应用密码学基础(微课视频版) 教案 李晓峰

PAGE6—PAGE14—《应用密码学基础》教案一、教学内容（一）课程学习的具体内容第一单元：引言【学习目标】1.了解基本安全威胁。2.了解基本安全模型。3.掌握几种古典密码。4.了解密码学基本概念。【学习内容】了解信息的定义、信息传输示例讲解、编码、信息安全模型、科克霍夫原则、安全定义、密码学研究内容。【教学提示】可以先从“信息安全”导入，导入两个基本概念：信息如何度量？“安全”如何定义？从而引入课程中学习内容。另外从系统安全目标的概念介绍一下常见的安全模型，突出这些安全模型都是针对不同安全目标提出的。【作业布置】课后习题。【教学资源】R.V.L.Hartley,"Transmissionofinformation,"inTheBellSystemTechnicalJournal,vol.7,no.3,pp.535-563,July1928,doi:10.1002/j.1538-7305.1928.tb01236.x./uisu/InfSecClaT/Role-based+access+control/Information+security/第二单元：古典密码【学习目标】对密码学数学基础的内容进行回顾，了解简单替换密码、凯撒、移位、乘法等基本加密算法及其数学表示。【学习内容】古典密码介绍，串讲一下密码学数学基础的内容（可以找一本信息安全数学基础教材），如：整除、同余、乘法逆元、线性同余方程、群的基本概念等内容。【教学提示】串讲密码学数学基础时，注重基本概念介绍即可。讲解古典密码时，讲解以下典型的古典密码的已知明文攻击。【作业布置】课后习题。凯撒加密编程练习。汉字加密编程练习。【教学资源】ShannonCE.Communicationtheoryofsecrecysystems[J/OL].TheBellSystemTechnicalJournal,1949,28(4):656-715.DOI:10.1002/j.1538-7305.1949.tb00928.x.贾春福.信息安全数学基础[M].中国:机械工业出版社,2017.李晓峰.网络空间安全数学基础讲义[M].中国:开源书，http://buuer_xxtxiaofeng.gitee.io/lxf/CSSMathFound.html,2019.第三单元：流密码【学习目标】1.了解流密码的设计重点。2.LCG和LFSR的密钥生成及基本理论结论。【学习内容】流密码的基本概念、同步流密码、有限状态自动机、密钥流产生器、线性反馈移位寄存器、线性移位寄存器的一元多项式表示、m序列的伪随机性、m序列密码的破译、非线性序列【教学提示】【作业布置】【教学资源】阅读课本和相关参考文献，并编程实现简答的算法。第三单元：分组密码体制【学习目标】1.掌握分组密码体制的基本概念。2.掌握DES。3.掌握差分密码分析。4.了解IDEA、AES等。【学习内容】3.1分组密码概述3.1.1代换3.1.2扩散和混淆3.1.3Feistel密码结构3.2数据加密标准3.2.1DES描述3.2.2二重DES3.2.3两个密钥的三重DES3.2.43个密钥的三重DES3.3差分密码分析与线性密码分析3.3.1差分密码分析3.3.2线性密码分析3.4分组密码的运行模式3.4.1电码本模式3.4.2密码分组链接模式3.4.3密码反馈模式3.4.4输出反馈模式3.5IDEA3.5.1设计原理3.5.2加密过程3.6AES算法——Rijndael3.6.1Rijndael的数学基础和设计思想3.6.2算法说明3.7中国商用密码算法SM43.8祖冲之密码3.8.1算法中的符号及含义3.8.2祖冲之密码的算法结构3.8.3祖冲之密码的运行3.8.4基于祖冲之密码的机密性算法【学习重点】1.分组密码概念。2.DES。3.差分分析。【学习难点】3DES。AES.线性分析。【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献，并编程实现简答的算法。第四单元：公钥密码【学习目标】1.理解公钥密码体制的基本概念。2.掌握RSA算法。3.理解RSA攻击方法。4.了解背包密码体制和椭圆曲线密码体制。