第3章-对称密码体制

对称密码体制和⾮对称密码体制⼀、对称加密 (Symmetric Key Encryption)对称加密是最快速、最简单的⼀种加密⽅式，加密（encryption）与解密（decryption）⽤的是同样的密钥（secret key）。

对称加密有很多种算法，由于它效率很⾼，所以被⼴泛使⽤在很多加密协议的核⼼当中。

⾃1977年美国颁布DES（Data Encryption Standard）密码算法作为美国数据加密标准以来，对称密码体制迅速发展，得到了世界各国的关注和普遍应⽤。

对称密码体制从⼯作⽅式上可以分为分组加密和序列密码两⼤类。

对称加密算法的优点：算法公开、计算量⼩、加密速度快、加密效率⾼。

对称加密算法的缺点：交易双⽅都使⽤同样钥匙，安全性得不到保证。

此外，每对⽤户每次使⽤对称加密算法时，都需要使⽤其他⼈不知道的惟⼀钥匙，这会使得发收信双⽅所拥有的钥匙数量呈⼏何级数增长，密钥管理成为⽤户的负担。

对称加密算法在分布式⽹络系统上使⽤较为困难，主要是因为密钥管理困难，使⽤成本较⾼。

⽽与公开密钥加密算法⽐起来，对称加密算法能够提供加密和认证却缺乏了签名功能，使得使⽤范围有所缩⼩。

对称加密通常使⽤的是相对较⼩的密钥，⼀般⼩于256 bit。

因为密钥越⼤，加密越强，但加密与解密的过程越慢。

如果你只⽤1 bit来做这个密钥，那⿊客们可以先试着⽤0来解密，不⾏的话就再⽤1解；但如果你的密钥有1 MB⼤，⿊客们可能永远也⽆法破解，但加密和解密的过程要花费很长的时间。

密钥的⼤⼩既要照顾到安全性，也要照顾到效率，是⼀个trade-off。

分组密码：也叫块加密(block cyphers)，⼀次加密明⽂中的⼀个块。

是将明⽂按⼀定的位长分组，明⽂组经过加密运算得到密⽂组，密⽂组经过解密运算（加密运算的逆运算），还原成明⽂组，有 ECB、CBC、CFB、OFB 四种⼯作模式。

序列密码：也叫流加密(stream cyphers)，⼀次加密明⽂中的⼀个位。

对称密钥密码体制的主要特点
对称密钥密码体制⼜称单密钥密码体制，是指加密密钥和解密密钥相同的密码体制。

这种
密码体制的保密性主要取决于对密钥的保密，其加密和解密算法是公开的。

要保证对称密钥密码
体制的安全性，其加密算法必须⾜够复杂，同时其密钥必须保密并且有⾜够⼤的密钥空间，从⽽使得攻击者在截取密⽂和知道加密算法的情况下，仍然⽆法还原出明⽂。

最有影响的对称密钥密码体制是
1977年美国国家标准局颁布的数据加密标准DES。

四45五3六57十4十一34十二47没做“信息安全理论与技术”习题及答案教材：《信息安全概论》段云所，魏仕民，唐礼勇，陈钟，高等教育出版社第一章概述（习题一，p11） 1.信息安全的目标是什么答：信息安全的目标是保护信息的机密性、完整性、抗否认性和可用性；也有观点认为是机密性、完整性和可用性，即CIA(Confidentiality,Integrity,Avai lability)。

机密性（Confidentiality）是指保证信息不被非授权访问；即使非授权用户得到信息也无法知晓信息内容，因而不能使用完整性（Integrity）是指维护信息的一致性，即信息在生成、传输、存储和使用过程中不应发生人为或非人为的非授权簒改。

