第2章 加密及认证技术基础

1、第二章第二章 加密及认证技术基础加密及认证技术基础本章目标本章目标 了解加密的基本概念和相关的术语了解加密的基本概念和相关的术语 掌握加密技术的分类掌握加密技术的分类 掌握对称加密技术的原理及主要算法的具体实现掌握对称加密技术的原理及主要算法的具体实现 掌握公钥加密技术的原理及主要算法的具体实现掌握公钥加密技术的原理及主要算法的具体实现 掌握数字签名的原理及相关算法掌握数字签名的原理及相关算法 了解了解PGP算法及其应用算法及其应用2.1 加密技术概要加密技术概要 信息是当今社会的一种重要资源信息是当今社会的一种重要资源 用户要求信息保密、完整和真实用户要求信息保密、完整和真实 现代信息系统必

2、须具备有信息安全技术措施现代信息系统必须具备有信息安全技术措施 信息加密是信息安全的主要措施之一信息加密是信息安全的主要措施之一KEY (A)Locked2.1.1 加密的基本概念加密的基本概念 加密定义加密定义 拥有解密密钥，说明经过了授权拥有解密密钥，说明经过了授权 加密系统的目的加密系统的目的2.1.1 加密的基本概念加密的基本概念( (续续) ) 通过使用加密，可以提供的安全服务通过使用加密，可以提供的安全服务 保密性保密性 完整性完整性 不可否认性不可否认性拿不走拿不走改不了改不了完整性完整性2.1.1 加密的基本概念加密的基本概念( (续续) ) 相关的术语相关的术语 明码（明码（

3、plaintext） 密文（密文（ciphertext） 算法（算法（algorithm） 密钥（密钥（key） 加密（加密（encryption） 解密（解密（decryption）2.1.1 加密的基本概念加密的基本概念( (续续) ) 基本的加密操作基本的加密操作 加密算法加密算法解密算法解密算法 明文明文密文密文明文明文2.1.2 基本的加密算法基本的加密算法 置换：按照规则改变内容的排列顺序置换：按照规则改变内容的排列顺序 移位：打乱字母的排列顺序移位：打乱字母的排列顺序 移位和置换都是可逆的操作，容易恢复信息移位和置换都是可逆的操作，容易恢复信息 移位、置换应用于现代密码算法中移位

4、、置换应用于现代密码算法中 2.1.2 基本的加密算法基本的加密算法( (续续) ) 置换置换 置换是用一个特定的值替换另一个特定值的过程置换是用一个特定的值替换另一个特定值的过程 置换需要通信双方事先知道置换的方法置换需要通信双方事先知道置换的方法 置换比较简单，频繁使用会找到规律置换比较简单，频繁使用会找到规律E X A M P L E T E M O X F T 2.1.2 基本的加密算法基本的加密算法( (续续) ) 移位移位 移位：把某个字母以其前或其后几位的某个特定的字移位：把某个字母以其前或其后几位的某个特定的字母替代母替代 移位具有规律，容易被攻破移位具有规律，容易被攻破EXA

5、MPLEHADPSOH2.1.2 基本的加密算法基本的加密算法( (续续) ) 密码设计的基本公理和前提是算法公开密码设计的基本公理和前提是算法公开 系统的安全性仅依赖于密钥的保密性系统的安全性仅依赖于密钥的保密性 加密算法分类加密算法分类 对称密钥密码算法（又称私有密钥算法）对称密钥密码算法（又称私有密钥算法） 非对称密钥密码算法（又称公钥密码算法）非对称密钥密码算法（又称公钥密码算法）2.1.3 加密强度加密强度 加密强度主要取决于三个主要因素加密强度主要取决于三个主要因素 算法的强度算法的强度 密钥的保密性密钥的保密性 密钥强度密钥强度2.2 对称加密技术对称加密技术 2.2.1 对称加

6、密算法的原理对称加密算法的原理 2.2.2 著名的对称加密算法著名的对称加密算法2.2.1 对称加密算法的原理对称加密算法的原理 对称加密对称加密 传统密码加密传统密码加密 私钥算法加密私钥算法加密 对称加密要保存很多密钥而变得很复杂对称加密要保存很多密钥而变得很复杂 密钥传送非常重要密钥传送非常重要2.2.1 对称加密算法的原理对称加密算法的原理( (续续) )2.2.2 著名的对称加密算法著名的对称加密算法 对称加密的密钥长度从对称加密的密钥长度从40bits到到168bits 著名加密算法著名加密算法 DES IDEA RC系列（系列（RC2、RC4、RC5） CAST Blowfish

