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高级密码学(第7讲)

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清华大学出版社 密码学PPT课件

清华大学出版社 密码学PPT课件

✓ 二十世纪末的AES算法征集活动使密码学界又掀起了一次分组密码研究的 高潮。同时，在公钥密码领域，椭圆曲线密码体制由于其安全性高、计算 速度快等优点引起了人们的普遍关注和研究，并在公钥密码技术中取得重 大进展。
✓ 在密码应用方面，各种有实用价值的密码体制的快速实现受到高度重视， 许多密码标准、应用软件和产品被开发和应用，美国、德国、日本和我国 等许多国家已经颁布了数字签名法，使数字签名在电子商务和电子政务等
同时在公钥密码领域椭囿曲线密码体制由于其安全性高计算速度快等优点引起了人们的普遍关注和研究幵在公钥密码技术中叏得重在密码应用斱面各种有实用价值的密码体制的快速实现叐到高度重视许多密码标准应用软件和产品被开収和应用美国德国日本和我国等许多国家巫经颁布了数字签名法使数字签名在电子商务和电子政务等领域得到了法律的认可推劢了密码学研究和应用的収展
可以对用该密钥加密的任何新的消息进行解密。
④ 选择密文攻击(Chosen—ciphenext attack)
选择密文攻击是指密码分析者可以选择一些密文，并得到相应的明文
1.3.3 对密码系统的攻击
密码分析者破译或攻击密码的方法主要有穷举攻击法、统计分析法和数学分 析攻击法。
（1）穷举攻击法
穷举攻击法又称为强力或蛮力（Brute force）攻击。这种攻击方法是 对截获到的密文尝试遍历所有可能的密钥，直到获得了一种从密文到明文的 可理解的转换；或使用不变的密钥对所有可能的明文加密直到得到与截获到 的密文一致为止。
1.3.1密码学的主要任务（续）
③ 鉴别
这是一种与数据来源和身份鉴别有关的安全服务。鉴别服务包括对身份 的鉴别和对数据源的鉴别。对于一次通信，必须确信通信的对端是预期的实 体，这就涉及到身份的鉴别。
现代密码学--第7讲

现代密码学--第7讲


33
第4周第2次课
现代密码学
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第4周第2次课
现代密码学
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第4周第2次课
现代密码学
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第4周第2次课
现代密码学
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第4周第2次课
现代密码学
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思考题
请对Page 54-55中的各个例子进行验证.
第4周第2次课
现代密码学
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Q&A?
第4周第2次课 现代密码学 40
Thanks For Your Attentions
现代密码学
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现代密码学
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现代密码学
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4.5 高级加密标准AES
第4周第2次课
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第4周第2次课
现代密码学
现代密码学--第7讲
主讲教师：张 龙
第4周第2次课
现代密码学
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第4章 分组密码（续）
第4周第2次课
现代密码学
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4.1 分组密码的基本原理 4.2 数据加密标准DES 4.3 多重DES 4.4 DES的工作模式 4.5 高级加密标准AES
第4周第2次课
现代密码学
3
4.3 多重DES第4Βιβλιοθήκη 第2次课现代密码学4
第4周第2次课
现代密码学
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第4周第2次课
现代密码学
密码学——精选推荐

密码学——精选推荐

密码学密码学符号说明：D(K,Y) ⽤密钥K和对称算法解密密⽂YD(PR a,Y) ⽤A的私钥PR a和⾮对称算法解密密⽂YD(PU a,Y) ⽤A的公钥PR a和⾮对称算法解密密⽂YE(K,X) ⽤密钥K和对称算法加密明⽂XE(PR a,,X) ⽤A的私钥和对称算法加密明⽂XE(PU a,X) ⽤A的公钥和对称算法加密明⽂XK 密钥PR a⽤户A的私钥PU a⽤户A的公钥C 密⽂P 明⽂gcb(a,b) 表⽰a和b的最⼤公因⼦OSI安全框架安全攻击:分为被动攻击和主动攻击。