抗否认性（Non-repudiation）是指能保障用户无法在事后否认曾经对信息进行的生成、签发、接收等行为，是针对通信各方信息真实同一性的安全要求。

可用性（Availability）是指保障信息资源随时可提供服务的特性。

即授权用户根据需要可以随时访问所需信息。

2.简述信息安全的学科体系。

解：信息安全是一门交叉学科，涉及多方面的理论和应用知识。

除了数学、通信、计算机等自然科学外，还涉及法律、心理学等社会科学。

信息安全研究大致可以分为基础理论研究、应用技术研究、安全管理研究等。

信息安全研究包括密码研究、安全理论研究；应用技术研究包括安全实现技术、安全平台技术研究；安全管理研究包括安全标准、安全策略、安全测评等。

3. 信息安全的理论、技术和应用是什么关系如何体现答：信息安全理论为信息安全技术和应用提供理论依据。

信息安全技术是信息安全理论的体现，并为信息安全应用提供技术依据。

信息安全应用是信息安全理论和技术的具体实践。

它们之间的关系通过安全平台和安全管理来体现。

安全理论的研究成果为建设安全平台提供理论依据。

安全技术的研究成果直接为平台安全防护和检测提供技术依据。

平台安全不仅涉及物理安全、网络安全、系统安全、数据安全和边界安全，还包括用户行为的安全，安全管理包括安全标准、安全策略、安全测评等。

《密码学》教学大纲一、课程概述《密码学》是计算机科学、信息安全、数学等领域的一门综合性学科，涵盖了密码编码学、密码分析学、密钥管理等方面的知识。

本课程旨在让学生全面了解密码学的基本原理、方法和技术，掌握密码学在信息安全中的应用，并提高学生的密码学实践能力和创新思维。

二、课程目标1、理解密码学的基本概念、原理和数学基础知识，掌握密码编码学和密码分析学的基本方法。

2、掌握对称密码、非对称密码、哈希函数等常见密码体制的特点和实现原理，了解数字签名、消息认证码等应用密码学技术。

3、熟悉密码学在网络安全、数据保护等领域的应用，了解密码学的发展趋势和前沿技术。

4、培养学生的创新思维和实践能力，让学生能够根据实际需求设计和实现简单的密码学方案。

三、课程内容第一章密码学概述1、密码学的定义和历史发展2、密码学的应用领域和重要性3、密码学的分类和基本概念第二章密码编码学基础1、对称密码体制和非对称密码体制的特点和原理2、哈希函数和数字签名的概念和应用3、加密算法的设计原则和评估指标第三章对称密码体制1、数据加密标准（DES）的原理和应用2、国际数据加密算法（IDEA）的原理和应用3、分组密码和流密码的特点和实现方法第四章非对称密码体制1、RSA算法的原理和应用2、ElGamal算法和Diffie-Hellman密钥交换的原理和应用3、椭圆曲线密码学的原理和应用第五章哈希函数和数字签名1、SHA-1、SHA-256等常见哈希函数的原理和应用2、RSA数字签名算法的原理和应用3、其他数字签名方案的原理和应用，如DSA、ECDSA等第六章应用密码学技术1、数字证书和PKI系统的原理和应用2、消息认证码（MACs）和完整性校验算法的原理和应用3、零知识证明和身份基加密方案的概念和应用第七章密码分析学基础1、密码分析学的定义和重要性2、密码分析的基本方法和技巧，如统计分析、频率分析、差分分析等3、对称密码分析和非对称密码分析的特点和难点第八章密码管理基础1、密钥管理的概念和原则，如密钥生成、分发、存储、使用和销毁等2、密钥管理技术在企业和个人中的应用，如公钥基础设施（PKI）、加密磁盘等3、密码政策和安全意识教育的重要性。

《计算机信息安全技术》课后习题及参考答案第1章计算机信息安全概述习题参考答案1. 对计算机信息安全造成威胁的主要因素有哪些？答：影响计算机信息安全的因素有很多，主要有⾃然威胁和⼈为威胁两种。

