(现代密码学课件)01古典密码

保密通信系统的组成
明文消息空间M,密文消息空间C,密钥空间 K1和K2,在单钥体制下K1=K2=K,此时密钥K需 经安全的密钥信道由发送方传给接收方; 加密变换Ek1:M→C,其中k1∈K1,由加密器 完成; 解密变换Dk2:C→M,其中k2∈K2,由解密器 实现. 称总体(M,C,K1,K2,EK1,DK2)为保密通信系统.对 于给定明文消息m∈M,密钥k1∈K1,加密变 换将明文m变换为密文c,即 c=f(m,k )=E (m)m∈M,k ∈K
20世纪90年代,因特网爆炸性的发展把人类 带进了一个新的生存空间.因特网具有高度 分布,边界模糊,层次欠清,动态演化,而 用户又在其中扮演主角的特点,如何处理好 这一复杂而又巨大的系统的安全,成为信息 安全的主要问题.由于因特网的全球性,开 放性,无缝连通性,共享性,动态性发展, 使得任何人都可以自由地接入,其中有善者, 也有恶者.恶者会采用各种攻击手段进行破 坏活动.
如何产生满足保密要求的密钥以及如何将密 钥安全可靠地分配给通信双方是这类体制设 计和实现的主要课题. 密钥产生,分配,存储,销毁等问题,统称 为密钥管理.这是影响系统安全的关键因素. 单钥体制可用于数据加密,也可用于消息的 认证. 单钥体制有两种加密方式:
– 明文消息按字符(如二元数字)逐位地加密,称 之为流密码; – 将明文消息分组(含有多个字符),逐组地进行 加密,称之为分组密码.
在信息传输和处理系统中,除了预定的接收 者外,还有非授权者,他们通过各种办法 (如搭线窃听,电磁窃听,声音窃听等)来 窃取机密信息,称其为截收者. 截收者虽然不知道系统所用的密钥,但通过 分析可能从截获的密文推断出原来的明文或 密钥,这一过程称为密码分析,ห้องสมุดไป่ตู้事这一工 作的人称为密码分析员,研究如何从密文推 演出明文,密钥或解密算法的学问称为密码 分析学.

通过网络非法获取和利用信息可能随时发生
➢ 互联网的开放性是根源 ➢ 网络安全已成为网络设计、建设和维护的重要内容
密码学/密码算法成为保护网络信息的利器
➢ 以数学为工具，将信息明文变换为密文 ➢ 成为保护信息的核心屏障
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简单加密系统模型
密码学的目的
➢ 合法通信双方Alice和Bob在不安全的信道上进行安全通信， 而破译者Oscar不能理解他们通信的内容
让每个字母对应一个数值
则基本型凯撒密码可以表示为
加密： 解密：
Ci = E(pi) = (pi+3) mod 26 pi = D(Ci) = (Ci3) mod 26
密钥数量：1
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凯撒密码
凯撒密码
实例
➢ 明文： meet me after the party ➢ 密文： PHHW PH DIWHU WKH SDUWB
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移位密码
移位密码
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例如，k = 5
明文字母表： 密文字母表：
明文
移位密码
密文
密钥数量：25
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移位密码
特点
➢ 非常简单 ➢ 密钥数为25，仍非常脆弱
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指定一个关键词（词组、句子…） 去除关键词中的重复字母和空格，前置于密码表 将剩余的字母依次按序后置于密码表
密钥数量： 26!（≈ 4×1026 = 400亿亿亿）
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短语密码
实例
➢ 关键词： ➢ 去重前置： ➢ 剩余后置：

现代密码学第六讲古典密码算法第六讲古典密码算法置换密码单表代替密码算法多表代替密码算法置换（Permutation）密码•对明文字符或字符组进行位置移动的密码•明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。

置换密码•对明文字符或字符组进行位置移动的密码•明文的字母顺序被打乱了，但明文字母本身不变天书（Scytale）•500 B.C.，斯巴达人在军事上用于加解密•发送者把一条羊皮纸螺旋形地缠在一个圆柱形木棒上，核心思想是置换木棒的直径需要保密第六讲古典密码算法置换密码单表代替密码算法多表代替密码算法代替密码•代替(Substitution)密码构造一个或多个密文字母表，然后用密文字母表中的字母或者字母组来代替明文字母或字母组，各字母或字母组的相对位置不变，但其本身的值改变了。

•代替密码分为单表代替密码和多表代替密码字母与数字的转换代替密码算法针对英文字母进行处理。

首先将26个字母与十进制数字中的0~25一一对应，如下表所示。

而这里的数的加法和乘法都定义为模26的加法和乘法。

字母a b c d e f g h i j k l m数字0123456789101112字母n o p q r s t u v w x y z数字13141516171819202122232425单表代替密码单表代替密码可分为•加法密码•乘法密码•仿射密码单表代替密码——加法密码明文：密文：密钥：解密：Caesar密码就是一种加法密码（k=3）明文字母ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ 密文字母DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ ABC•设明文为：LOVE•则密文为：ORYH明文：密文：密钥：解密：条件：关键在于计算：方法：扩展的欧几里得算法若，则存在整数使得这里就是，注意要将变为正数1k•加密函数：•密钥：•解密函数：•条件：仿射密码是乘法密码和加法密码的结合。

(mod 26)y ax b =+1()(mod 26)x a y b -=-(,26)1a =第六讲古典密码算法置换密码单表代替密码算法多表代替密码算法多表代换密码多表代换密码首先将明文分为由个字母构成的分组，对每个分组的加密为：其中是密钥，是的可逆矩阵，满足（是行列式），，，。

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教学要求
4、前导课程 编程语言C
5、参考书目 《密码学与网络安全》 《应用密码学手册》 《密码学导引：原理与应用》 《现代密码学教程》
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章节内容
第1章 密码学概述与古典密码 第2章 编程基础与数学基础 第3章 序列密码 第4章 分组密码 第5章 公钥密码 第6章 认证和哈希函数 第7章 数字签名、密钥管理技术（选讲）
接收者
伪造
重放
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图2 攻击的主要形式
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2 人为攻击
被动攻击：即窃听，是对系统的保密性 进行攻击，如搭线窃听、对文件或程序 的非法拷贝等以获取他人的信息，并不 修改信息。
被动攻击又分为两类： 一是获取消息的内容； 二是进行业务流分析。 抗击重点在于预防而非检测。
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密钥空间K：用于加密或者解密的秘密 消息，分别称作加密密钥空间Ke和解密 密钥空间Kd。
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重点
破译者
明 文
m
加 密 算
c
法
解 c密
算
法
m明 文
Ke 加密密钥
Kd 解密密钥
密钥 K=<Ke,Kd>
图4：加密解密模型
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重点
示例
eg：分析下列表达式的含义
C=E(M,Ke)=Eke(M) 加密算法E在加密密钥Ke的控制下将明 文M加密成密文C。
M=D(C,Kd)=DKd(C) 解密算法D在密钥Kd的控制下将密文C解 出成明文M。
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2 密码体制的分类
（1）按照加密解密方式，密码体制可分 为对称密码体制和非对称密码体制。