第2讲-古典密码1[课堂使用]

1、第二章第二章 古典密码古典密码 n1. 学习基本的密码编制原理学习基本的密码编制原理; n2.了解早期编制密码的基本方法了解早期编制密码的基本方法; n3. 为进一步学习现代密码的编制打下为进一步学习现代密码的编制打下 基础。基础。 1 2 一、单表代替密码：一、单表代替密码： 利用预先设计的利用预先设计的固定固定代替规则代替规则, ,对明文对明文逐逐 字符字符或或逐逐字符组字符组进行代替的密码进行代替的密码. . 字符组称为一个代替单位字符组称为一个代替单位. . 这里这里代替规则代替规则又称为又称为代替函数代替函数、代替表代替表 或或S S盒。盒。它的它的固定性固定性是指这个代替规则与是指

2、这个代替规则与密密 钥因素钥因素和被加密的明文字符的和被加密的明文字符的序号序号无关。无关。 即即相同的相同的明文字符组产生明文字符组产生相同的相同的密文字密文字 符组符组. . 3 例例1: 1: 汉字和符号的区位码汉字和符号的区位码( (单表代替单表代替) ) 4 例例2 2 以十进制数为代替单位的代替函数 则明文则明文晨五点总攻晨五点总攻 先变换为区位码先变换为区位码 1931 4669 2167 5560 2505 再被加密成密文 4624 1996 8497 0095 8050 单表代替的缺点:明文字符相同,则密文字符也相同 9 , 2 , 1 , 09 , 2 , 1 , 0:S

3、105,4,8,2,1, 0,9,7,3,6S假设 明文 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 密文 5 4 8 2 1 0 9 7 3 6 即代替表为即代替表为: : 5 qkmmEc k mod)()( 加密变换加密变换: 1, 2 , 1 , 0qZ q 例例3 3 加法密码加法密码 选定选定常数常数 q 和和 k. . 明文空间明文空间= =密文空间密文空间= = qkccDm k mod)()( 解密变换解密变换： 其中其中 读作读作 n 模模q, ,它是它是 n n被被q q除后所得的余数除后所得的余数. . 如如18 18 mod7 = 4 mod7 = 4 上述加法称为上述加

4、法称为模模q加加. qn mod 6 90,10mod)3()( 3 mmmEc 加密变换为加密变换为： 特别地特别地,若取若取q =10 和和 k=3, ,则则 解密变换为解密变换为： 90,10mod)3()( 3 cccDm 此时此时, ,明文明文: :晨五点总攻晨五点总攻 变换为区位码变换为区位码 1931 4669 2167 5560 2505 后就被加密成密文 4264 7992 5490 8893 5838 缺点: 密文差 = 明文差 10mod)(10mod)3() 3( 10mod) 3(10mod) 3( 2121 2121 mmmm mmcc 7 ( (凯撒密码) ) 这

5、是一种对英文字母的典型逐字母加密的 的加法密码,其密钥k=3。 英文字母被编码为该字母的序号 英文 A B C D X Y Z 数字 0 1 2 3 23 24 25 250,26mod)3()( 3 mmmEc 加密变换为加密变换为： 解密变换为解密变换为： 250,26mod)3()( 3 cccDm 8 这是一种对英文字母的典型逐字母加密的 密码,它利用一个密钥字来构造代替表。 如如: : 若选择cipher作为密钥字,则对应代替表为: 明文明文 A B C D E F G H I J K L M N O P A B C D E F G H I J K L M N O P 密文密文 C

6、I P H E RC I P H E R A B D F G J K L M N A B D F G J K L M N 9 单表代替密码的安全性分析单表代替密码的安全性分析 单表代替的优缺点单表代替的优缺点 优点优点: 明文字符的形态一般将面目全非明文字符的形态一般将面目全非 缺点缺点: (A) 明文的位置不变明文的位置不变; (B) 明文字符明文字符相同相同,则则密文字符密文字符也相同也相同; 从而导致从而导致: (I) 若明文字符若明文字符e被加密成密文字符被加密成密文字符a,则明文中则明文中e的的 出现次数就是密文中字符出现次数就是密文中字符a的出现次数的出现次数; (II) 明文的跟

7、随关系反映在密文之中明文的跟随关系反映在密文之中. 因此因此,明文字符的统计规律就完全暴露在密文字明文字符的统计规律就完全暴露在密文字 符的统计规律之中符的统计规律之中.形态变但位置不变形态变但位置不变 10 26个英文字母出现的频率 e：出现的频率约为0.127 t，a，o，i，n，s，h，r：出现的频率约在0.06到0.09之间 d，l：的出现频率约为0.04 c，u，m，w，f，g，y，p，b ：的出现频率约在0.015到0.028之间 v，k，j，x，q，z：出现的频率小于0.01 11 10mod)()(kmmEc k 例例6 6：加密变换为加密变换为: : 二、多表代替密码二、多表

8、代替密码 根据密钥的指示，来选择加密时使用的单根据密钥的指示，来选择加密时使用的单 表的方法，称为表的方法，称为多表代替多表代替密码。密码。 但但 k 不再是固定常数而是密钥。不再是固定常数而是密钥。 加密算法：加密算法： 明明 文：文： 晨晨 五五 点点 总总 攻攻 明文序列：明文序列： 1931 4669 2167 5560 2505 密钥序列：密钥序列： 4321 5378 4322 3109 11074321 5378 4322 3109 1107 密文序列：密文序列： 5252 9937 6489 8669 36025252 9937 6489 8669 3602 若密钥序列是随机的