⾃然威胁包括：⾃然灾害、恶劣的场地环境、物理损坏、设备故障、电磁辐射和电磁⼲扰等。

⼈为威胁包括：⽆意威胁、有意威胁。

⾃然威胁的共同特点是突发性、⾃然性、⾮针对性。

这类不安全因素不仅对计算机信息安全造成威胁，⽽且严重威胁着整个计算机系统的安全，因为物理上的破坏很容易毁灭整个计算机信息管理系统以及⽹络系统。

⼈为恶意攻击有明显的企图，其危害性相当⼤，给信息安全、系统安全带来了巨⼤的威胁。

⼈为恶意攻击能得逞的原因是计算机系统本⾝有安全缺陷，如通信链路的缺陷、电磁辐射的缺陷、引进技术的缺陷、软件漏洞、⽹络服务的漏洞等。

2. 计算机信息安全的特性有哪些？答：信息安全的特性有：⑴完整性完整性是指信息在存储或传输的过程中保持未经授权不能改变的特性，即对抗主动攻击，保证数据的⼀致性，防⽌数据被⾮法⽤户修改和破坏。

⑵可⽤性可⽤性是指信息可被授权者访问并按需求使⽤的特性，即保证合法⽤户对信息和资源的使⽤不会被不合理地拒绝。

对可⽤性的攻击就是阻断信息的合理使⽤。

⑶保密性保密性是指信息不被泄露给未经授权者的特性，即对抗被动攻击，以保证机密信息不会泄露给⾮法⽤户或供其使⽤。

⑷可控性可控性是指对信息的传播及内容具有控制能⼒的特性。

授权机构可以随时控制信息的机密性，能够对信息实施安全监控。

⑸不可否认性不可否认性也称为不可抵赖性，即所有参与者都不可能否认或抵赖曾经完成的操作和承诺。

发送⽅不能否认已发送的信息，接收⽅也不能否认已收到的信息。

3. 计算机信息安全的对策有哪些？答：要全⾯地应对计算机信息安全问题，建⽴⼀个⽴体的计算机信息安全保障体系，⼀般主要从三个层⾯来做⼯作，那就是技术、管理、⼈员。

（1）技术保障指运⽤⼀系列技术层⾯的措施来保障信息系统的安全运营，检测、预防、应对信息安全问题。

对称密码体制对称密码体制是一种有效的信息加密算法，它尝试在满足基本安全约束的同时提供最大的加密强度和性能。

它是最常用的信息加密类型之一，甚至在金融机构、政府机构、企业以及个人之间都被广泛使用。

对称密码体制通过使用单个密钥（称为“秘密密钥”）来确保信息的安全传输和接收，而无需在发送方和接收方之间共享保密信息。

这一密钥的特点在于，既可以用来加密信息，也可以用于解密信息。

由于秘密密钥是由发送方和接收方共同拥有，因此不需要额外的通信，也无需额外的身份验证。

在使用对称密码体制时，发送方必须在发送数据之前将其加密，而接收方则必须使用相同的密钥对数据进行解密，以此来识别发送方。

然而，有一种特殊情况除外，即发送方可以使用密钥来加密消息，而接收方可以使用相同的密钥来解密消息，而无需在发送方和接收方之间共享信息。

在实际使用中，对称密码体制有三种形式：数据加密标准（DES）、高级加密标准（AES）和哈希密码（HMAC）。

其中，DES是一种最常用的对称密码体制，它采用了比较古老的56位密钥来加密数据，并且它的加密强度受到比较严格的限制。

而AES是一种更新的，比DES更安全的对称加密算法，它使用128位或256位密钥，并且可以提供更强的安全性和性能。

最后，HMAC是一种哈希加密算法，它使用128位或256位密钥来确保信息的完整性和真实性，同时也可以使用相同的密钥来加密和解密数据。

对称密码体制是一种有效的信息加密算法，它在满足基本安全约束的同时还能提供最大的加密强度和最高的性能。

它是最常用的信息加密类型之一，甚至在金融机构、政府机构、企业以及个人之间都被广泛使用，并且有三种形式：数据加密标准（DES）、高级加密标准（AES）和哈希密码（HMAC），可以满足各种要求。