7、2.2.2.1 DES（Data Encryption Standard） DES是一种块或分组加密算法是一种块或分组加密算法 20世纪世纪70年代，由年代，由IBM公司发展公司发展 1976年年11月纳为美国国家标准月纳为美国国家标准 DES密钥是固定的密钥是固定的56bit，不安全，不安全 DES以块模式对以块模式对64bit的密文块进行操作的密文块进行操作2.2.2.1 DES( (续续) ) DES DES算法框图算法框图输入输入64比特明文数据比特明文数据初始置换初始置换IP在密钥控制下在密钥控制下16轮迭代轮迭代初始逆置换初始逆置换IP-1输出输出64比特密文数据比特密文数据交换左

8、右交换左右32比特比特 2.2.2.1 DES( (续续) ) 一一轮迭代轮迭代Li-1Ri-1LiRi-1Ki ( 48bits)32 bits32 bits32 bits32 bitsP-盒置换盒置换fRi=Li-1 f (Ri-1 ,Ki )48322.2.2.1 DES( (续续) ) 加密模式加密模式 电子密本（电子密本（ECB） 每个明文块部分别由密钥进行加密每个明文块部分别由密钥进行加密 同样的明文块输出同样的密文同样的明文块输出同样的密文 密码分组链接（密码分组链接（CBC） 明文和前一次的密文组合进行加密明文和前一次的密文组合进行加密2.2.2.1 DES( (续续) ) 密

9、码分组链接密码分组链接模式模式CBCCBCEkEkPi-1PiPi+1EkCi-1CiCi+1IVCi-1DkCiDkCi+1DkPi-1PiPi+1CBC加密加密CBC解密解密)(1iiiPCEC)(1iiiCDCP2.2.2.2 3DES 56bit的的DES太短，不安全太短，不安全 应用应用DES算法三遍，称为算法三遍，称为3DES（Triple DES） 3DES使用加密使用加密-解密解密-加密方法加密方法 用用56bit的第一密钥（的第一密钥（K1）加密信息；）加密信息； 用用56bit的第二密钥（的第二密钥（K2）解密信息；）解密信息； 用用56bit的第三密钥（的第三密钥（K3）

10、加密信息。）加密信息。 k1k32.2.2.2 3DES( (续续) ) 示意图示意图DESDES-1DESmck1k2k1DES-1DESDES-1mck1k2k13DES加密加密3DES解密解密2.2.2.3 IDEA IDEA(国际数据加密算法国际数据加密算法) 分组长度为分组长度为64位，密钥长度为位，密钥长度为128位位 设计原则：来自不同代数群的混合运算设计原则：来自不同代数群的混合运算 异或异或 模模216加加 模模2161乘乘2.2.2.3 IDEA( (续续) ) 64位数据首先分成位数据首先分成4个个16-位子分组作为第一轮的输入位子分组作为第一轮的输入 总共总共8轮计算轮

11、计算 每轮中，每轮中，4个子分组相互之间相异或，相加，相乘，且个子分组相互之间相异或，相加，相乘，且与与6个个16位子密钥相异或，相加，相乘位子密钥相异或，相加，相乘 轮与轮之间，第二个和第三个子分组交换。最后在输轮与轮之间，第二个和第三个子分组交换。最后在输出变换中出变换中4个子分组与个子分组与4个子密钥进行运算个子密钥进行运算 IDEA共使用共使用52个子密钥个子密钥 软件实现的软件实现的IDEA比比DES快两倍快两倍2.2.2.4 RC系列系列 RC2 Ronald Rivest设计设计 密钥长度可变密钥长度可变 RC2的运算速度比的运算速度比DES快快 软件实现的软件实现的RC2比比D

