密码技术和安全协议讲课讲稿

第二章密码学基础(jīchǔ)王明(wángmíng)政2008/9第一页，共67页。引言(yǐnyán)安全要素与密码技术的关系保密通信的基本过程（不同协议层加密对通信的影响）实际过程中遇到的问题(wèntí)（密钥共享、密钥获取、验证、算法协商等）第二页，共67页。主要(zhǔyào)内容加密技术的思想对称密钥算法(suànfǎ)体系非对称密钥算法(suànfǎ)体系其他相关算法(suànfǎ)安全协议举例——SSL第三页，共67页。加密技术的思想(sīxiǎng)第四页，共67页。加密的目的(mùdì)是什么？保密，还要能解密可以保密的通信方便(fāngbiàn)快速的可以跟一个需要认证身份的从未通信过的人进行保密通信第五页，共67页。传统密码技术(jìshù)的起源军事、外交、日记(rìjì)、情书替代密码置换密码第六页，共67页。替代密码就是用不同的比特、字符、字符串来代替原来的比特、字符、字符串如Caesar密码，每个字母由字母表中其后的第三个字母来替换,iloveyouloryhbrx可通过英文词频统计(tǒngjì)来猜测密码，如最常见的字母是e、o、a、n、I，最常见的2字母组合是th,in,er,re和an。最常用的3字母组合是the,ing,ion。第七页，共67页。置换(zhìhuàn)密码变换明文符号的顺序，但不隐藏(yǐncáng)他们iloveyoualicealice15423IloveYouadiyvaedoulo第八页，共67页。一次一密每次采用一个随机的新的密码例如：随机比特流对数据进行异或运算一次一密是近乎完美(wánměi)的加密方案，因为它是不可攻破并且每个密钥仅仅使用一次。但密码无法记忆，要双方“随身携带”。例：古代军事消息传递第九页，共67页。现代(xiàndài)加密技术的发展1949年，ClaudeShannon发表了《保密系统的通信理论》，奠定了对称加密(jiāmì)系统的理论基础1976年，W.Diffie和M.E.Hellman发表了《密码学的新方向》，提出了公钥密码理论，是革命性的变革第十页，共67页。实现(shíxiàn)加密的几种方式现代加密技术：算法+密钥例算法保密不适合大规模使用，算法不适合快速(kuàisù)传递和交换算法公开+密钥保密现代加密算法的基本设计思路第十一页，共67页。密码(mìmǎ)技术能实现什么？信息(xìnxī)的保密性(Privacy)信息(xìnxī)加密信息(xìnxī)的完整性(Integrity)数字摘要信息(xìnxī)源的认证(Authentication)：真实性数字签名、时间戳第十二页，共67页。密码技术如何(rúhé)实现机密性如何实现数据的加密？直接使用(shǐyòng)某种算法加密数据，使明文变成密文应用层加密，使用(shǐyòng)某种加密算法网络层加密，使用(shǐyòng)某种加密算法链路层加密，使用(shǐyòng)某种加密算法如何实现双方通信的机密性？举例算法+安全协议如何实现多用户大范围的信息机密性？举例算法+安全协议+PKI体系第十三页，共67页。密码技术如何实现(shíxiàn)信息完整性数字摘要算法如何利用摘要算法验证完整性？协议大规模大范围的应用还需要什么(shénme)？安全基础设施，比如PKI第十四页，共67页。密码技术如何(rúhé)实现认证数字签名算法如何确认(quèrèn)信息源并防止抵赖？认证协议大规模应用？PKI第十五页，共67页。算法(suànfǎ)、协议和基础设施的关系算法实现了某种特定的计算方法协议把算法组织起来实现某种安全要素(yàosù)基础设施是大规模应用的基础平台第十六页，共67页。信息安全需要哪些(nǎxiē)算法？加密算法数字摘要(zhāiyào)算法数字签名算法。。。。。。第十七页，共67页。加密算法分类(fēnlèi)对称密钥算法分组密码(mìmǎ)流密码(mìmǎ)不对称密钥算法（公钥算法，一般都是分组密码(mìmǎ)）第十八页，共67页。对称密码(mìmǎ)算法体系第十九页，共67页。