其中，AES可以提供更高的安全性和性能，而HMAC可以确保信息的完整性和真实性，因此在实际应用中，对称密码体制也被广泛应用。

对称密码体制在许多领域都有着广泛的应用，尤其是在安全传输方面。

对称密钥密码体制的原理和特点一、对称密钥密码体制的原理1. 对称密钥密码体制是一种加密方式，使用相同的密钥进行加密和解密。

2. 在对称密钥密码体制中，加密和解密使用相同的密钥，这个密钥必须保密，只有合法的用户才能知道。

3. 对称密钥密码体制使用单一密钥，因此在加密和解密过程中速度较快。

4. 对称密钥密码体制中，发送者和接收者必须共享同一个密钥，否则无法进行加密和解密操作。

二、对称密钥密码体制的特点1. 高效性：对称密钥密码体制使用单一密钥进行加密和解密，因此速度较快，适合于大量数据的加密和解密操作。

2. 安全性有限：尽管对称密钥密码体制的速度较快，但密钥的安全性存在一定的风险。

一旦密钥泄露，加密数据可能会遭到破解，因此密钥的安全性对于对称密钥密码体制至关重要。

3. 密钥分发困难：在对称密钥密码体制中，发送者和接收者必须共享同一个密钥，因此密钥的分发和管理可能会存在一定的困难。

4. 密钥管理困难：对称密钥密码体制密钥的管理和分发往往需要借助第三方机构或者密钥协商协议来实现，这增加了密钥管理的复杂性。

5. 广泛应用：尽管对称密钥密码体制存在一定的安全性和管理困难，但由于其高效性，仍然广泛应用于网络通信、金融交易等领域。

对称密钥密码体制是一种加密方式，使用相同的密钥进行加密和解密。

它具有高效性和广泛应用的特点，然而安全性较差并且密钥管理困难。

在实际应用中，需要权衡其优劣势，并采取相应的安全措施来确保其安全性和有效性。

对称密钥密码体制的应用对称密钥密码体制作为一种快速高效的加密方式，在现实生活中有着广泛的应用。

主要的应用领域包括网络通信和数据传输、金融交易、安全存储、以及移动通信等。

1. 网络通信和数据传输在网络通信和数据传输中，对称密钥密码体制被广泛应用于加密数据传输过程。

在互联网传输中，大量的数据需要在用户和服务器之间进行传输，为了保护数据的安全性，对称密钥密码体制被用来加密数据，确保传输过程中数据不被窃取或篡改。

第1章信息安全概述1．被动攻击：攻击者在未被授权的情况下，非法获取信息或数据文件，但不对数据信息作任何修改。

被动攻击手段：搭线监听、无线截获、其他截获、流量分析阻止被动攻击：加密对付被动攻击的重点是预防，不是检测被动攻击使得机密信息被泄露，破坏了信息的机密性2．主动攻击：包括对数据流进行篡改或伪造主动攻击四种类型：伪装、重放、消息篡改、拒绝服务伪装、重放、消息篡改，破坏了信息的完整性，拒绝服务，破坏了信息系统的可用性3．信息安全的目标：机密性：Confidentiality，指保证信息不被非授权访问。