被动攻击包括⾮授权阅读消息、⽂件以及流量分析。

主动攻击包括对消息或⽂件的篡改以及拒绝服务等。

安全机制：安全机制是⼀种处理过程（或实现该处理过程的设备），⽤来检测、阻⽌攻击或者从攻击状态恢复为正常状态。

安全机制的例⼦有加密算法、数字签名和认证协议。

安全服务：安全服务包括认证、访问控制、数据保密性、数据完整性、⾮否认性以及可⽤性。

密码算法和协议的4个领域对称加密：⽤于加密任意⼤⼩的数据块或数据流的内容，包括消息、⽂件、加密密钥和⼝令。

⾮对称加密：⽤于加密⼩的数据块，如加密密钥或数字签名中使⽤的Hash函数值。

数据完整性算法：⽤于保护数据块（例如⼀条消息）的内容免于修改。

认证协议：有许多基于密码算法的认证⽅案，⽤来认证实体的真实性。

对称密码模型对称加密⽅案有5个基本成分明⽂：原始可理解的消息或数据，是算法的输⼊加密算法：加密算法对明⽂进⾏各种代替和变换密钥：密钥也是加密算法的输⼊。

密钥独⽴于明⽂和算法。

算法根据所⽤的特定密钥⽽产⽣不同的输出。

算法所⽤的确切代替和变换也依靠密钥。

密⽂：作为算法的输出，看起来完全随机⽽杂乱的消息，依赖于明⽂和密钥。

对于给定的消息，不同的密钥产⽣不同的密⽂，密⽂看上去是随机的数据流，并且其意义是不可理解的。

解密算法：本质上是加密算法的逆运算。

输⼊密⽂和密钥，输出原始明⽂。

注：发送者和接收者必须在某种安全的形式下获得密钥并且必须保证密钥安全。

密码学入门7(猪圈密码)

密码学入门7(猪圈密码)

制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码




猪圈密码（亦称朱高密码、共济会暗号、共济会密码或共济会员密码），是 一种以格子为基础的简单替代式密码。即使使用符号，也不会影响密码分析， 亦可用在其它替代式的方法。 这是一种外形古怪的密码，已经传递了几百年。没有人明确知道它是什么时 候发明的，但这个密码被一个叫“自由石匠”的组织所使用，也被美国内战 时的盟军所使用。 早在1700年代，共济会常常使用这种密码，保护一些私密纪录或用来通讯， 所以又称共济会密码。 在丹· 布朗《失落的秘符》书中曾提到，但此密码为幼儿级水平，易破解。
不会影响密码分析，指的是影响频率分析
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码


优缺点分析 优点：简单，方便，容易书写，适合书面上的密码通讯，并且好记。 缺点："太出名"密码最怕的就是太出名，一但出名它就会毫无秘密可言，知道 的人就知道，不知道的人就不知道。 所以呀还是自创吧，建议不要用现成的。
制作者：0风雨中的回忆0

变种制作方法
制作者：0风雨中的回忆0
制作者：0风雨本身比较简单，就不再介绍加解密方式了，直接上密码表。
这是原始版的密码表
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
这是改良版的密码表
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码

个人觉得上面两种不怎么样，下面看一种高级版的，很有想法。
下面介绍一下制作方法，绝对一看就懂
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
《高级加密标准》PPT课件

《高级加密标准》PPT课件

2021/3/8
结尾轮变换 FinalRound(State,
RoundKey) {
ByteSubstituion; ByteRotation; AddRoundKey; }
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ByteSubstitution(字节替代)
ByteSubstitution是一个非线性的字节替代，独立地在 每个状态字节上进行运算。它包括两个变换。
x0
0
x1
1
x2
1
x3
0
x4 ＋ 0
x5
0
x6
1
x7
1
15
Fig 6. ByteSubstitution
该变换可以用一个256字节的表来实现
A0,0 A0,1 A0,2 A0,3 A1,0 A1,1 A1,2 A1,3 A2,0 A2,1 A2,2 A2,3 A3,0 A3,1 A3,2 A3,3
3 7 11 15 19 23 27 31
2021/3/8
8
一些相关的的术语定义和表示
• 状态（State）：密码运算的中间结果称为状态。
• State的表示：状态用以字节为基本构成元素的矩 阵阵列来表示，该阵列有4行，列数记为Nb。 Nb=分组长度（bits）÷ 32 Nb可以取的值为4，6，8，对应的分组长度为128， 192， 256 bits。
• 能抵抗所有已知的攻击； • 在各种平台上易于实现，速度快； • 设计简单。
Rijndael是一个分组密码算法，其 分组长度和密钥长度相互独立，都可以 改变。
2021/3/8
3
表 1. 分组长度和密钥长度的不同取值
分组长度 （bit）
128
密钥长度 （bit）
128
武汉大学《密码学》课件第二讲 密码学的基本概论