对称密码(mìmǎ)算法的基本概念采用公开(gōngkāi)算法加解密使用同一个密钥，即密钥对称第二十页，共67页。对称密钥算法(suànfǎ)加解密流程加密(jiāmì)明文(míngwén)密文密钥解密密文明文(发送者)(接收者)第二十一页，共67页。常用(chánɡyònɡ)对称密钥算法分组密码数据加密标准DES三重DES：3DES或TripleDES国际(guójì)数据加密算法IDEA高级加密标准AES流密码RC4第二十二页，共67页。DES算法(suànfǎ)简介DES是DataEncryptionStandard（数据加密标准）的缩写。它是由IBM公司研制的一种加密算法，美国国家标准局于1977年公布把它作为非机要部门使用的数据加密标准DES是一个分组加密算法，他以64位为分组对数据加密。它的密匙长度是56位（因为(yīnwèi)每个第8位都用作奇偶校验），密匙可以是任意的56位的数，而且可以任意时候改变。其中有极少量的数被认为是弱密匙，但是很容易避开他们。所以保密性依赖于密钥。第二十三页，共67页。DES算法(suànfǎ)框架DES对64(bit)位的明文分组M进行操作，M经过一个初始置换IP置换成m0，将m0明文分成(fēnchénɡ)左半部分和右半部分m0=(L0,R0)，各32位长。然后进行16轮完全相同的运算，这些运算被称为函数f，在运算过程中数据与密匙结合。经过16轮后，左，右半部分合在一起经过一个末置换在每一轮中，密匙位移位，然后再从密匙的56位中选出48位。通过一个扩展置换将数据的右半部分扩展成48位，并通过一个异或操作替代成新的32位数据，在将其置换换一次。这四步运算构成了函数f。然后，通过另一个异或运算，函数f的输出与左半部分结合，其结果成为新的右半部分，原来的右半部分成(fēnchénɡ)为新的左半部分。将该操作重复16次第二十四页，共67页。DES解密(jiěmì)加密和解密使用相同的算法DES加密和解密唯一的不同是密匙的次序相反。如果各轮加密密匙分别(fēnbié)是K1,K2,K3….K16那么解密密匙就是K16,K15,K14…K1第二十五页，共67页。对称密钥算法(suànfǎ)的特点优点:加解密速度快，如果密钥长度足够，则很难破解缺点:通信(tōngxìn)相方需要在通信(tōngxìn)前交换密钥，或者事先保存密钥。密钥数量随着用户数量的增长而急剧增长:Cn2=n(n-1)/2，使用和管理都比较困难难以实现认证和防抵赖功能第二十六页，共67页。对称(duìchèn)密码算法如何实现保密通信如何实现？实现思想（思考(sīkǎo)提问）如何密钥共享自行交换：不适合大规模使用使用密钥分发中心第二十七页，共67页。使用密钥分发(fēnfā)中心的密钥共享第二十八页，共67页。使用密钥分发(fēnfā)中心的密钥共享第二十九页，共67页。对称密码算法(suànfǎ)如何实现真实性认证的基本思想（思考提问）对称算法中，通信(tōngxìn)真实性的基础第三十页，共67页。OtwayRees密钥交换(jiāohuàn)与鉴别协议第三十一页，共67页。对称(duìchèn)算法体系中如何实现完整性完整性：摘要算法(suànfǎ)如何实现（思考）第三十二页，共67页。非对称密码(mìmǎ)算法体系第三十三页，共67页。非对称密码(mìmǎ)算法基本概念算法公开加密密钥和解密密钥不同(bùtónɡ)，但成对一般为分组算法第三十四页，共67页。非对称密钥算法(suànfǎ)加解密流程加密明文密文解密密文明文自己私钥(接收者)(发送者)对方公钥第三十五页，共67页。著名的公钥密码(mìmǎ)算法1RSA该算法于1977年由MIT的RonRivest，AdiShamir和LenAdleman三位年轻教授提出基于大质数分解在计算上的困难来实现攻破512位密钥RSA算法大约需要(xūyào)8个月时间；现在，在技术上还无法预测攻破具有2048位密钥的RSA加密算法需要(xūyào)多少时间美国Lotus公司悬赏1亿美元，奖励能破译其Domino产品中1024位密钥的RSA算法的人第三十六页，共67页。RSA算法(suànfǎ)简介a)选择两质数(zhìshù)p、q。