【学习内容】4.1密码学中一些常用的数学知识834.1.1群、环、域834.1.2素数和互素数854.1.3模运算864.1.4模指数运算884.1.5费尔马定理、欧拉定理、卡米歇尔定理894.1.6素性检验924.1.7欧几里得算法954.1.8中国剩余定理984.1.9离散对数1014.1.10平方剩余1024.1.11循环群1054.1.12循环群的选取1064.1.13双线性映射1074.1.14计算复杂性1084.2公钥密码体制的基本概念1094.2.1公钥密码体制的原理1104.2.2公钥密码算法应满足的要求1114.2.3对公钥密码体制的攻击1124.3RSA算法1134.3.1算法描述1134.3.2RSA算法中的计算问题1154.3.3一种改进的RSA实现方法1164.3.4RSA的安全性1164.3.5对RSA的攻击1184.4背包密码体制1194.5Rabin密码体制1214.6NTRU公钥密码系统1234.7椭圆曲线密码体制1244.7.1椭圆曲线1244.7.2有限域上的椭圆曲线1254.7.3椭圆曲线上的点数1274.7.4明文消息到椭圆曲线上的嵌入1274.7.5椭圆曲线上的密码1284.8SM2椭圆曲线公钥密码加密算法130【学习重点】1.理解公钥密码体制的基本概念。2.掌握RSA算法。3.理解RSA攻击方法。4.了解背包密码体制和椭圆曲线密码体制。【学习难点】1.背包密码体制和椭圆曲线密码体制。【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献，并编程实现简答的算法。第五单元：密钥分配与密钥管理【学习目标】1.理解密钥分配的基本方法。2.掌握公钥体制的密钥管理。3.了解秘密分割。【学习内容】5.1单钥加密体制的密钥分配1355.1.1密钥分配的基本方法1355.1.2一个实例1355.1.3密钥的分层控制1375.1.4会话密钥的有效期1375.1.5无中心的密钥控制1375.1.6密钥的控制使用1385.2公钥加密体制的密钥管理1395.2.1公钥的分配1395.2.2用公钥加密分配单钥密码体制的密钥1415.2.3Diffie\|Hellman密钥交换1435.3随机数的产生1445.3.1随机数的使用1445.3.2随机数源1455.3.3伪随机数产生器1455.3.4基于密码算法的随机数产生器1475.3.5随机比特产生器1495.4秘密分割1505.4.1秘密分割门限方案1505.4.2Shamir门限方案1515.4.3基于中国剩余定理的门限方案152【学习重点】1.理解密钥分配的基本方法。2.掌握公钥体制的密钥管理。3.了解秘密分割。【学习难点】公钥体制的密钥管理。秘密分割【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献，并编程实现简答的算法。第六单元：消息认证和哈希函数【学习目标】1.掌握消息认证码和哈希函数的定义。2.掌握生日攻击原理。3.掌握MD5算法。【学习内容】6.1消息认证码1566.1.1消息认证码的定义及使用方式1566.1.2产生MAC的函数应满足的要求1576.1.3数据认证算法1586.1.4基于祖冲之密码的完整性算法128EIA31596.2哈希函数1616.2.1哈希函数的定义及使用方式1616.2.2哈希函数应满足的条件1626.2.3生日攻击1646.2.4迭代型哈希函数的一般结构1656.3MD5哈希算法1666.3.1算法描述1666.3.2MD5的压缩函数1696.3.3MD5的安全性1706.4安全哈希算法1716.4.1算法描述1716.4.2SHA的压缩函数1726.4.3SHA与MD5的比较1746.4.4对SHA的攻击现状1746.5HMAC1756.5.1HMAC的设计目标1756.5.2算法描述1756.5.3HMAC的安全性1776.6SM3哈希算法1786.6.1SM3哈希算法的描述1786.6.2SM3哈希算法的安全性179【学习重点】1.掌握消息认证码和哈希函数的定义。2.掌握生日攻击原理。3.掌握MD5算法。【学习难点】1.生日攻击原理。【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献，并编程实现简答的算法。第七单元：数字签名和认证协议【学习目标】1.理解数字签名的基本概念。2.了解数字签名标准。3.了解离散对数、大数分解、基于身份的签名体制。