网络基础安全 8

《网络安全与管理》第2章密码学基础为什么说，密码学是解决网络安全中机密性、完整性等问题的理论基础？如何保障网络信息的安全性？则需要从密码学的基本理论着手，深入研究保密通信系统的组成、密码体制及其度量准则，包括密码的算法设计、编码及分析。本章通过对密码学基本理论的简要阐释，重点讨论几种常用的典型密码算法，以期阐明密码学是什么，密码编码、密码分析方法，如何有效应用密码学为网络、系统、数据、应用安全提供密码学服务。引言攻其无备，出其不意。此兵家之胜，不可先传也。夫未战而庙算胜者，得算多也；未战而庙算不胜者，得算少也。多算胜，少算不胜，而况于无算乎？——《孙子兵法》（始计篇）妙用兵法2.1

密码学的基本概念2.2

对称密码体制2.3

公钥密码体制2.4

密码分析与选用本章小结小测验第2章密码学基础掌握密码学的基本知识，为密码学应用奠定基础；掌握几种经典的密码学算法，包括对称密码体制、公钥密码体制和国产密码算法。第2章密码学基础密码编码、密码分析方法；如何有效应用密码学为网络、系统、数据、应用安全提供密码学服务。学习目标关键知识点密码学是研究密码编制、密码破译和密钥管理的一门综合性应用科学。密码学包括两个分支：密码编码学和密码分析学。其中，密码编码学研究对数据进行变换的原理、手段和方法，应用于编制密码以保守通信秘密；密码分析学研究如何破译密码以获取通信情报。密码编码学和密码分析学是两个既对立又统一的矛盾体，安全的密码机制能促进分析方法的发展，而强大的分析方法又加速了更加安全密码体制的诞生。密码编码学和密码分析学两者相互对立、相互依存并共同发展。2.1密码学的基本概念1.古代加密方法古代加密方法阶段被称为科学密码学的前夜。这一阶段的密码技术可以说是一种艺术，还不是一种科学，密码学专家常常凭知觉和信念来进行密码设计和分析，而不是推理和证明。2.古典密码方法掩格密码凯撒（Caesar）密码古典密码可以分为两大类：一是代换加解密方法，将一组字母换成其他字母或符号；二是置换加解密方法，将字母的顺序重新排列。2.1.1密码学发展简况3.近代密码学1949年，美国人香农（ClaudeShannon）在《BellSystemTechnicalJournal》上发表了一篇名为“保密系统的通信理论（CommunicationTheoryofSecuritySystem）”的论文。这篇论著提出了密码设计必须遵守“扩散（Diffusion）”和“混淆（Confusion）”原则。香农的这篇论文产生了信息论，为对称密码系统建立了理论基础，使得保密通信从艺术变成了科学，将密码学研究纳入了科学的轨道。从第一次世界大战、第二次世界大战到1976年这段时期被认为是近代密码学阶段。2.1.1密码学发展简况4.现代密码学1976年迪菲、赫尔曼（W.Diffie、M.Hellman）在所发表的“密码学的新方向（NewDirectioninCryptography）”文章中，提出了一种新的密码设计思想，从而开创了公钥密码学的新纪元，使密码学取得了重大突破，进入现代密码学阶段。近现代密码学融入了大量的数论、几何、代数等知识，使密码学得到更加蓬勃的发展。5.量子密码学量子密码采用量子态作为信息载体在用户之间传送信息。2.1.1密码学发展简况6.国产密码算法我国密码研究及应用具有悠久的历史，可追溯的标志性密码可谓是我国古代通信中保守军事秘密的阴符和阴书。自20世纪末国家发布《商用密码管理条例》以来，我国的密码研究及密码应用进入了快速发展应用时期。目前，我国已经发布了40多项密码标准，形成了较为完善的密码标准体系。国产密码算法主要指国家商用密码管理办公室指定的一系列密码标准，又称商用密码，例如SM2、SM3、SM4等系列密码算法。2.1.1密码学发展简况1.密码学中的常用概念及术语明文（Message）：一般可以简单地认为，明文是有意义的字符或比特集，或通过某种公开的编码标准就能获得的消息。明文常用M表示。密文（Ciphertext）：对明文施加某种伪装或变换后的输出，也可认为是不可直接理解的字符或比特集。密文常用C表示。加密（Encryption）：把原始信息（明文）转换为密文的信息变换过程。解密（Decryption）：把已加密的信息（密文）恢复成明文的过程，也称为脱密。密码算法：也简称密码，通常是指加、解密过程所使用的信息变换规则，是用于信息加密和解密的数学函数。2.1.2密码系统1.密码学中的常用概念及术语加解密算法：对明文进行加密时所采用的一组规则（或函数）称作加密算法，而对密文进行解密时所采用的规则称作解密算法。加解密密钥：一般地，加密算法和解密算法都是在一组密钥控制之下进行的，加密时使用的密钥称之为“加密密钥”，解密时使用的密钥称之为“解密密钥”。对称加密：是指发送者和接收者双方都使用相同的密钥，也称单密钥加密。非对称加密：是指发送者和接收者各自使用一个不同的密钥。这两个密钥形成一个密钥对：一个可以公开，称之为公钥；另一个必须为密钥持有人秘密保管，称之为私钥。2.1.2密码系统

