简述密码学发展的三个阶段及其主要特点。 参考答案：密码学的发展大致经历了三个阶段： （1）古代加密方法。特点：作为密码学发展的起始阶段，所用方法简单，体现了后来发展起来的密码学的若干要素，但只能限制在一定范围内使用。主要基于手工的方式实现。 （2）古典密码。特点：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，它比古代加密方法更复杂，但其变化量仍然比较小。转轮机的出现是这一阶段的重要标志，传统密码学有了很大的进展，利用机械转轮可以开发出极其复杂的加密系统，缺点是密码周期有限、制造费用高等。 （3）近代密码。特点：这一阶段密码技术开始形成一门科学，利用电子计算机可以设计出更为复杂的密码系统，密码理论蓬勃发展，密码算法设计与分析互相促进，出现了大量的密码算法和各种攻击方法。另外，密码使用的范围也在不断扩张，而且出现了以DES为代表的对称密码体制和RSA为代表的非对称密码体制，制定了许多通用的加密标准，促进网络和技术的发展。 [填空题] 3近代密码学的标志是什么？ 参考答案：1949年Claude Shannon发表论文The communication theory of secrecy systems，1976年W.Diffie和M.Hellman发表论文New directions in cryptography，以及美国数据加密标准DES的实施。 [填空题] 4安全机制是什么？ 参考答案：所谓安全机制，是指用来保护系统免受侦听、阻止安全攻击及恢复
一、选择题 1、密码学包括哪两个相互对立的分支（D） A.对称加密与非对称加密 B.序列算法与分组算法 C.DES和RSA D.密码编码学与密码分析学 2、在密码学中，需要被变换的原消息被称为什么？D A.密文 B.算法 C.密码 D.明文 3、下列古典密码算法是置换密码的是（C） A.加法密码 B.Hill密码 C.多项式密码 D.栅栏式密码 4、乘数密码是（C） A.替换与变换加密 B.变换加密 C.替换密码 D.都不是 5、关于摘要函数，叙述不正确的是（C） A.输入任意大小的消息，输出时一个长度固定的摘要 B.输入消息中的任何变动都会对输出摘要产生影响 C.输入消息中的任何变动都不会对输出摘要产生影响 D.可以防止消息被篡改 6、下面关于密码算法的阐述，__D_是不正确的。 A.对于一个安全的密码算法，即使是达不到理论上的不破的，也应当实际 上是不可破的。即是说，从截获的密文或某些已知明文密文对，要决定 密钥或任意明文在计算机上是不可行的。 B.系统的保密性不依赖与对加密体制或算法的保密，而依赖于密钥(这就是 著名的Kerckhoff原则) C.数字签名的的理论基础是公钥密码体制。 D.对于使用公钥密码体制加密的密文，知道密钥的人，就一定能够解密。 7、通常使用_ C_来实现抗抵赖 A.加密 B.时间戳
C.签名 D.数字指纹 8、根据所依据的难解问题，除了_C_以外，公钥密码体制分为以下分类 A.大整数分解问题(简称IFP) B.椭圆曲线离散对数问题(简称ECDLP) C.生日悖论 D.离散对数问题(简称DLP) 9、下列算法属于Hash 算法的是（C） A.DES B.IDEA C.SHA D.RSA 10、以下各种加密算法中属于古典加密算法的是（A） A.Caesar替代法 B.DES加密算法 C.IDEA加密算法 D.Diffie-Hellman加密算法 11、以下各种加密算法中属于双钥制加密算法的是（D） A.DES加密算法 B.Caesar替代法 C.Vigenere算法 D.Diffie-Hellman加密算法 12、PKI是（B） A.Private Key Infrastructure B.Public Key Infrastructure C.Public Key Institute D.Private Key Institue 13、PKI解决信息系统中的_A__问题 A.身份信任 B.权限管理 C.安全审计 D.加密 14、下面哪一项不是一个公开密钥基础设施(PKI)的正常的部件（D） A.数字签名 B.CA中心 C.密钥管理协议 D.对称加密密钥
古典密码学简介 古典密码学 爱伦坡所说：密码可破!人类的智慧不可能造成这样的密码，使得人类本身的才智即使运用得当也无法破开它! 一、密码学的发展历程 密码学在公元前400多年就早已经产生了，正如《破译者》一书中所说“人类使用密码的历史几乎与使用文字的时间一样长”。密码学的起源的确要追溯到人类刚刚出现，并且尝试去学习如何通信的时候，为了确保他们的通信的机密，最先是有意识的使用一些简单的方法来加密信息，通过一些（密码）象形文字相互传达信息。接着由于文字的出现和使用，确保通信的机密性就成为一种艺术，古代发明了不少加密信息和传达信息的方法。例如我国古代的烽火就是一种传递军情的方法，再如古代的兵符就是用来传达信息的密令。就连闯荡江湖的侠士，都有秘密的黑道行话，更何况是那些不堪忍受压迫义士在秘密起义前进行地下联络的暗语，这都促进了密码学的发展。 事实上，密码学真正成为科学是在19世纪末和20世纪初期，由于军事、数学、通讯等相关技术的发展，特别是两次世界大战中对军事信息保密传递和破获敌方信息的需求，密码学得到了空前的发展，并广泛的用于军事情报部门的决策。例如在希特勒一上台时，德国就试验并使用了一种命名为“谜”的密码机，“谜”型机能产生220亿种不同的密钥组合，假如一个人日夜不停地工作，每分钟测试一种密钥的话，需要约4.2万年才能将所有的密钥可能组合试完，希特勒完全相信了这种密码机的安全性。然而，英国获知了“谜”型机的密码原理，完成了一部针对“谜”型机的绰号叫“炸弹”的密码破译机，每秒钟可处理2000个字符，它几乎可以破译截获德国的所有情报。后来又研制出一种每秒钟可处理5000个字符的“巨人”型密码破译机并投入使用，至此同盟国几乎掌握了德国纳粹的绝大多数军事秘密和机密，而德国军方却对此一无所知；太平洋战争中，美军成功破译了日本海军的密码机，读懂了日本舰队司令官山本五十六发给各指挥官的命令，在中途岛彻底击溃了日本海军，击毙了山本五十六，导致了太平洋战争的决定性转折。因此，我们可以说，密码学为战争的胜利立了大功。在当今密码学不仅用于国家军事安全上，人们已经将重点更多的集中在实际应用，在你的生活就有很多密码，例如为了防止别人查阅你文件，你可以将你的文件加密；为了防止窃取你钱物，你在银行账户上设置密码，等等。随着科技的发展和信息保密的需求，密码学的应用将融入了你的日常生活。 二、密码学的基础知识 密码学(Cryptogra phy)在希腊文用Kruptos(hidden)+graphein(to write)表达，现代准确的术语为“密码编制学”，简称“编密学”， 与之相对的专门研究如何破解密码的学问称之为“密码分析学”。密码学是主要研究通信安全和保密的学科，他包括两个分支：密码编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行变换，以保护信息在传递过程中不被敌方窃取、解读和利用的方法，而密码分析学则于密码编码学相反，它主要研究如何分析和破译密码。这两者之间既相互对立又相互促进。密码的基本思想是对机密信息进行伪装。一个密码系统完成如下伪装：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。以下介绍我们所研究的古典密码学。