b)计算n=p*q。

c)计算n的欧拉函数(n)=(p-1)(q-1)。

d)选择整数e，使e与(n)互质，且1<e<(n)。

e)计算d,使d*e=1mod(n)。

其中，公钥KU＝{e,n}，私钥KR＝{d,n}

第三十七页，共67页。RSA算法(suànfǎ)的加解密利用RSA加密(jiāmì)，首先需将明文数字化，取长度小log2n位的数字作为明文块。对于明文块M和密文块C加/解密的形式如下：

加密(jiāmì)：C=Memodn

解密：M＝Cdmodn=(Me)dmodn=Medmodn

第三十八页，共67页。RSA算法(suànfǎ)的安全性RSA的安全性基于大数分解质因子的困难性。因为若n被分解为n=p*q，则(n)、e、d可依次求得。目前，因式分解速度最快的方法的时间复杂性为exp(sqrt(ln（n))Inln(n)))统计数据表明，在重要应用中，使用512位的密钥己不安全，需要(xūyào)采用1024位的密钥第三十九页，共67页。著名(zhùmíng)的公钥密码算法2椭圆曲线密码(mìmǎ)ECC安全性能更高如160位ECC与1024位RSA、DSA有相同的安全强度。计算量小，处理速度快在私钥的处理速度上（解密和签名），ECC远比RSA、DSA快得多。存储空间占用小ECC的密钥尺寸和系统参数与RSA、DSA相比要小得多，所以占用的存储空间小得多。第四十页，共67页。公钥密码算法(suànfǎ)的特点密钥管理(guǎnlǐ)方便：n个用户n对密钥便于实现密钥交换、身份认证等加解密速度慢第四十一页，共67页。公钥算法如何(rúhé)实现保密通信实现思想（思考提问(tíwèn)）如何实现密钥管理？第四十二页，共67页。公钥算法(suànfǎ)如何实现真实性实现(shíxiàn)思想（思考提问）声称者要通过证明他知道某秘密签名密钥来证实身份分类(fēnlèi) 单向鉴别：仅对实体中的一个进行鉴别 双向鉴别：两个通信实体相互进行鉴别第四十三页，共67页。使用公钥算法实现(shíxiàn)认证第四十四页，共67页。存在(cúnzài)的问题如何确认(quèrèn)对方的公钥是真实的？使用可信第三方颁发的证书作为验证身份的凭证常用的CA证书认证体系基于PKI公钥基础设施PKI即PublicKeyInfrastructure，公钥基础设施，是一个用公钥理论和技术来实施和提供(tígōng)安全服务的具有普适性的安全基础设施第四十五页，共67页。如何使用(shǐyòng)公钥算法实现完整性实现思想（思考提问）结合摘要(zhāiyào)算法，设计合理协议第四十六页，共67页。对称(duìchèn)密钥和非对称(duìchèn)密钥算法的比较对称密码算法优点：基于基本的替代和置换，运算简单，速度(sùdù)快密钥需要事先进行安全交换密钥规模复杂，Cn2=n(n-1)/2，管理困难非对称密钥算法不需要交换密钥，方便鉴别和签名密钥管理方便，n个用户n对密钥，可认证运算量，速度(sùdù)慢第四十七页，共67页。如何(rúhé)结合两类算法的优点公钥加密传递对称密钥：安全(ānquán)方便对称密钥进行加密：速度快，效率高第四十八页，共67页。适用(shìyòng)公钥算法进行密钥交换产生(chǎnshēng)密钥密钥传递第四十九页，共67页。其他(qítā)相关算法第五十页，共67页。数字摘要(zhāiyào)算法目的：数据完整性（验证是否被篡改）基本形式：h=H(M)散列函数(hánshù)要求：对于任何给定x，H(x)的计算相对容易；对于任何给定的h，寻找x，使H(x)=h在计算上是不可行的，即单向性对于任何给定的分组x，寻找不等于x的y，使H(y)=H(x)在计算上是不可行的第五十一页，共67页。常用摘要(zhāiyào)算法MD5SHA-1MD5SHA-1摘要长度128160基本处理单元（bit)512512步骤数64（4个16步循环）80（4个20步循环）消息最大长度不限264-1bit第五十二页，共67页。MD5研究进展MD5破解工程权威网站/是为了公开征集专门针对MD5的攻击而设立的，网站于2004年8月17日宣布：“中国研究人员(rényuán)发现了完整MD5算法的碰撞；Wang,Feng,Lai与Yu公布了MD5、MD4、HAVAL-128、RIPEMD-128几个Hash函数的碰撞。这是近年来密码学领域最具实质性的研究进展。使用他们的技术，在数个小时内就可以找到MD5碰撞。……由于这个里程碑式的发现，MD5CRK项目将在随后48小时内结束”第五十三页，共67页。数字签名算法(suànfǎ)目的(mùdì)1：身份认证，即确认通信对方的真实性目的(mùdì)2：不可否认性，即不可抵赖。实现方法：算法体制（协议）第五十四页，共67页。签名(qiānmíng)与验证的过程(接收者)对方的公钥认证自己的私钥签名(发送者)明文数字签名HASH值HASH算法?明文HASH值HASH算法数字签名第五十五页，共67页。常用签名(qiānmíng)算法采用对称(duìchèn)算法的数字签名（不太常用）必须有一个可信的第三方采用公钥算法的数字签名P:明文plaintext，C:密文ciphertext