12、ES快三倍快三倍 RC2是否比是否比DES安全取决于其所使用的密钥长度安全取决于其所使用的密钥长度2.2.2.4 RC系列系列( (续续) ) RC4 Rivest设计设计 密钥长度可变密钥长度可变 流模式加密算法，面向流模式加密算法，面向bit操作操作 算法基于随机置换算法基于随机置换 RC4应用范围广应用范围广2.2.2.4 RC系列系列( (续续) ) RC5 Rivest设计设计 分组长、密钥长和迭代轮数都可变分组长、密钥长和迭代轮数都可变 面向字结构，便于软件和硬件快速实现面向字结构，便于软件和硬件快速实现 数据相倚旋转技术数据相倚旋转技术2.2.2.5 Blowfish Bruce

13、 Schneier设计设计 密钥长度可变密钥长度可变 易于软件快速实现，所需存储空间不到易于软件快速实现，所需存储空间不到5KB 安全性可以通过改变密钥长度进行调整安全性可以通过改变密钥长度进行调整 适用于密钥不经常改变的加密适用于密钥不经常改变的加密 不适用于需要经常变换密钥的情况不适用于需要经常变换密钥的情况2.2.2.6 高级加密标准高级加密标准 取代取代DES的加密算法的加密算法 比利时的比利时的Joan Daemen和和Vincent Rijmen发明发明 适合于高速网络适合于高速网络 适合在硬件上实现适合在硬件上实现 使用使用128位、位、192位或位或256位的密钥块位的密钥块

14、3DES的替代加密技术的替代加密技术2.3 公钥加密技术（非对称加密技术）公钥加密技术（非对称加密技术） 公钥加密比私钥加密出现晚公钥加密比私钥加密出现晚 私钥加密使用同一个密钥来加密和解密信息私钥加密使用同一个密钥来加密和解密信息 公钥加密使用两个密钥，一个密钥用于加密信息，另公钥加密使用两个密钥，一个密钥用于加密信息，另一个密钥用于解密信息一个密钥用于解密信息2.3.1 公钥加密公钥加密网络传输网络传输明文明文Bob的公钥的公钥 B密文密文AliceBobBob的私钥的私钥 B密文密文2.3.1 公钥加密公钥加密( (续续) ) 私钥需要安全保存私钥需要安全保存 公钥公开公钥公开 加密速度

15、慢加密速度慢 可以与对称加密相结合可以与对称加密相结合2.3.2 Diffie-Hellman密钥交换密钥交换 1976年，年，Whitfield Diffie和和Martin Hellman发明发明 解决对称加密系统中密钥的发布问题解决对称加密系统中密钥的发布问题 无需使用代价高昂即可对私钥达成共识无需使用代价高昂即可对私钥达成共识 安全性来源于很难计算出很大的离散对数安全性来源于很难计算出很大的离散对数 在现代密钥管理中提供其他算法的密钥管理在现代密钥管理中提供其他算法的密钥管理2.3.2 Diffie-Hellman密钥交换密钥交换( (续续) ) mod p = K (mod p =

16、K秘密值秘密值, 公开值公开值, 秘密值秘密值, 公开值公开值, = gmod p = g mod p相等相等2.3.2 Diffie-Hellman密钥交换密钥交换( (续续) ) Diffie-Hellman可行之处：可行之处： 产生共享密钥需要一个保密值，外人无法得到产生共享密钥需要一个保密值，外人无法得到 计算大数的离散对数很困难计算大数的离散对数很困难2.3.3 RSA 1977年由年由Ron Rivest、Adi Shamir和和Len Adelman开发开发 专利于专利于2000年年9月到期月到期 密钥长度在密钥长度在5122048bit之间之间 安全性基于大整数因子分解的困难性

17、安全性基于大整数因子分解的困难性2.3.3 RSA( (续续) ) RSA比用软件实现的比用软件实现的DES慢慢100倍倍 RSA比用硬件实现的比用硬件实现的DES慢慢1000倍倍 RSA的主要功能的主要功能 加密加密 数字签名数字签名2.3.3 RSA( (续续) ) 产生产生RSARSA密钥的过程密钥的过程 （1）选择两个大素数，）选择两个大素数，p和和q （2）使用公式）使用公式n=pq计算数计算数n （3）随机选取公钥）随机选取公钥e，e和和(p-1)(q-1)互素互素 （4）使用公式）使用公式ed=1(mod(p-1)(q-1) 计算私钥计算私钥d 加密：加密：E = Pe mod

