密码学的概念

绪论

密码学的发展历史(1)

1.3 密码学的发展历史

密码学的发展历程大致经历了三个阶段：古代加密方法、古典密码和近代密码。

1.3.1 古代加密方法（手工阶段）

源于应用的无穷需求总是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。

密码学用于通信的另一个记录是斯巴达人于公元前400年应用Scytale加密工具在军官间传递秘密信息。Scytale实际上是一个锥形指挥棒，周围环绕一张羊皮纸，将要保密的信息写在羊皮纸上。解下羊皮纸，上面的消息杂乱无章、无法理解，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。 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”。

由上可见，自从有了文字以来，人们为了某种需要总是想法设法隐藏某些信息，以起到保证信息安全的目的。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，但只能限制在一定范围内使用。

传输密文的发明地是古希腊，一个叫Aeneas Tacticus的希腊人在《论要塞的防护》一书中对此做了最早的论述。公元前2世纪，一个叫Polybius的希腊人设计了一种将字母编码成符号对的方法，他使用了一个称为Polybius的校验表，这个表中包含许多后来在加密系统中非常常见的成分，如代替与换位。Polybius校验表由一个55的网格组成（如表1-1所示），网格中包含26个英文字母，其中I和J在同一格中。每一个字母被转换成两个数字，第一个是字母所在的行数，第二个是字母所在的列数。如字母A就对应着11，字母B就对应着12，以此类推。使用这种密码可以将明文“message”置换为密文“32 15 43

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第 1 页 共 7页 密码学

一、快速提示

·密码编码学是通过把信息加密成不可读格式来保护信息的一门科学。

·最著名的转子加密机是德国人在二次世界大战中使用的Enigma机。

·可读消息就是一种叫做明文的文件形式，明文一旦被加密，就处于一种叫做密文的

形式。

·加密就是把明文转化成密文的过程，解密就是把密文还原成原始明文。

·加密算法就是那些决定加密和解密函数的数学规则。

·密码分析学就是研究对密码系统的攻击。

·防抵赖性是这样一种服务：发送者不能在发送消息之后否认已经发送的消息。

·密钥类是从相同明文产生相同密文的两个不同的密钥。

·可能的密钥所在的范围就是密钥空间。密钥空间越大，密钥空间利用得越充分，允

许创建的随机密钥就越多，带来的安全水平也就越高。

·两个最基本的加密密码类型是代换和置换。代换密码是把一个字符(或比特)用另一个来替换，置换密码是搅乱字符集(或比特串)。

·多字母替换密码使用多个字母表来挫败频率攻击。

·隐藏术是用不同的形式比如图像、声音文件或者文档来隐藏数据的一种方法。这种方法用来隐藏数据的存在性。

·Clipper·芯片是一种加密芯片，美国政府想把它应用在许多美国制造的设备中，以使得他们能够监听包含有关于非法活动的可疑信息的通信。

·Clipper-芯片使用的是飞鱼算法，这个算法是美国国家安全局开发的，它使得美国政府能够解密任何使用clipper芯片加密的流量。

·密钥托管是把解密信息所必需的密钥分成几个部分的一种措施。不同的代理或者实体保存着密钥的不同部分，需要的时候联合在一起以解密。

·公平加密系统也将解密所必需的密钥分开，但这种方法在使用公钥加密术的时候用软件加密程序来实现，而密钥托管主要在人们利用硬件加密芯片的时候使用。

·密钥是插入加密算法中的随机比特串。这一结果决定对消息执行哪些加密函数以及按什么顺序执行。

密码学基础

1. 密码学概述

（1）密码学的发展历程

密码学是一门古老而深奥的学科，是结合数学、计算机科学、电子与通信等诸多学科于一体的交叉学科，是研究信息系统安全保密的一门科学。密码学主要包括密码编码学和密码分析学两个分支，其中密码编码学的主要目的是寻求保证信息保密性或仁整形的方法，密码分析学的主要目的是研究加密消息的破译或消息的伪造。密码学经历了从古代密码学到现代密码学的演变。