武汉大学《密码学》课件第二讲 密码学的基本概论

⑶ 迭代与乘积
z 迭代：设计一个轮函数，然后迭代。 z 乘积：将几种密码联合应用。
28
三、古典密码
虽然用近代密码学的观点来看，许多古 典密码是很不安全的。但是我们不能忘记古 典密码在历史上发挥的巨大作用。
另外，编制古典密码的基本方法对于编制 近代密码仍然有效。 z 古典密码编码方法：
置换，代替，加法
③商用密码：
用于保护国家和事企业单位的非机密的敏感信息。
④个人密码：
用于保护个人的隐私信息。 前三种密码均由国家密码管理局统一管理！
6
一、我国的密码政策
我国商用密码政策：
①统一领导：
国家密码管理局统一领导。
②集中管理：
国家密码管理局办公室集中管理。
③定点研制：
只允许定点单位进行研制。
④专控经营：
经许可的单位才能经营。
显然，理论上，对于任何可实用密码只要有足够 的资源，都可以用穷举攻击将其改破。
20
二、密码学的基本概念
5、密码分析 z穷举攻击 实例
1997年美国一个密码分析小组宣布：1万多人参 加，通过INTERNET网络，利用数万台微机，历 时4个多月，通过穷举攻破了DES的一个密文。
美国现在已有DES穷举机，多CPU并行处理，24 小时穷举出一个密钥。
性传输密钥，利用模2加进行加密，而且按一次一密方式 工作
16
二、密码学的基本概念
3、密码体制的分类
z 从是否基于数学划分 ⑵基于非数学的密码 ②DNA密码
基于生物学中的困难问题 由于不基于计算，所以无论计算机的计算能力多么强大，
与DNA密码都是无关的 尚不成熟
17
二、密码学的基本概念
E0
E1
07密码学与网络安全第七讲

07密码学与网络安全第七讲

密码学与网络安全第七讲身份鉴别讨论议题1.鉴别的基本概念2.鉴别机制3.鉴别与交换协议4.典型鉴别实例一、鉴别的基本概念1、鉴别--Authentication鉴别就是确认实体是它所声明的,也就是确保通信是可信的。

鉴别是最重要的安全服务之一，鉴别服务提供了关于某个实体身份的保证。

（所有其它的安全服务都依赖于该服务）；鉴别可以对抗假冒攻击的危险。

2、鉴别的需求和目的1)问题的提出：身份欺诈；2)鉴别需求：某一成员（声称者）提交一个主体的身份并声称它是那个主体。

3)鉴别目的：使别的成员（验证者）获得对声称者所声称的事实的信任。

3、身份鉴别定义：证实客户的真实身份与其所声称的身份是否相符的过程。

依据：1)密码、口令等；2)身份证、护照、密钥盘等3)指纹、笔迹、声音、虹膜、DNA等4)协议4、鉴别协议•双向鉴别(mutual authentication)• 单向鉴别(one-way authentication)1）双向鉴别协议：最常用的协议。

该协议使得通信各方互相认证鉴别各自的身份，然后交换会话密钥。

• 基于鉴别的密钥交换核心问题有两个：–保密性：确保信息的机密性，阻止截取、窃听等攻击；–实效性；阻止冒充、篡改、重放等攻击。

为了防止伪装和防止暴露会话密钥，基本身份信息和会话密钥信息必须以保密形式通信，这就要求预先存在密钥或公开密钥供实现加密使用。

第二个问题也很重要，因为涉及防止消息重放攻击。

鉴别的两种情形• 鉴别用于一个特定的通信过程，即在此过程中需要提交实体的身份。

1）实体鉴别（身份鉴别）：某一实体确信与之打交道的实体正是所需要的实体。

只是简单地鉴别实体本身的身份，不会和实体想要进行何种活动相联系。

在实体鉴别中，身份由参与某次通信连接或会话的远程参与者提交。

这种服务在连接建立或在数据传送阶段的某些时刻提供使用, 使用这种服务可以确信(仅仅在使用时间内)：一个实体此时没有试图冒充别的实体, 或没有试图将先前的连接作非授权地重演。

密码学入门7(猪圈密码)(精品课件)

密码学入门7(猪圈密码)(精品课件)

早在1700年代，共济会常常使用这种密码，保护一些私密纪录或用来通讯， 所以又称共济会密码。
在丹·布朗《失落的秘符》书中曾提到，但此密码为幼儿级水平，易破解。
不会影响密码分析，指的是影响频率分析
制作者：0风雨中的回忆0猪源自密码优缺点分析 优点：简单，方便，容易书写，适合书面上的密码通讯，并且好记。 缺点："太出名"密码最怕的就是太出名，一但出名它就会毫无秘密可言，知道
的人就知道，不知道的人就不知道。 所以呀还是自创吧，建议不要用现成的。
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
由于密码本身比较简单，就不再介绍加解密方式了，直接上密码表。
这是原始版的密码表
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
这是改良版的密码表
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
个人觉得上面两种不怎么样，下面看一种高级版的，很有想法。
下面介绍一下制作方法，绝对一看就懂
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
变种制作方法
制作者：0风雨中的回忆0
制作者：0风雨中的回忆0
制作者：0风雨中的回忆0
猪圈密码
猪圈密码（亦称朱高密码、共济会暗号、共济会密码或共济会员密码），是 一种以格子为基础的简单替代式密码。即使使用符号，也不会影响密码分析， 亦可用在其它替代式的方法。
这是一种外形古怪的密码，已经传递了几百年。没有人明确知道它是什么时 候发明的，但这个密码被一个叫“自由石匠”的组织所使用，也被美国内战 时的盟军所使用。
密码学高级算法