E:加密encrypt，D:解密decrypt加密：C=E(P),P=D(C),即P=D(E(P))签名：C=D(P),P=E(C),即P=E(D(P))常用算法：RSA，ELGamal第五十六页，共67页。安全协议(xiéyì)举例——SSL第五十七页，共67页。SSL协议(xiéyì)SSL是SecuresocketLayer英文缩写,它的中文意思是安全套接层协议,指使用(shǐyòng)公钥和私钥技术组合的安全网络通讯协议SSL一经提出，就在Internet上得到广泛的应用，最常用来保护Web的安全第五十八页，共67页。SSL简介(jiǎnjiè)SSL是一种在客户端和服务器端之间建立(jiànlì)安全通道的协议SSL协议指定了一种在应用程序协议(如Http、Telenet、NMTP和FTP等)和TCP/IP协议之间提供数据安全性分层的机制第五十九页，共67页。SSL能够实现(shíxiàn)什么？通过完整的协议，使用对称和非对称算法，实现(shíxiàn)如下目标：秘密性完整性真实性第六十页，共67页。SSL的协议(xiéyì)结构握手协议修改密文协议报警协议

SSL记录协议

TCP

IP第六十一页，共67页。SSL记录(jìlù)协议SSL记录协议为SSL连接提供了两种服务(fúwù):一是机密性,二是消息完整性。SSL记录协议接收传输的应用报文,将数据分片成可管理的块,进行数据压缩(可选),应用MAC,接着利用IDEA、DES、3DES或其他加密算法进行数据加密,最后增加由内容类型、主要版本、次要版本和压缩长度组成的首部。被接收的数据刚好与接收数据工作过程相反,依次被解密、验证、解压缩和重新装配,然后交给更高级用户第六十二页，共67页。SSL修改密文(mìwén)协议SSL修改密文协议是使用SSL记录协议服务的SSL高层协议的3个特定协议之一,也是其中最简单的一个。