网络安全 课件 第3、4章 加密算法、报文摘要算法

网络安全第三章第３章加密算法本章主要内容基本概念和分类；对称密钥体制；非对称密钥体制；两种密钥体制的特点和适用范围。3.1基本概念和分类本讲主要内容基本概念；加密传输过程；密码体制分类。一、基本概念1．加密解密本质加密前的原始信息称为明文，加密后的信息称为密文，加密过程就是明文至密文的转换过程。为了保障信息的保密性，不能通过密文了解明文的内容。明文至密文的转换过程必须是可逆的，解密过程就是加密过程的逆过程，是密文至明文的转换过程。一、基本概念2．传统加密解密算法（1）凯撒密码

ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABCGOODMORNINGJRRGPRUQLQJ一、基本概念2．传统加密解密算法（2）换位密码

换位密码是一种通过改变明文中每一个字符的位置，完成将明文转换成密文过程的加密算法。加密过程换位规则（2,4,1,3）解密过程换位规则（3,1,4,2）一、基本概念3．现代加密解密算法

明文m、密文c、加密算法E、加密密钥ke、解密算法D和解密密钥kd。明文m转换成密文c的过程如下：c=E（m，ke）加密过程是以明文m和加密密钥ke为输入的加密函数运算过程。c=E（m，ke）也可以用c=Eke（m）表示密文c转换成明文m的过程如下：m=D（c，kd）解密过程是以密文c和解密密钥kd为输入的解密函数运算过程。m=D（c，kd）也可以用m=DKd（c）表示。密码体制要求满足：DKd（Eke（m））=m。一、基本概念3．现代加密解密算法

明文集合M，由明文m的二进制数位数确定，如果明文m的二进制数位数为nm，则明文集合M包含2nm个不同的明文；密文集合C，由密文c的二进制数位数确定，如果密文c的二进制数位数为nc，则密文集合C包含2nc个不同的密文；加密密钥集合KE，由加密密钥的二进制数位数确定，如果加密密钥的二进制数位数为nke，则加密密钥集合KE包含2nke个不同的密钥；解密密钥集合KD，由解密密钥的二进制数位数确定，如果解密密钥的二进制数位数为nkd，则解密密钥集合KD包含2nkd个不同的密钥。现代密码体制的Kerckhoff's原则是：所有加密解密算法都是公开的，保密的只是密钥。二、加密传输过程发送端将明文m和加密密钥ke作为加密函数E的输入，加密函数E的运算结果是密文c。密文c沿着发送端至接收端的传输路径到达接收端。接收端将密文c和解密密钥kd作为解密函数D的输入，解密函数D的运算结果是明文m。三、密码体制分类1．对称密钥体制和非对称密钥体制如果加密密钥ke等于解密密钥kd，这种密钥体制称为对称密钥体制。如果加密密钥ke不等于解密密钥kd，且无法由一个密钥直接导出另一个密钥，这种密钥体制称为非对称密钥体制。非对称密钥体制也称为双密钥密码体制。三、密码体制分类2．两种密钥体制的特点对称密钥体制的特点是密钥分发和保护困难。非对称密钥体制的特点是密钥分发容易。3.2对称密码体制本讲主要内容分组密码体制和流密码体制；分组密码体制；流密码体制；对称密钥体制的密钥分配过程。一、分组密码体制和流密码体制1．安全性要求唯密文攻击已知明文攻击选择明文攻击选择密文攻击一、分组密码体制和流密码体制2．安全密码体制实现思路存在两种实现安全密码体制的方法，一是可以重复使用密钥k，但是，加密解密算法必须复杂到能够防御选择明文攻击和选择密文攻击的程度，且这种防御攻击的能力已经被广泛证明。二是一次一密钥，每一次加密运算使用不同的密钥，且密钥必须在足够大的密钥集中随机产生，确保密钥之间没有相关性，攻击者无法根据已知的有限密钥序列推导出下一次用于加密运算的密钥，但对加密解密算法的复杂性没有要求。分组密码体制针对第一种方法。流密码体制针对第二种方法，流密码体制也称序列密码体制。二、分组密码体制1．分组密码体制的本质含义输入是n位明文m和b位密钥k，输出是n位密文c，表示成Ek（m）=c。二、分组密码体制1．分组密码体制的本质含义首先对任意长度明文进行填充，使得填充后的明文长度是加密算法要求的长度的整数倍。然后将填充后的明文分割成长度等于加密算法规定长度的数据段，对每一段数据段独立进行加密运算，产生和数据段长度相同的密文，密文序列和明文分段后产生的数据段序列一一对应。二、分组密码体制1．分组密码体制的本质含义分组密码体制的加密算法完成的是n位明文至n位密文之间的映射，同样，解密算法完成的是n位密文至n位明文之间的映射。n位明文至n位密文之间的映射可以多达2n!，密钥k的值用于在多达2n!种映射中选择一种映射，并因此导出2n个明文编码和2n个密文编码之间的对应关系。（1）Feistel分组密码结构的加密运算过程加密运算Li＝Ri-1Ri=Li-1⊕F（Ri-1，Ki）解密运算Ri-1