密码学高级算法

密码学高级算法
一些常见的密码学高级算法包括：
1. 高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）：一种对称密钥加密算法，用于替代DES加密算法。

2. 椭圆曲线密码学（Elliptic Curve Cryptography，ECC）：一种非对称密钥加密算法，具有相同的安全性能却使用更短的密钥。

3. 公钥基础设施（Public Key Infrastructure，PKI）：用于建立和管理公钥密码体系结构，包括数字证书、证书颁发机构等。

4. RSA加密算法：一种非对称密钥加密算法，广泛用于数据加密和数字签名中。

5. Diffie-Hellman密钥交换：一种协议，用于在通信双方之间安全地共享密码。

6. 密码哈希函数（Cryptographic Hash Function）：用于将数据转换为固定长度的哈希值，常用于密码验证和数字签名中。

7. 高级消息认证码（HMAC）：一种用于验证消息完整性和真实性的算法，结合了密钥和哈希函数。

8. 蜜罐技术（Honeypot）：一种诱骗黑客攻击的虚拟环境，用于收集攻击者的信息和行为。

以上只是一些常见的密码学高级算法，随着技术的不断发展，还会涌现出更多新的算法。

密码学简介68891

密码学简介68891

（4）若p1=p2，则插入一个事先约定的字母于重复字母 之间，并用前述方法处理。
（5）若明文字母为奇数个，则在明文的末端添加某个约 定好的字母作为填充。
例：密钥为monarchy，构造的字母矩阵 如下：
MON A R C HY BD E F G I/J K
L P QS T
U V WX Z
(3)按密钥决定的次序按列一次读出
14235 c r ypt ogr ap
密钥中字 母在英文 字母表中 出现的次 序为 14235
hyi s a
nappl
i edsc 故时：的C换r位yp加to密gria密p文hy为ies:a：nCapOnpHliNedIIscYciRenIcPeD.e密N钥P为AScPreSnCy
MD5的破解
2004年8月17日，美国加州圣巴巴拉的国际密码 学会议（Crypto’2004）上，来自中国山东大学 的王小云教授做了破译MD5、HAVAL-128、 MD4和RIPEMD算法的报告，公布了MD系列算 法的破解结果。
MD5密码算法，运算量达到2的80次方。即使采 用现在最快的巨型计算机，也要运算100万年以上 才能破解。但王小云和她的研究小组用普通的个人 电脑，几分钟内就可以找到有效结果。
个字母）
(1)若p1,p2在同一行，则对应的密文c1,c2分别是紧靠 p1 p2右端的字母。其中第一列被看作是最后一列的右方。
（2）若p1,p2在同一列，则对应的密文c1,c2分别是紧 靠p1 p2下方的字母。其中第一行被看作是最后一行的下 方。
（3）若p1,p2不在同一行也不在同一列，则对应的密文 c1,c2是由p1 p2确定的矩阵的其它两角的字母。且c1和 p1同行，c2和p2同行。
武汉大学《密码学》课件第十讲 公钥密码(2)

武汉大学《密码学》课件第十讲 公钥密码(2)

z 设用同一个k加密两个不同的明文M和M’，相应的密 文为（C1 ，C2）和（C1’，C2’）。因为C2∕C2’＝ M∕M’，如果攻击者知道M，则很容易求出M’。
13
二、EIGamal公钥密码
⑸ ElGamal密码的应用
z 由于ElGamal密码的安全性得到世界公认，所以得 广泛的应用。著名的美国数字签名标准DSS，采用 ElGamal密码的一种变形。
y =αx mod p，1≤x≤p-1,
6
一、离散对数问题
2、离散对数问题
③求对数 x 的运算为 x=logαy，1≤x≤p-1
由于上述运算是定义在有限域Fp 上的，所以称为离散 对数运算。
z 从x计算y是容易的。可是从y计算x就困难得多，利 用目前最好的算法，对于小心选择的p将至少需用 O(p ½)次以上的运算，只要p足够大，求解离散对数 问题是相当困难的。
8
二、EIGamal公钥密码
⑵ 加密
z 将 明 文 消 息 M （ 0≤M≤p-1) 加 密 成 密 文 的 过 程 如 下：
①随机地选取一个整数k，2≤k≤p-2。 ②计算： U ＝y k mod p；
C1＝αk mod p；
C2＝UM mod p； ③取 C＝（C1 ，C2）作为的密文。
9
二、EIGamal公钥密码
z 椭圆曲线密码已成为除RSA密码之外呼声最高的公 钥密码之一。
z 它密钥短，软件实现规模小、硬件实现电路节省。 z 由于椭圆曲线离散对数问题尚没有发现亚指数算
法 ， 所 以 普 遍 认 为 ， 椭 圆 曲 线 密 码 比 RSA 、 ElGamal密码更安全。160位长的椭圆曲线密码的安 全性相当于1024位的RSA密码，而且运算速度也较 快。