最早将现代密码学概念运用于实际的是Caesar大帝，他是古罗马帝国末期著名的统帅和政治家。Caesar发明了一种简单的加密算法把他的信息加密用于军队传递，后来被称为Caesar密码。它是将字母按字母表的顺序排列，并且最后一个字母与第一个字母相连。加密方法是将明文中的每个字母用其后边的第三个字母代替，就变成了密文。

替代密码的基本思想，是将明文中的每个字母用此字符在字母表中后面第 k个字母替代，加密过程可以表示为函数E(m)=(m+k) mod

n。其中：m 为明文字母在字母表中的位置数，n 为字母表中的字母个数，k 为密钥，E(m)为密文字母在字母表中对应的位置数。其解密过程可以表示为函数E(m)=(m-k) mod n。

置换密码的基本思想，不改变明文字符，只是将字符在明文中的排列顺序改变，从而实现明文信息的加密，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的顺序安排在一个矩阵中，然后根据密钥提供的顺序重新组合矩阵中字母，从而形成密文。

第一阶段：古代―1949年

这阶段的密码技术可以说是一种艺术，而不是一种科学，密码学专家常常是凭知觉和信念来进行密码设计和分析，而不是推理和证明，没有形成密码学的系统理论。这一阶段设计的密码称为经典密码或古典密码，并且密码算法在现代计算机技术条件下都是不安全的。

第二阶段：1949―1975年

1949年C.E.Shannon（香农）发表在《贝尔实验室技术杂志》上的《保密系统的信息理论（Communication Theory of Secrecy

序列密码的基本概念： 序列密码的加密和解密就是用一个随机序列与明文序列叠加产生密文，用同一个随机序列与密文序列叠加来恢复明文。

序列密码中对密钥的要求：

【1】极大的周期。因为随机序列是非周期的，而按任何算法产生的序列都是周期的，因此应要求密钥流具有尽可能打的周期。

【2】良好的统计特性。随机序列有均匀的游程分布。

【3】不能用级数较小的线性移位寄存器近似代替，即要有很高的线性复杂度。

【4】用统计方法由密钥序列K0 K1 „Ki„提取密钥生成器结构或种子密钥的足够信息在计算机上是不可能的。

移位寄存器的性质：1.n级线性反馈移位寄存器最多有2n个不同的状态。

2.若其初始状态非0，则其后继状态不会为0。

3.因此n级线性反馈移位寄存器的状态周期≤2n -1。

4.其输出序列的周期与状态周期相等，也≤2n -1 。

5.只要选择合适的反馈函数便可使序列的周期达到最大值2n -1，周期达到最大值的序列称为m序列

移位寄存器的方式：通常采用的方法是，由线性移位寄存器(LFSR)和一个非线性组合函数即布尔函数组合，构成一个密钥流生成器。（a）由一个线性移位寄存器和一个滤波器构成。（b）由多个线性移位寄存器和一个组合器构成。通常将这类生成器分解成两部分，其中线性移位寄存器部分称为驱动部分，另一部分称为非线性组合部分。 各自用途：驱动部分：控制生成器的状态序列，并为非线性组合部分提供统计性能良好的序列。如周期很大；分布较随机 非线性部分：将驱动部分所提供的序列组合成密码特性好的序列。可隐蔽驱动序列与密钥k之间过分明显的依赖关系。

第五章：Sp网络是由多重s变换和p变换组合成的网络，他是乘积密码的一种。其基本变换是s变换（s盒）和p变换（p盒）。S盒混乱作用，p盒扩散作用。

Sp网络有雪崩效应，指输入（明文或密钥）即使只有很小的变化，也会导致输出产生巨大的变化现象。

Des的加密过程：初始置换ip，16轮迭代运算，逆初始变换。