＝LiLi-1=Ri⊕F（Ri-1，Ki）＝F（Li，Ki）加密解密算法的复杂度取决于函数F的运算复杂度，函数F往往由多次替代和置换运算实现。二、分组密码体制二、分组密码体制（2）替代运算替代是将数据段中的二进制数分段，每一段二进制数用对应的编码代替。（3）置换运算置换运算是按照置换规则重新排列数据段中二进制数的顺序。二、分组密码体制（3）置换运算

二、分组密码体制3．数据加密标准

64位明文首先进行初始置换（IP），初始置换结果被分成两部分：L0和R0，它们成为Feistel分组密码结构的原始输入。经过16次迭代运算的结果就是Feistel分组密码结构的输出Ln+1和Rn+1，对其进行初始置换对应的逆置换，逆置换结果就是DES加密运算后的密文。二、分组密码体制3．数据加密标准

58501234261810260524436282012462544638302214664564840322416857494133251791595143352719113615345372921135635547393123157初始置换规则表40848165624643239747155523633138646145422623037545135321612936444125220602835343115119592734242105018582633141949175725初始置换规则表DES迭代函数；E是扩展运算；S是替代运算；P是置换运算。二、分组密码体制二、分组密码体制选位和置换运算1（P1）所完成的功能就是从64位密钥k中提取出真正用作密钥的56位，得到的结果被分成两部分，前28位作为C0，后28位作为D0；这两部分分别循环左移n1位。产生不同的子密钥时，循环左移的位数是不同的；选位和置换运算2（P2）所完成的功能就是从循环左移后得到的56位结果中提取48位。AES加密运算过程二、分组密码体制明文分段；每一段单独加密，产生密文；各段密文组合成最终密文如果明文内容有规律重复，密文内容也同样有规律重复，降低保密性。分组密码操作模式（1）电码本模式二、分组密码体制（2）加密分组链接模式加密过程Y1=EK（IV⊕P1）Yi=EK（Yi-1⊕Pi）解密过程P1=IV⊕DK（Y1）Pi=Yi-1⊕DK（Yi）重复的明文内容，不会产生重复的密文，改变初始向量，可以使相同明文产生不同的密文，以此增强保密性。加密过程解密过程二、分组密码体制无穷大的密钥集，密钥不可能重复，密钥之间没有任何相关性。密文Y=P⊕Ki，因此，很容易根据明文和密文得出密钥，Ki=P⊕Y。密钥的安全性在于不重复、不可预测。三、流密码体制流密码体制IV‖K作为随机数种子，伪随机数生成器产生一次密钥，K一定时间内维持不变，因此，密钥集大小＝224。由于K不变，和伪随机数生成算法的问题，密钥之间存在相关性。1．WEP加密解密过程三、流密码体制四、对称密钥体制的密钥分配过程用户A向KDC发送请求：EKA（A，B）；KDC分配会话密钥R1，向用户A发送EKA(R1‖EKB(A,R1))；用户A向用户B发送EKB(A,R1)双方用会话密钥R1加密数据。四、对称密钥体制的密钥分配过程Diffie-Hellman密钥交换算法同步密钥K的过程3.3非对称密钥体制本讲主要内容公开密钥加密算法原理；RSA公开密钥加密算法；公开密钥加密算法密钥分发原则。一、公开密钥加密算法原理发送者用加密算法E和密钥PK对明文m进行加密，接收者用解密算法D和密钥SK对密文c进行解密。加密密钥PK是公开的，而解密密钥SK是保密的，只有接收者知道。一、公开密钥加密算法原理容易成对生成密钥PK和SK。加密和解密算法是公开的，而且可以对调，即DSK（EPK（m））＝EPK（DSK（m））＝m。加密和解密过程容易实现。从计算可行性讲，无法根据PK推导出SK。从计算可行性讲，无法根据PK和密文c推导出明文m。二、RSA公开密钥加密算法RSA公开密钥加密算法也是一种分组密码算法，每一组数据m是0～n－1的整数，n和密钥的长度相关。c=memodn。m=cdmodn=（me）dmodn=medmodn。二、RSA公开密钥加密算法能够找到整数e、d和n，对所有0～n－1的整数m，满足等式m=medmodn。对所有0～n－1的整数m，计算me和med