第七讲 祖冲之密码 武汉大学密码学

9
三、线性移位寄存器序列密码
z 回忆：GF（2）上的线性移位寄存器
g(x)=x4+x+1 g0=1
S0
g1=1
S1
g2=0
S2
g3=0
S3→v，v是临时工作变量 S1→S0， S2→S1， S3→S2， v →S3
10
三、线性移位寄存器序列密码
2. 密钥输出阶段，每运行一个节拍，执行下列过程 一次，并输出一个32比特的密钥字Z：
① BitReconstruction()； ② Z = F (X0, X1, X2) ⊕ X3； ／产生32位密钥字Z／ ③ LFSRWithWorkMode()。
23
三、基于ZUC的机密性算法128-EEA3
密码学
第七讲 祖冲之密码
张焕国 武汉大学计算机学院 空天信息安全与可信计算教育部重点实验室
目录
第一讲 第二讲 第三讲 第四讲 第五讲 第六讲 第七讲 第八讲 第九讲 信息安全概论 密码学的基本概念 数据加密标准（DES） 高级数据加密标准（AES） 中国商用密码SMS4与分组密码应用技术 序列密码基础 祖冲之密码 中国商用密码HASH函数SM3 复习
z 用途
主要用于4G移动通信中移动用户设备UE和无线网络控制 设备RNC之间的无线链路上通信信令和数据的加解密工 作阶段： 加解密框图
DIRECTION BEARER LENGTH COUNT LENGTH CK DIRECTION BEARER COUNT
CK
ZUC 密钥序列字 明文 发送方 密文
2
目录
第十讲 第十一讲 第十二讲 第十三讲 第十四讲 第十五讲 第十六讲 第十七讲 第十八讲 公钥密码基础 中国商用公钥密码SM2加密算法 数字签名基础 中国商用公钥密码SM2签名算法 认证 密码协议 密钥管理：对称密码密钥管理 密钥管理：公钥密码密钥管理 复习

高级密码学数论初步

若 i j(1 , j (n)) ，同时有 kai kaj (modn) 则有k(ai a j ) 0 (modn) 或 n | k(ai aj ) 0 (modn)
由（k，n）=1得
n | (ai a j )
（3）再乘以3 4 3mod 7 5
对于上式指数运算作取模运算时，我们必须要小心，不 能冒然作取指数运算，因为
(at modn ) modn 一般不等于 at modn
(25mod3 ) mod3 1 但 25 mod3 2
定理3.3 设n是一正整数，a1，a2，b1，b2是四个整数，如 果
证： 若 a b (modn) 则存在整数k使得：a=b+kn 从而有：
b=a+(-k)n 因此有
b a (modn)
(3)传递性
若 a b (modn) , b c (modn)
则 a c (modn)
证: 若 a b (modn) ，b c (modn) 则分别存在整数k1，k2使得：
a1•a2 ≡ b1•b2 (modn) 推理2.1 设n是一正整数，设a1，a2，…at，b1，b2，…bt, 如果有 a…
at≡bt (modn)
(1) a1+a2+…+at≡b1+b2+…+bt (modn) (2) a1-a2-…-at≡b1-b2-…-bt (modn)
特别 当b1=b2=…=bt=b时，则： （1）a1+a2+…+at≡tb (modn) (2) a1•a2•…•at≡bt (modn)
2.3 一次同余方程
定义2.9 设n位自然数，f(x)为正系数多项式，
其表现形式 f (x) amxm am1xm1 a1x a0 且nłam

高中数学选修5-3(密码学算法基础)-数学与密码学8-课件

加密与解密的密钥不同，则：P=D(KD,E(KE,P))
如何设计公钥密码
最基本思想:利用数学难解问题. 设计工具:数论、代数
数论的游戏之美 数学皇冠
数论就是一门研究整数性质的学科 数论的很多问题最能体现数学之美
完美数有多少?
6的因数为1, 2, 3 6 1 2 3 28的因数为1, 2, 4, 7， 14 28 1 2 4 7 14
数学与信息安全
怎样设计密码?
数学与密码技术的三个发展阶段
第1阶段－古典密码
• 密码学还不是科学,而是艺术 • 出现一些密码算法和加密设备 • 密码算法的基本手段出现，针对的是字符 • 简单的密码分析手段出现 • 主要特点：数据的安全基于算法的保密
古典加密主要技术
代替密码：明文中的每个字符被替
数论的诱惑
数论中无数的奇妙而易 于理解的问题,诱惑了无 数的数学爱好者.
数论是一个充满诱惑,而 又是一个充满陷阱和凶 险的领域.
不要轻易去碰它.
数论有用吗?
几千来,数论是纯粹数学的代表! 几十年前,竞发计算机理论、 随机数、密码学； 连数论都能走出象牙塔，可见其它的分 支应用更广泛； 密码学是数论最有成就的应用；
德国《焦点》周刊网站日前报道，美国和德国的数学 家先后分别于2008年8月23日和9月6日计算出了两个新的素 数，这两个数字都超过了1100万位，是迄今所知的最大素 数。
美国: 243112609 -1 超过1200万位
德国:
237156667 -1 超过1100万位
国际素数搜索项目“互联网梅森素数大搜索”（GIMPS） 经过复核验算后证实，这两个数字都是素数。
Cn确实是前6个完美数.
形如2n 1的素数称为Mersen素数, 记共为有28个MMners2enn素 1 数被发现 :