2.1.2密码系统

2.1.2密码系统

2.1.2密码系统1.对称密钥密码体制对称密钥密码体制也称为私钥密码体制、单密钥密码体制，是广泛应用的普通密码体制。对称密钥加密技术的加解密过程如图所示。2.1.3现代密码体制2.公钥密钥密码体制非对称密钥加密技术分两种情况：一种是用接收方公钥加密数据，用接收方私钥解密；另一种是用发送方私钥加密，用发送方公钥解密。用于数据加密的公钥密码加密技术。用于数字签名的公钥密码加密技术。2.1.3现代密码体制3.密码算法安全性度量及准则计算安全性：这种度量涉及破译密码算法所需计算上的努力。如果使用最好的算法破译一个密码算法需要至少N次操作，这里的N是一个特定的非常大的数字，就可以定义这个密码算法是计算安全的。可证明安全性：将密码算法的安全性归结为某个数学难题。无条件安全性：这种度量考虑的是对密码分析者的计算量没有限制时的安全性。即使提供了无穷的计算资源也无法破译，就定义这种密码算法是无条件安全的。2.1.3现代密码体制

2.2对称密码体制1.代换密码古典密码中的代换密码技术是将明文的每一字母代换为字符表中的另一字母，代换前先将明文字母用等价的十进制数字建立索引，再把用于索引的十进制数进行运算。单表代换密码：典型的单表代换密码示例是凯撒密码，它通过将字母按顺序移位实现加解密。多表代换密码：多表代换密码算法是16世纪法国数学家维吉尼亚（Vigenère）设计的，并将其称为维吉尼亚密码。多字符代换密码2.置换密码2.2.1古典密码DES是最早得到广泛应用并具有深远影响的分组密码。DES密码算法框图如图所示，它表明了DES加密的整个机制，是一个16轮的迭代型分组密码。2.2.2数据加密标准（DES）由比利时研究人员Daemen和Rijmen提交的Rijndael算法被采纳为AES。AES是一种对称分组密码算法，具有速度快、安全级别高的特点。AES把明文分成一组一组的，每组长度相等，每次加密一组数据，直到加密完成全部明文。在AES标准规范中，分组长度只能是128bit。也就是说，每个分组为16个字。密钥的长度可以是128bit、192bit或256bit。密钥的长度不同，加密轮数也不同。根据密钥的长度，AES算法有AES-128、AES-192或者AES-256之分。2.2.3高级加密标准（AES）AES使用几种不同的方法来执行排列和置换运算，涉及轮函数的字节替换（SubByte、行移位（ShiftRow）、列混淆（MixColumn）和轮密钥加（AddRoundKey）4种操作。AES加解密算法流程如图所示。2.2.3高级加密标准（AES）1.SM4算法描述SM4是一种迭代型分组密码算法。其分组长度为128bit，密钥长度也为128bit。加密算法与密钥扩展算法均采用32轮非线性迭代结构，以字（32bit）为单位进行加密运算，每一次迭代运算均为一轮变换函数F。SM4是对合运算，其加密、解密结构相同，只是轮密钥的使用次序相反，解密的轮密钥是加密轮密钥的逆序。2.SM4算法加密流程3.SM4解密算法4.SM4密钥扩展算法2.2.4中国商用分组密码算法