（cd）是可行的。从计算可行性讲，无法根据e和n，推导出d。二、RSA公开密钥加密算法RSA公开密钥加密算法的基本思想是数论中的以下规则：求出两个大素数比较简单，但将它们的乘积分解开则及其困难。根据上述思想得出求解e、d和n的过程如下。选择两个不同的大素数p和q，使得n=p×q。计算欧拉函数Φ（n）=（p－1）×（q－1）。从2～Φ（n）－1中选择一个与Φ（n）互素的数作为e。求出满足等式edmodΦ（n）=1的d。当n足够大时，很难通过n和e推导出d。三、公开密钥加密算法密钥分发原则成对生成加密密钥和解密密钥；公告加密密钥、保密解密密钥；需要证明密文接收者与加密密钥之间的绑定关系。3.4两种密钥体制的特点和适用范围本讲主要内容两种密钥体制的特点；两种密钥体制的有机结合。一、两种密钥体制的特点对称密钥加密算法的优势是加密解密运算过程相对简单，计算量相对较少，劣势是密钥的分发比较困难。公开密钥加密算法的劣势是加密解密运算过程比较复杂，计算量相对较大。优势是密钥分发简单，可以通过有公信力的传播媒介公告公钥。二、两种密钥体制的有机结合发送端随机产生密钥K，用密钥K和对称密钥加密算法，如DES，加密发送给接收端的数据m，产生数据密文c1（c1=DESEK（m）），同时，用接收端的公钥PKA和RSA加密算法加密对称密钥K，产生密钥密文c2（c2=RSAEPKA（K））。二、两种密钥体制的有机结合接收端用公钥PKA对应的私钥SKA和RSA解密算法解密出密钥K（RSADSKA(RSAEPKA（K）)=K），然后用密钥K和对称密钥解密算法解密出数据m（m=DESDK(DESEK（m）)。网络安全第四章第4章报文摘要算法本章主要内容基本概念和特点；MD5；SHA；HMAC；报文摘要应用。

报文摘要算法4.1基本概念和特点本讲主要内容完整性检测；报文摘要算法特点。一、

完整性检测检错码C=f（D）；假定接收端接收到Cˊ和Dˊ只有当Cˊ=f（Dˊ）时，接收端确认传输过程正确。1．检错码一、

完整性检测发送端检错码C=EK（f（D））；检测出精心篡改的前提是：函数f（）有着如下特性：对于任何x，找不出y，x≠y，但f（x）=f（y）。2．报文摘要和完整性检测过程二、报文摘要算法特点假定MD为报文摘要算法，MD（X）是算法对报文X作用后产生的标识信息，MD必须满足如下要求：能够作用于任意长度的报文；产生有限位数的标识信息；易于实现；具有单向性。只能根据报文X求出MD（X），从计算可行性讲，无法根据标识信息h，得出报文X，且使得MD（X）=h；具有抗碰撞性。从计算可行性讲，对于任何报文X，无法找出另一个报文Y，X≠Y，但ＭＤ（X）＝ＭＤ（Y）；具有高灵敏性。即使只改变报文X中一位二进制位，也使得重新计算后的ＭＤ（X）变化很大。4.2MD5本讲主要内容添加填充位；分组操作；MD5运算过程。一、添加填充位