高级加密标准的数学基础优秀课件


AES Logtable
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高级密码学(第7讲)


• 2) 用户行为特征模板的更新机制: 当前基于行 为特征的认证方案大多未考虑用户行为可能随 时间变化的情况, 系统鲁棒性较差, 未来需要对 用户行为特征模板更新机制进行深入研究. • 3) 生物特征模板数据的存储安全: 现有研究工 作大多未考虑用户生物特征数据安全存储的问 题, 如何安全存储用户的生物特征模板数据, 切 实保障系统安全, 值得进一步深入研究.
（续）
• 在国内, 沈昌祥院士指出网络空间已经成为继 陆、海、空、天之后的第5 大主权领域空间, 也 是国际战略在军事领域的演进. 方滨兴院士则 提出: “网络空间是所有由可对外交换信息的电 磁设备作为载体, 通过与人互动而形成的虚拟 空间, 包括互联网、通信网、广电网、物联网、 社交网络、计算系统、通信系统、控制系统 等”. 虽然定义有所区别, 但是研究人员普遍认 可网络空间是一种包含互联网、通信网、物联 网、工控网等信息基础设施, 并由人– 机– 物相 互作用而形成的动态虚拟空间.
1. 基于设备指纹、信道特征的硬件身份认证与安全
通信
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(1) 基于设备指纹的硬件身份认证 基于瞬态特征的设备指纹认证技术 基于调制信号的设备指纹认证技术. 基于内部传感器的设备指纹认证技术. (2) 基于无线信道特征的安全通信 基于RSS 的密钥生成方法 基于信道相位的密钥生成方法 基于其他信道特征的密钥生成方法
(3) 存在问题和未来发展趋势
• 在移动智能终端上, 认证技术被用来确保仅合 法用户可访问系统资源, 是保障系统安全的第 一道防线. 考虑到基于知识和基于令牌的认证 技术本身存在固有缺陷, 基于用户生物特征的 认证技术将是一个热点研究领域, 可从以下3 个 方面做进一步研究: • 1) 多模态生物特征的应用: 现阶段, 使用单一生 物特征的认证技术难以在安全性和可用性之间 实现较好的平衡, 未来综合使用多种生物特征, 可进一步在不同场景下分别使用不同的生物特 征组合, 保障安全性的同时兼顾可用性.
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• 2) 用户行为特征模板的更新机制: 当前基于行 为特征的认证方案大多未考虑用户行为可能随 时间变化的情况, 系统鲁棒性较差, 未来需要对 用户行为特征模板更新机制进行深入研究. • 3) 生物特征模板数据的存储安全: 现有研究工 作大多未考虑用户生物特征数据安全存储的问 题, 如何安全存储用户的生物特征模板数据, 切 实保障系统安全, 值得进一步深入研究.
高级密码学（第7讲）
密码学的新方向
一、网络空间安全
• 鉴于传统的“网络” 概念无法涵盖其泛在性 及战略意义, 美国在2001 年发布的《保护信息 系统的国家计划》中首次提出了“网络空间” (cyberspace) 的表述, 并在后续签署的国家安全 54 号总统令和国土安全23 号总统令中对其进 行了定义: “网络空间是连接各种信息技术基础 设施的网络, 包括互联网、各种电信网、各种 计算机系统、各类关键工业设施中的嵌入式处 理器和控制器”.即“通过预防、检测和响应 攻击, 保护信息的过程”.
• 随着人们隐私保护意识的提高, OpenSSH, JAP, Tor, I2P 等低延时匿名通信系统相继出现 并广泛应用. 然而, 随之而来的匿名滥用问 题对网络空间安全造成了极大的威胁, 例如 基于Tor 建立的地下网络黑市“丝绸之路” 提供了大量的毒品交易、军火买卖、黑客 攻击等非法服务. 由于匿名通信系统对数据 进行了加密处理, 在线破解这些密码算法难 度较大且时间上不可接受, 因此流量分析技 术成为最为有效的监管手段.
• 由于传统的用户认证技术已在其他信息系 统中得到广泛应用, 早期移动智能终端的用 户认证技术也多采用传统方案实现, 主要包 括基于知识的认证方案和基于令牌的认证 方案.随着移动智能终端内各种传感器的置 入,研究人员开始研究基于用户生物特征的 认证技术.