9、若密钥序列是随机的, ,该密码就是该密码就是绝对安全绝对安全的的. . 随机随机就是指序列的信号相互就是指序列的信号相互独立独立且且等概等概分布分布. . 12 26mod)()(kmmEc k 将对英文字母的加密变换改为：将对英文字母的加密变换改为： 当将明、密文空间均改为当将明、密文空间均改为 25, 2 , 1 , 0 26 Z 这个密码就是一个著名的古典密码体制：这个密码就是一个著名的古典密码体制： 维几尼亚密码维几尼亚密码（VigenereVigenere密码体制）密码体制） , 21t mmm若若明文序列明文序列为为: : , 21t kkk 密钥序列密钥序列为：为： , 21t

10、ccc则则密文序列密文序列为为: : 其中：其中：26mod)()( iiiki kmmEc i 这也是序列密码的一般加密形式这也是序列密码的一般加密形式 将英文字母编码为它的序号(0起算) 13 维维 几几 尼尼 亚亚 密密 码码 的的 代代 替替 表表 为为 明文字母 密 钥 字 母 密 钥 字 母 为 d , 明 文 字 母 为 b 时 查 表 得 密 文 字 母 为 e 14 26mod)()(mkmEc k 将对英文字母的加密变换改为：将对英文字母的加密变换改为： 当将明、密文空间均设为当将明、密文空间均设为 25, 2 , 1 , 0 26 Z , 21t mmm若若明文序列明文序

11、列为为: : , 21t kkk 密钥序列密钥序列为：为： , 21t ccc则则密文序列密文序列为为: : 其中：其中：26mod)()( iiiki mkmEc i 该密码称为该密码称为维福特密码维福特密码（BeaufortBeaufort密码体制）密码体制） 此时解密变换与加密变换完全相同，也是：此时解密变换与加密变换完全相同，也是： 26mod)()(ckcEm k 15 如果将明、密文空间均改为如果将明、密文空间均改为 1 , 0 2 Z 将加密变换改为：将加密变换改为： kmkmmEc k 定义 2mod)()( , 21t mmm若若明文序列明文序列为为： , 21t kkk 密

12、钥序列密钥序列为：为： , 21t ccc则则密文序列密文序列为：为： 其中：其中： iiiki kmmEc i )( 这个密码就是著名的这个密码就是著名的VernamVernam密码体制密码体制 16 多表代替密码的安全性分析多表代替密码的安全性分析 多表代替的优缺点多表代替的优缺点 优点优点: 只要只要 (1) 多表设计合理多表设计合理,即每行中元互不相同即每行中元互不相同,每列中元每列中元 互不相同互不相同.(这样的表称为拉丁方表这样的表称为拉丁方表) (2) 密钥序列是随机序列密钥序列是随机序列，即具有等概性和独立性。，即具有等概性和独立性。 这个多表代替就是完全保密的。这个多表代替就

13、是完全保密的。 等概性等概性:各位置的字符取可能字符的概率相同；各位置的字符取可能字符的概率相同； 独立性：独立性：在其它所有字符都知道时，也判断不出在其它所有字符都知道时，也判断不出 未知的字符取哪个的概率更大。未知的字符取哪个的概率更大。 17 代替密码的安全性分析代替密码的安全性分析 多表代替的优缺点多表代替的优缺点 密钥序列是随机序列意味着：密钥序列是随机序列意味着： （1）密钥序列不能周期重复；）密钥序列不能周期重复； （2）密钥序列必须与明文序列等长；）密钥序列必须与明文序列等长； （3）这些序列必须在通信前分配完毕；）这些序列必须在通信前分配完毕； （4）大量通信时不实用；）大量

14、通信时不实用； （5）分配密钥和存储密钥时安全隐患大。）分配密钥和存储密钥时安全隐患大。 缺点：缺点：周期较短时可以实现唯密文攻击。周期较短时可以实现唯密文攻击。 解决方案：解决方案：密钥序列有少量真随机的数密钥序列有少量真随机的数 按固定的算法生成，只要它很像随机序列即可。按固定的算法生成，只要它很像随机序列即可。 这种序列称为伪随机序列。这种序列称为伪随机序列。 18 对明文字符或字符组进行对明文字符或字符组进行位置移动位置移动的密码的密码 例例7：设：设明文明文为：为： 解放军电子技术学院解放军电子技术学院 移位方式：移位方式：S9=2,5,7,3,4,8,9,1,6 即即:第第 i 个

15、密文汉字就是第个密文汉字就是第S i个明文汉字个明文汉字. 则则密文密文为为 放子术军电学院解技放子术军电学院解技 移位也是现代密码中必用的一种编码技术移位也是现代密码中必用的一种编码技术 三、移三、移 位位 密密 码码 19 移位密码的安全性分析移位密码的安全性分析 移位密码的优缺点移位密码的优缺点 优点优点: 明文字符的位置发生变化明文字符的位置发生变化; 缺点缺点: (A) 明文字符的形态不变明文字符的形态不变; 从而导致从而导致: (I) 密文字符密文字符e的出现频次的出现频次也是明文字符也是明文字符e的出现次的出现次 数数; 有时直接可破有时直接可破! (如密文字母全相同如密文字母全相同) 目前也有现成的破译方法目前也有现成的破译方法. 移位密码优缺点总结移位密码优缺点总结: 位置变位置变但但形态不变形态不变. 代替密码优缺点总结代替密码优缺点总结: 形态变形态变但但位置不变位置不变. 20 结论结论: : 将代替密码和移位密码轮番使用,必然可 以发挥各自的长处,克服对方的缺点!必然可 以设计出安全的密码体制! 这就是现代密码的设计思想! 21