假定报文的长度为X，首先添加首位为1，其余位为0的填充位，填充位的长度Y由下式确定。（X+Y）mod512=448二、分组操作长度字段为64位，（报文＋填充）mod=448，保证总长是512的整数倍；报文以512位为单位分段，前一段MD5的运算结果和当前段数据作为MD5输入，运算结果为128位；初始向量IV和第一段数据作为MD5输入。128位IV和中间结果Ci分为4个32位字：A、B、C和D；512位数据段Yi分为16个32位字；4级运算FF、GG、HH和II中的每一级完成16次运算，分解Yi产生的16个字分别参加16次运算；每一次运算改变其中一个字的值，4个字16次运算中分别改变4次；每一次运算结果和4个字的当前值和分解Yi产生的其中一个字有关；4级运算后的最终结果和上一次中间结果相加，构成本次中间结果。三、MD5运算过程4.3SHA本讲主要内容SHA-1与MD5之间的异同；SHA-1运算过程；SHA-1与MD5安全性和计算复杂性比较。一、SHA-1与MD5之间的异同1．SHA-1与MD5之间的相同点SHA-1有着与MD5相同的填充过程；SHA-1也将报文分成512位长度的数据段；对数据段进行与MD5相同的分组操作。一、SHA-1与MD5之间的异同2．SHA-1与MD5之间的不同点初始向量和每一段数据段的运算结果是5个32位的字，即160位；每一级操作进行20次迭代运算，4级共80次迭代运算；需要将16个32位字的数据段扩展为80个32位字；扩展后的80个32位字分别参加80次迭代运算；每一级操作使用相同的常量，因此，只需要4个不同的常量。二、SHA-1运算过程1．SHA-1数据段扩展过程假定构成数据段的16个32位字是M[k]（0≤k≤15），扩展后的80个32位字是W[i]（0≤i≤79），扩展过程如下。W[t]=M[t]（0≤t≤15）W[t]=W[t-3]

W[t-8]

W[t-14]

W[t-16]（16≤t≤79）二、SHA-1运算过程2．每一级运算过程每一级运算使用的函数如下：F1（X,Y,Z）＝X·YOR/X·ZF2（X,Y.Z）＝X

Y

ZF3（X,Y,Z）＝X·YORX·ZORY·ZF4（X,Y,Z）＝X

Y

Z二、SHA-1运算过程2．每一级运算过程完成每一级运算过程需要20次迭代运算，第i级运算进行的20次迭代运算如下。FORj=（i－1）×20to（i－1）×20+19{TEMP=S5（A）+Fi（B,C,D）+E+W[j]+Ki;E=D;D=C;C=S30（B）;B=A;A=TEMP;}三、SHA-1与MD5安全性和计算复杂性比较1．安全性由于SHA-1的摘要长度是160位，MD5的摘要长度是128位，因此，SHA-1的抗碰撞性更好。2．计算复杂性SHA-1的计算复杂性高于MD5，因此，SHA-1比MD5需要更多的计算时间。4.4HMAC本讲主要内容完整性检测要求；HMAC运算过程和运算思路。一、完整性检测要求

报文摘要的主要用途是对报文进行完整性检测，由于报文摘要算法的公开性，获得报文，便可计算出对应的报文摘要，因此，必须将报文摘要算法和加密算法相结合才能实现报文的完整性检测。二、HMAC运算思路和运算过程1．HMAC运算思路完整性检测要求发送端和接收端完成报文摘要和加密解密运算。为了简化运算过程，发送端将报文和密钥串接后再进行报文摘要运算，即h=MD（P‖K）。2．HMAC运算过程密钥K扩展为b位（报文摘要算法要求的数据段长度）；K+⊕ipad作为其中一个数据段进行报文摘要运算；将报文摘要运算结果（n位）扩展为b位，K+⊕opad作为其中一个数据段进行报文摘要运算；报文摘要运算结果作为散列消息认证码（HMAC）。二、HMAC运算思路和运算过程HMAC完成完整性检测过程二、HMAC运算思路和运算过程4.5报文摘要应用本讲主要内容完整性检测；消息鉴别；口令安全存储；数字签名。一、完整性检测f是报文摘要算法，可以是MD5、SHA-1，或其他报文摘要算法。二、消息鉴别为了实现消息鉴别，一是使得接收端和发送端X拥有相同的密钥K，且密钥K只有接收端和发送端X知道。二是对于消息M，使得发送端X生成的附加信息C=EK