b) 登录阶段的隐式认证技术
• 基于知识和基于令牌的认证技术仅验证用 户所知的秘密或所持有的令牌, 当密码或令 牌被窃时系统的安全无法得到保障. 因而有 学者提出在传统显式认证过程中对用户进 行额外的隐式认证.
（续）
• 在国内, 沈昌祥院士指出网络空间已经成为继 陆、海、空、天之后的第5 大主权领域空间, 也 是国际战略在军事领域的演进. 方滨兴院士则 提出: “网络空间是所有由可对外交换信息的电 磁设备作为载体, 通过与人互动而形成的虚拟 空间, 包括互联网、通信网、广电网、物联网、 社交网络、计算系统、通信系统、控制系统 等”. 虽然定义有所区别, 但是研究人员普遍认 可网络空间是一种包含互联网、通信网、物联 网、工控网等信息基础设施, 并由人– 机– 物相 互作用而形成的动态虚拟空间.
• 网络空间安全既涵盖包括人、机、物等实 体在内的基础设施安全, 也涉及到其中产生、 处理、传输、存储的各种信息数据的安全.
（续）
• 通信领域对物理接入安全. • 云计算、大数据相关的新概念、新应用的不断 出现, 使个人数据隐私泄露问题日益凸显 • 计算和存储能力日益强大的移动智能终端承载 了人们大量工作、生活相关的应用和数据, 急 需切实可用的安全防护机制 • 而互联网上匿名通信技术 • 的滥用更是对网络监管、网络犯罪取证提出了 严峻的挑战
因此, 云计算环境下的虚拟化安全分析和防御技术可从以
下几个方面做进一步研究: • 1) 自主可控的虚拟化技术: 现阶段主要采用访问控制技术 来保证虚拟机的隔离性, 但仅限于虚拟机监控器或虚拟机 之间的访问控制, 还需研究两者结合的自主可控的虚拟化 技术;
• 2) 针对虚拟机内部攻击的防御技术: 当前针 对虚拟机的攻击主要包括内部攻击和外部 攻击两类. 相较于外部攻击, 内部攻击的表 现形式更为复杂多变, 因此针对内部攻击的 防御技术是研究的重点. 考虑到内部攻击的 本质是通过攻占虚拟机监控器来破坏虚拟 机, 基于微内核的虚拟化技术将成为未来的 主流解决方案之一.
• 比较典型的认证方案: 在图案锁屏的基础上 增加额外的、对用户透明的安全层, 根据用 户输入的密文和输入操作过程中的行为特 征对其进行认证, 主要包括触摸屏可检测到 的触控坐标、压力、面积等, 即使密码被窃 仍能在一定程度上保护用户的设备安全. 但 该研究的实验样本较小且实验持续时间较 短, 仍需进行更全面的实验以验证其实际可 行性.
b) 虚拟机隔离性保护
• 对于来自虚拟机监控器的攻击, 现有的安全 防护手段包括虚拟机监控器的安全防护、 虚拟机监控器的权限控制、基于微内核的 安全防护以及无虚拟机监控器架构.
(3) 存在问题和未来发展趋势
基于虚拟化的云计算技术在提高资源利用率的同时, 也引 入了很多新的安全威胁. 尤其是针对虚拟机的攻击, 通过破 坏其隔离性, 将导致数据泄露、拒绝服务等一系列的问题.
(1) 匿名通信系统
• 相对于单跳匿名通信系统, 多跳匿名通信系统 的网络拓扑更为复杂, 协议更为完善. 目前使用 最为广泛的多跳匿名系统Tor 由用户端、OR (onion router) 节点、目录服务器和应用服务器 4 部分组成. • 其中用户端从目录服务器处下载所有OR 节点 信息构建链路, 并将通信数据发送给本地SOCKS 代理; OR 节点负责转发用户与应用服务器间的 数据单元; 目录服务器负责收集所有OR 节点信 息; 应用服务器则为用户真正的通信目的地.
2.云计算环境下的虚拟化安全分析和防御技术
• (1) 云计算环境下虚拟机攻击技术 • a) 虚拟机内部攻击 • 虚拟化的目标之一是通过隔离机制来保证 虚拟机的安全, 而虚拟机内部攻击是破坏虚 拟机的隔离性, 从而窃取同一物理主机中其 他虚拟机用户的隐私和机密数据. 现有内部 攻击方面的研究主要围绕攻击的三个步骤 展开, 即虚拟机环境检测、虚拟机监控器识 别以及破坏虚拟机的隔离性.
(3) 存在问题和未来发展趋势
• 基于设备指纹、信道特征的硬件身份认证 与安全通信可以从以下3 个方面开展进一步 的工作: • 1)抗环境噪声干扰的设备指纹特征选取: 基 于设备指纹的硬件身份认证依赖于提取的 瞬态信号特征、调制信号特征、内部传感 器数据等信息, 在实际应用中需要研究如何 进一步去除环境中的噪声和干扰,以获得准 确的设备指纹特征信息.