完整性：Integrity，指信息在生成、传输、存储和使用过程中不应被第三方篡改。

可用性：Availability，指授权用户可以根据需要随时访问所需信息。

其它信息安全性质：可靠性，不可抵赖性，可审查性，可控性4．信息安全基础研究的主要内容：密码学研究和网络信息安全基础理论研究密码理论是信息安全的基础，信息安全的机密性，完整性和抗否认性都依赖密码算法密码学的主要研究内容是：加密算法（保护信息机密性）消息认证算法（保护信息的完整性）数字签名算法（保护信息的抗否认性）密钥管理5．网络攻击方式：①泄密：将消息透露给未被授权的任何人或程序②传输分析：分析通信双方的通信模式③伪装：欺诈源向网络中插入一条消息④内容修改：对消息内容进行插入、删除、转换或修改⑤顺序修改：对通信双方的消息顺序进行插入、删除或重新排序⑥计时修改：对消息的延时和重放⑦发送方否认：发送方否认发过来某消息⑧接收方否认：接收方否认接收到某消息6．安全理论的主要内容：身份认证、授权和访问控制、安全审计和安全协议7．安全技术：防火墙技术、漏洞扫描和分析、入侵检测、防病毒等8．平台安全：物理安全、网络安全、系统安全、数据安全、用户安全和边界安全物理安全是指保障信息网络物理设备不受物理损害，或是损坏时能及时修复或替换，通常是针对设备的自然损害、人为破坏或灾害损害而提出的网络安全的目标是防止针对网络平台的实现和访问模式的安全威胁9．信息安全管理研究：①安全策略研究，主要内容包括安全风险评估、安全代价评估、安全机制的制定以及安全措施的实施和管理等安全策略是安全系统设计、实施、管理和评估的依据②安全标准研究，主要内容包括安全等级划分、安全技术操作标准、安全体系结构标准、安全产品测评标准和安全工程实施标准等③安全测评研究，主要内容有测评模型、测评方法、测评工具、测评规程等第2章密码学基础1．研究各种加密方案的学科称为密码编码学，加密方案则被称为密码体制或者密码，研究破译密码的学科称为密码分析学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，但具体对于某次加密过程中所使用的密钥则是保密的2．根据密钥的使用方式分类：对称密码体制（秘密钥密码体制）和非对称密码体制（公钥密码体制）对称密码体制分为两类：序列密码或流密码，分组密码3．攻击密码体制一般有两种方法：密码分析和穷举攻击穷举攻击是指攻击者对一条密文尝试所有可能的密钥，直到把它转化成为可读的有意义明文如果无论有多少可以使用的密文，都不足以唯一地确定在该体制下地密文所对应的明文，则此加密体制是无条件安全的5．加密算法应该至少满足下面的两个条件之一：①破译密码的代价超出密文信息的价值②破译密码的时间超出密文信息的有效期满足上述两个条件之一的密码体制被称为在计算上是安全的第3章对称密码体制1．雪崩效应：明文或密钥的微小改变将对密文产生很大的影响2．弱密钥：DES算法在每次迭代时都有一个子密钥供加密用，如果一个外部密钥所产生的所有子密钥都是一样的，则这个密钥就称为弱密钥。

1.密码体制分类：1）对称密码体制（密钥必须完全保密、加密与解密密钥相同，或可由其中一个很容易推出另一个，又称秘密密钥、单钥、传统密码体制，包括分组密码和序列密码）优点：加解密速度较快，有很高的数据吞吐率；使用的密钥相对较短；密文的长度与明文长度相同；缺点：密钥分发需要安全通道；密钥量大，难于管理；难以解决不可否认问题。

2）非对称密码体制（使用两个密钥，一个是对外公开的公钥，一个是必须保密的私钥，不能由公钥推出私钥，又称双钥或公开密钥密码体制）优点：密钥的分发相对容易；密钥管理简单；可以有效地实现数字签名。

缺点：与对称密码体制相比，非对称密码体制加解密速度较慢；同等安全强度下，非对称密码体制要求的密钥位数要多一些；密文的长度往往大于明文长度。

2.AES与DES对比：1）相似处：二者的圈（轮）函数都是由3层构成：非线性层、线性混合层、子密钥异或，只是顺序不同；AES的子密钥异或对应于DES中S盒之前的子密钥异或；AES的列混合运算的目的是让不同的字节相互影响，而DES中F函数的输出与左边一半数据相加也有类似的效果；AES的非线性运算是字节代换，对应于DES中唯一的非线性运算S盒；行移位运算保证了每一行的字节不仅仅影响其它行对应的字节，而且影响其他行所有的字节，这与DES中置换P相似。

2）不同之处：AES的密钥长度（128位192位256位）是可变的，而DES的密钥长度固定为56位；DES是面向比特的运算，AES是面向字节的运算；AES的加密运算和解密运算不一致，因而加密器不能同时用作解密器，DES 则无此限制。

3.Hash函数：也称散列、哈希、杂凑函数等，是一个从消息空间到像空间的不可逆映射；可将任意长度的输入经过变换得到固定长度的输出；是一种具有压缩特性的单向函数。

性质：1）H可应用于任意长度的消息2）H产生定长的输出3）对任意给定的消息x，计算H（x）较容易，用硬件和软件均可实现4）单向性5）抗弱碰撞性6）抗强碰撞性应用：数字签名；生成程序或者文档的数字指纹；用于安全传输和存储口令特点：1）输入数字串与输出数字串具有唯一的对应关系;输入数字串中2）任何变化会导致输出数字串也发生变化;从输出数字串不能够反求出输入数字串。