18、n 解密：解密：P = Ed mod n2.3.3 RSA( (续续) ) RSA提供保密性提供保密性2.3.3 RSA( (续续) ) RSA提供认证和抗抵赖提供认证和抗抵赖 RSA提供认证和抗抵赖性的实现提供认证和抗抵赖性的实现2.3.4 其他的公钥算法其他的公钥算法 Elgamal 数字签名算法数字签名算法 椭圆曲线加密椭圆曲线加密2.3.4 其他的公钥算法其他的公钥算法( (续续) ) Elgamal Taher Elgamal开发开发 Diffie-Hellman的一种变形的一种变形 可以加密和提供认证可以加密和提供认证 安全性取决于计算离散对数的难度安全性取决于计算离散对数的难度

19、由美国政府开发由美国政府开发 数字签名的标准算法。数字签名的标准算法。 算法基于算法基于Elgamal 只允许认证，不能提供保密性只允许认证，不能提供保密性2.3.4 其他的公钥算法其他的公钥算法( (续续) ) 数字签名算法 1985年提出年提出 原理：给定椭圆曲线上的两点原理：给定椭圆曲线上的两点A和和B，如，如AkB，要找，要找到整数到整数k非常困难非常困难 密钥更小：与密钥更小：与1024位位RSA密钥具有同样安全性的密钥具有同样安全性的ECC密钥只有密钥只有160位位2.3.4 其他的公钥算法其他的公钥算法( (续续) ) 椭圆曲线加密椭圆曲线加密2.4 数字签名数字签名 数字签名不

20、是手写签名的数字图像数字签名不是手写签名的数字图像 数字签名是一种可以提供认证的加密形式数字签名是一种可以提供认证的加密形式 转向完全无纸环境的一个途径转向完全无纸环境的一个途径2.4.1 数字签名概述数字签名概述 个人才能使用私钥加密信息个人才能使用私钥加密信息 一个人的公钥能够解密信息，说明信息来自这个人一个人的公钥能够解密信息，说明信息来自这个人 完整性保护完整性保护2.4.1 数字签名概述数字签名概述( (续续) ) 数据签名操作数据签名操作信息信息哈希函数哈希函数 比较比较公钥公钥加密加密公钥公钥加密加密发送者发送者的私钥的私钥发送者发送者的公钥的公钥加密校验和被加密校验和被发送给接

21、收者发送给接收者信息校验和信息校验和哈希函数哈希函数信息校验和信息校验和信息信息信息被发送给接收者信息被发送给接收者2.4.1 数字签名概述数字签名概述( (续续) ) 数字签名的安全性和有用性取决于两个关键因素数字签名的安全性和有用性取决于两个关键因素 用户私钥的保护用户私钥的保护 安全的哈希函数安全的哈希函数2.4.2 安全的哈希函数安全的哈希函数 哈希函数是否安全哈希函数是否安全 函数是单向的函数是单向的 创建两条经过函数计算后获得相同校验和的信息非常困难创建两条经过函数计算后获得相同校验和的信息非常困难 最常见的安全哈希函数最常见的安全哈希函数 MD5：128位校验和位校验和 SHA：

22、160位校验和位校验和2.5 密钥管理密钥管理 密钥的管理容易出现漏洞密钥的管理容易出现漏洞 密钥是最有价值的信息密钥是最有价值的信息 密钥管理包含建立密钥、分发密钥、验证密钥以及取密钥管理包含建立密钥、分发密钥、验证密钥以及取消密钥消密钥2.5 密钥管密钥管理理( (续续) ) 密钥生命周期密钥生命周期密钥产生密钥产生证书签发证书签发Bob密钥使用密钥使用Bob证书检验证书检验密钥过期密钥过期密钥更新密钥更新2.5.1 创建密钥创建密钥 创建密钥要小心创建密钥要小心 某些密钥在某些算法下安全性能很差某些密钥在某些算法下安全性能很差 生成密钥生成密钥 随机选择密钥随机选择密钥 选择密钥的长度选

23、择密钥的长度2.5.1 创建密钥创建密钥( (续续) ) 不同密钥长度的相对复杂性不同密钥长度的相对复杂性 私钥加密（私钥加密（DES、RC5）公钥加密（公钥加密（RSA、DH）椭圆曲线加密椭圆曲线加密40位位56位位400位位64位位512位位80位位768位位90位位1024位位160位位120位位2048位位210位位128位位2304位位256位位2.5.2 密钥发布密钥发布 生成密钥后需要发布生成密钥后需要发布 发布密钥不安全会影响整个系统发布密钥不安全会影响整个系统 发布渠道必须安全发布渠道必须安全 如果远程站点相距不远，密钥可以由管理人员亲自递交如果远程站点相距不远，密钥可以由管