2.2.5序列密码所谓公钥密码体制就是使用不同的加密密钥和解密密钥，用来加密的公钥与解密的密钥是数学相关的，并且公钥与私钥成对出现。如图所示给出了公钥密码体制的基本框架。2.3公钥密码体制

2.3.1RSA密码算法

2.3.1RSA密码算法

2.3.2Elgamal密码算法

2.3.3椭圆曲线密码与SM2密码算法已经从最初仅能够提供机密性发展到提供机密性、完整性、真实性和不可否认性等安全服务。目前，有很多可供选用的密码算法，大体上可分为对称密码算法和公钥密码算法（也称为非对称密码算法）两大类，其安全性也各自有所不同。针对网络安全实际需求及应用场景情况，恰当设计、选用安全性较高的某种密码算法是十分关键的。2.4密码分析与选用1.唯密文攻击对于唯密文攻击（CiphertextonlyAttack）形式的密码分析，分析者只有待破译的一个或更多的用同一个密钥加密的密文，它们都是用同一加密算法、同一密钥加密的。密码分析的任务是从这些密文中尽可能多地恢复出明文，或者推导出密钥。2.已知明文攻击3.选择明文攻击4.选择密文攻击从古至今，密码分析的目的都相同，即破译密码，但实际使用的方法和技巧却随着密码学变得越来越复杂而日新月异。2.4.1密码分析方法1.分组密码与序列密码的对比分组密码每次只能处理一个固定长度的明文，不足还需要补全，而序列密码则是以一个元素（一个字母或一个比特）作为基本的处理单元。序列密码是一个随时间变化的加密变换，具有转换速度快、低误码传播的优点，硬件实现电路更简单；缺点是：低扩散、插入及修改的不敏感性。2.ECC与RSA的对比ECC抗攻击性强，相同的密钥长度，其抗攻击性要强很多倍。计算量小，处理速度快，ECC总的速度比RSA、DSA要快许多。3.对称与公钥密码算法比较2.4.2密码算法的比较用于数据加解密保护：运算速度快的对称加密算法一般用DES、IDEA、RC4、AES等。由于数据生命周期一般比较长久，通常应选用AES-128做数据保护。用于密钥交换、证书认证：交换对称密码算法的密钥要求保密程度更高的密码算法，一般选用公钥密码算法，例如RSA等。用于保证消息内容不被篡改：可选择摘要的哈希函数，例如MD5和SHA等。用于数字签名：一般选用RSA密码算法对消息摘要签名。目前，我国在强力推进信息系统国产密码算法的应用，旨在建立起安全自主可控的国产可信计算体系，从根本上摆脱长期以来对国外密码技术的过度依赖。2.4.3密码算法的选用本章小结密码学以研究数据保密为目的，对存储或传输的信息采取秘密交换以防止第三者窃取。在传统密码体制中加密和解密采用的是同一密钥，称为对称密钥体制，又称私钥密码体制；在现代密码体制中加密和解密采用不同的密钥，称为非对称密钥密码体制，又称公钥密码体制。实现网络数据安全性的密码算法较多，常用的密码算法主要为：对称密码算法，如DES、3DES、AES等；公钥密码算法如RSA算法、Elgamal算法、椭圆曲线密码（ECC）算法；以及我国发布的一系列有自主知识产权的国产密码算法，包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖冲之密码算法（ZUC）等。思维导图小测验1.密码学的基本安全目标主要包括机密性、完整性、可用性和不可抵赖性。其中确保信息仅被合法用户访问，而不泄露给非授权用户、实体或过程，或其利用的特性是指（）。a.机密性b.完整性c.可用性d.不可抵赖性2.一个密码系统至少由明文、密文、加密算法、解密算法和密钥5部分组成，而安全性是由（）决定的？

a.加密算法b.解密算法c.加解密算法d.密钥3.代换密码的加密对象为英文字母，它采用对明文消息的每一个英文字母向前推移固定k位的方式实现加密。设k=6，则明文“SEC”对应的密文为（）。a.XJGb.ZLIc.YKId.MYW4.利用()算法，相同的明文用相同的密钥加密永远得