简述密码体制的分类方法密码体制的分类方法主要有以下几种：1. 对称密码体制（Symmetric Cryptography）：也称为传统密码体制，加密和解密使用相同的密钥。

常见的对称密码算法有DES、AES等。

对称密码的优点是运算速度快，缺点是密钥管理困难，需要安全地分发和保存密钥。

2. 非对称密码体制（Asymmetric Cryptography）：也称为公钥密码体制，加密和解密使用不同的密钥。

公钥用于加密，私钥用于解密。

常见的非对称密码算法有RSA、DSA等。

非对称密码的优点是密钥管理方便，缺点是运算速度慢。

3. 散列函数（Hash Function）：散列函数将输入的任意长度的数据映射为固定长度的输出，常用于数据的完整性验证和密码存储。

常见的散列算法有MD5、SHA-1、SHA-256等。

4. 消息认证码（Message Authentication Code）：消息认证码通过对消息进行加密并附加校验值（MAC）来实现消息的完整性和认证。

常见的MAC算法有HMAC、CMAC等。

5. 数字签名（Digital Signature）：数字签名用于确认消息的发送者身份和保证消息的完整性和不可抵赖性。

常见的数字签名算法有RSA、DSA等。

6. 公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）：PKI是一种基于非对称密码体制的密码体系，通过证书颁发机构（Certification Authority，CA）对公钥进行认证和管理，从而实现安全的交流和身份验证。

这些分类方法根据密码体制的特点和用途来进行划分，每种密码体制都有不同的应用场景和安全特性，根据具体的需求选择合适的密码体制可以保证信息的安全与可靠性。

_四45五3六57十4十一34十二47没做“信息安全理论与技术”习题及答案教材：《信息安全概论》段云所，魏仕民，唐礼勇，陈钟，高等教育出版社第一章概述（习题一，p11）1.信息安全的目标是什么？答：信息安全的目标是保护信息的机密性、完整性、抗否认性和可用性；也有观点认为是机密性、完整性和可用性，即CIA(Confidentiality,Integrity,Availability)。

机密性（Confidentiality）是指保证信息不被非授权访问；即使非授权用户得到信息也无法知晓信息内容，因而不能使用完整性（Integrity）是指维护信息的一致性，即信息在生成、传输、存储和使用过程中不应发生人为或非人为的非授权簒改。

抗否认性（Non-repudiation）是指能保障用户无法在事后否认曾经对信息进行的生成、签发、接收等行为，是针对通信各方信息真实同一性的安全要求。

可用性（Availability）是指保障信息资源随时可提供服务的特性。

即授权用户根据需要可以随时访问所需信息。

2.简述信息安全的学科体系。

解：信息安全是一门交叉学科，涉及多方面的理论和应用知识。

除了数学、通信、计算机等自然科学外，还涉及法律、心理学等社会科学。

信息安全研究大致可以分为基础理论研究、应用技术研究、安全管理研究等。

信息安全研究包括密码研究、安全理论研究；应用技术研究包括安全实现技术、安全平台技术研究；安全管理研究包括安全标准、安全策略、安全测评等。

3. 信息安全的理论、技术和应用是什么关系？如何体现？答：信息安全理论为信息安全技术和应用提供理论依据。

信息安全技术是信息安全理论的体现，并为信息安全应用提供技术依据。

信息安全应用是信息安全理论和技术的具体实践。

它们之间的关系通过安全平台和安全管理来体现。

安全理论的研究成果为建设安全平台提供理论依据。

安全技术的研究成果直接为平台安全防护和检测提供技术依据。

平台安全不仅涉及物理安全、网络安全、系统安全、数据安全和边界安全，还包括用户行为的安全，安全管理包括安全标准、安全策略、安全测评等。