24、理人员亲自递交 如果远程站点距离非常远，需要考虑其他办法如果远程站点距离非常远，需要考虑其他办法2.5.2 密钥发布密钥发布( (续续) ) 使用使用Diffie-Hellman密钥交换算法，发布远程密钥密钥交换算法，发布远程密钥 密钥的生成密钥的生成 密钥对由中央权威机构生成，必须将私钥安全地传送给密钥密钥对由中央权威机构生成，必须将私钥安全地传送给密钥的拥有者的拥有者 拥有者生成密钥对，需以安全方式向中央权威机构传送公钥拥有者生成密钥对，需以安全方式向中央权威机构传送公钥2.5.3 密钥证书密钥证书 密钥到达后需要检查密钥到达后需要检查 公钥分发给其他用户的，必须认证公钥的拥有者，这公钥分

25、发给其他用户的，必须认证公钥的拥有者，这通过证书颁发机构认证通过证书颁发机构认证 CA在公钥上提供数字签名，从而证明在公钥上提供数字签名，从而证明CA相信公钥属于密钥相信公钥属于密钥对的拥有者对的拥有者2.5.3 密钥证书密钥证书( (续续) ) CA CA认证公钥认证公钥用户创建一个公钥对用户创建一个公钥对公钥算法公钥算法用户使用他的私钥用户使用他的私钥签署公钥和标识信息签署公钥和标识信息证书颁发机构证书颁发机构CACA向用户返回新向用户返回新证书，可能还会证书，可能还会在公钥存储库中在公钥存储库中投递该证书投递该证书用户确认证书用户确认证书是从是从CACA返回的返回的用户向用户向CACA发

26、送签署发送签署公钥和标识信息公钥和标识信息CACA确认公钥和标识信息，确认公钥和标识信息，并使用它的私钥签署公钥并使用它的私钥签署公钥和标识信息和标识信息2.5.4 密钥保护密钥保护 密钥对中的公钥由证书提供完整性保护密钥对中的公钥由证书提供完整性保护 密钥对中的私钥必须在所有的时间都得到保护密钥对中的私钥必须在所有的时间都得到保护 对私钥的保护包括它的所有副本对私钥的保护包括它的所有副本2.5.5 密钥注销密钥注销 密钥的寿命不是无限的密钥的寿命不是无限的 会话密钥在一个会话结束时会被删除，不需要注销会话密钥在一个会话结束时会被删除，不需要注销 一些密钥需要在设定的时间段内有效一些密钥需要在

27、设定的时间段内有效 失效的密钥不需要注销失效的密钥不需要注销2.5.5 密钥注销密钥注销( (续续) ) 密钥注销后要通知其他用户密钥注销后要通知其他用户 私钥加密系统的密钥注销比较简单私钥加密系统的密钥注销比较简单 公钥系统注销密钥比较复杂公钥系统注销密钥比较复杂 公钥被发布给公钥服务器公钥被发布给公钥服务器 用户必须定期访问密钥服务器，以查看密钥是否被注销用户必须定期访问密钥服务器，以查看密钥是否被注销2.6 PGP 网上的信息绝大多数以明文形式传输网上的信息绝大多数以明文形式传输 使用的邮件系统存在安全问题使用的邮件系统存在安全问题 改进邮件系统，增进系统安全改进邮件系统，增进系统安全 信息加密信息加密 数字签名数字签名 PGP安全电子邮件程序安全电子邮件程序2.6.1 PGP简介简介 美国的美国的Phil Zimmermann开发开发 基于基于RSA公钥加密体系的邮件加密软件公钥加密体系的邮件加密软件 PGP对邮件加密以防止被非授权者阅读对邮件加密以防止被非授权者阅读 PGP对邮件加上数字签名对邮件加上数字签名 PGP让用户可以安全地和他从未见过的人们通讯，事让用户可以安全地和他从未见过的人们通讯，事先并不需要任何保密的渠道来传递密钥先并不需要