• 对虚拟机系统的攻击主要可以分为两种类 型, 一是对宿主机或该主机上其他虚拟机的 攻击, 二是针对其他宿主机上虚拟机的攻击.
b) 虚拟机外部攻击
• 在云计算环境中, 由于虚拟机均部署在物理 机上, 攻击者可通过宿主物理机的攻击实现 对其虚拟机的控制, 而这类攻击是从虚拟环 境外部发起, 因此称为外部攻击. 此类方法 主要基于虚拟机的隐匿技术攻击, 攻击者利 用处理器的硬件辅助虚拟化技术在目标机 系统上安装Rootkit, 通过控制虚拟机监控器 来控制整个虚拟机环境.
“四横一纵” 的网络空间安全研究体系
（续）
• 具体包括: 1.涉及物理层接入安全和信道安 全的基于设备指纹、信道特征的硬件身份 认证与安全通信技术;2.涉及系统层安全的 云计算环境下的虚拟化安全分析、防御技 术和移动智能终端用户认证技术;3. 跨系统 层、网络层的网络环境下的电力工业控制 系统安全技术;4. 网络层的匿名通信和流量 分析技术;5.以及涉及数据层安全的新密码 体制基础理论与数据安全机制.
• 2) 基于偏好、设置等应用层信息的设备指 纹: 设备硬件指纹的研究集中在基于设备硬 件差异的特征的提取, 而更上层的特征数据, 如浏览器插件、配置、历史信息和应用软 件用户偏好、设置等也可用于生成设备指 纹, 并且这类特征可以提高设备指纹识别的 准确率.
• 3) 基于信道特征的一致性密钥的生成: 对于 基于信道特征的密钥生成方法, 由于实际应 用中上下行信道的不一致性、设备指纹以 及测量中的误差等因素会造成信道特征提 取的差异, 导致通信双方生成的密钥存在着 不一致性. 因此, 需要研究密钥生成速率和 一致性之间的权衡, 在保证密钥生成速率的 同时, 降低密钥的不一致率.
4.网络环境下的电力工业控制系统安全 技术
• (1) 电力工业控制系统安全 • 目前, 面向电力工业控制系统的安全机制研 究主要围绕智能电网开展, 在智能电表安全 与隐私保护、智能电网数据采集与监控系 统的攻击与防御等方面取得了一些研究成 果.
(2) 存在问题和未来发展趋势
• 信息网络和工控网络的互联互通是未来发展的趋势. 工控系统安全研 究跨越传统的工控系统和IT 信息安全两个领域, 工控系统的安全脆弱 性问题是因其重视工控系统的功能性实现、忽视安全性开发的历史原 因造成的. 由于工控系统具有很高的领域专业性, 即使其安全脆弱性被 发现, 但因缺乏相应的实验环境和领域知识, 难以采用传统意义上的信 息安全技术及时处置. 因此, 工控系统信息安全研究是一个全新的战略 发展方向. • 具体在网络环境下的电力工业控制系统中, 有两个方面需要做进一步 的研究: • 1) 智能电表的防御技术: 在智能电网环境下, 针对智能电表的威胁种类 较多, 如窃听、截取、伪造、重放、篡改数据, 渗透系统, 木马蠕虫病 毒感染, 破坏物理链路, 分布式拒绝服务攻击等, 需要通过针对各种情 况进行详细的研究, 才能有效地评估对智能电表的实际影响, 并进一步 研究消除攻击威胁的防御措施.
(3) 存在问题和未来发展趋势
• 在移动智能终端上, 认证技术被用来确保仅合 法用户可访问系统资源, 是保障系统安全的第 一道防线. 考虑到基于知识和基于令牌的认证 技术本身存在固有缺陷, 基于用户生物特征的 认证技术将是一个热点研究领域, 可从以下3 个 方面做进一步研究: • 1) 多模态生物特征的应用: 现阶段, 使用单一生 物特征的认证技术难以在安全性和可用性之间 实现较好的平衡, 未来综合使用多种生物特征, 可进一步在不同场景下分别使用不同的生物特 征组合, 保障安全性的同时兼顾可用性.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ (2) 云计算环境下虚拟机防御技术
• a) 虚拟机监控 • 虚拟机自省技术. 虚拟机自省技术是指通过 虚拟机监控器访问虚拟机内存空间, 这样就 可以在外部检测虚拟机中的数据, 并分析虚 拟机的内容, 发现内部攻击. • Rootkit 检测技术. 由于外部攻击主要通过 Rootkit 实现, Rootkit 检测对于发现外部攻击 至关重要.