【学习内容】7.1数字签名的基本概念1827.1.1数字签名应满足的要求1827.1.2数字签名的产生方式1837.1.3数字签名的执行方式1847.2数字签名标准1867.2.1DSS的基本方式1867.2.2数字签名算法DSA1877.3其他签名方案1887.3.1基于离散对数问题的数字签名体制1887.3.2基于大数分解问题的数字签名体制1927.3.3基于身份的数字签名体制1937.4SM2椭圆曲线公钥密码签名算法1947.5认证协议1967.5.1相互认证1967.5.2单向认证200【学习重点】1.理解数字签名的基本概念。2.了解数字签名标准。3.了解离散对数、大数分解、基于身份的签名体制。【学习难点】1.数字签名标准。2.离散对数、大数分解、基于身份的签名体制。【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献，并编程实现简答的算法。第八单元：密码协议【学习目标】1.掌握基本协议。2.了解零知识证明。【学习内容】8.1一些基本协议2028.1.1智力扑克2028.1.2掷硬币协议2038.1.3数字承诺协议2048.1.4不经意传输协议2058.2零知识证明2088.2.1交互式证明系统2088.2.2交互式证明系统的定义2098.2.3交互式证明系统的零知识性2098.2.4非交互式证明系统2128.2.5适应性安全的非交互式零知识证明2138.2.6零知识证明协议的组合2138.2.7图的三色问题的零知识证明2148.2.8知识证明2158.2.9简化的Fiat\|Shamir身份识别方案2188.2.10FiatShamir身份识别方案2198.3安全多方计算协议2208.3.1安全多方计算问题2208.3.2半诚实敌手模型2218.3.3恶意敌手模型225【学习重点】1.掌握基本协议。2.了解零知识证明。【学习难点】1.零知识证明。【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献。第九单元：可证明安全【学习目标】1.理解语义安全的概念。2.掌握语义安全的RSA加密。3.了解基于身份的密码体制。【学习内容】9.1语义安全的公钥密码体制的定义2299.1.1选择明文攻击下的不可区分性2299.1.2公钥加密方案在选择密文攻击下的不可区分性2339.1.3公钥加密方案在适应性选择密文攻击下的不可区分性2359.1.4归约2369.2语义安全的RSA加密方案2379.2.1RSA问题和RSA假设2379.2.2选择明文安全的RSA加密2389.2.3选择密文安全的RSA加密2409.3Paillier公钥密码系统2439.3.1合数幂剩余类的判定2439.3.2合数幂剩余类的计算2449.3.3基于合数幂剩余类问题的概率加密方案2469.3.4基于合数幂剩余类问题的单向陷门置换2479.3.5Paillier密码系统的性质2489.4CramerShoup密码系统2499.4.1CramerShoup密码系统的基本机制2499.4.2CramerShoup密码系统的安全性证明2509.5RSAFDH签名方案2529.5.1RSA签名方案2529.5.2RSAFDH签名方案的描述2539.5.3RSAFDH签名方案的改进2559.6BLS短签名方案2579.6.1BLS短签名方案所基于的安全性假设2579.6.2BLS短签名方案描述2579.6.3BLS短签名方案的改进一2599.6.4BLS短签名方案的改进二2599.7基于身份的密码体制2609.7.1基于身份的密码体制定义和安全模型2609.7.2随机谕言机模型下的基于身份的密码体制2639.8分叉引理273【学习重点】1.理解语义安全的概念。2.掌握语义安全的RSA加密。3.了解基于身份的密码体制。【学习难点】语义安全的RSA加密。了解基于身份的密码体制。【教学方法与学习活动】1.通过对基本知识的讲授，阐明基本原理，养成良好科学思维方式。2.通过案例分析，突出古典密码原理，学会编程利用。3.通过小组合作学习，树立团队合作意识，发展合作精神。4.通过课堂汇报和课堂辩论，强化自学能力，锻炼表达能力。5.通过自主学习，能够辨识重点知识，获取自我学习的能力。【课外学习】：不少于6学时阅读课本和相关参考文献。第十单元：网络加密与认证【学习目标】1.理解TCP/IP分层模型。2.理解Kerberos认证系统、x.509和PGP289。【学习内容】10.1网络通信加密27710.1.1开放系统互连