第4讲-密码学的基本概念和基本编码技术备课讲稿

第4讲-密码学的基本概念和基本编码技术敌手的攻击方法:A：信源B：信宿C：敌手公开信道一、密码学的基本目标（2）主动攻击：不仅窃听，而且还改变传输的信息，（1）被动攻击(窃听)：获取但不改变传输的信息目的是实现伪造和欺骗。(不考虑破坏信道的主动攻击)（1）对抗窃听的技术：加密技术A：信源B：信宿C：敌手加密脱密消息已变得面目全非密码学要解决的第一个基本问题：信息的机密性问题-----能解决信息的传输保密和存储保密问题。（2）对抗主动攻击的技术：认证技术A：信源B：信宿C：敌手添加认证码检验认证码消息已经可以识别真伪密码学要解决的第二个基本问题：信息的真实性认证问题（能检测出主动攻击）(1)发方的身份；(2)收方的身份；(3)内容的真伪；(4)时间的真伪（3）对抗抵赖的技术密码学要解决的第三个基本问题：----承诺的不可否认性问题.

例:如果我收到你给我的一份定货合同或者电子借款收据，但是:----事后你不承认这份定货合同怎么办?----谁来裁决这份定货合同的真伪?----互不信任双方的认证问题----公证机关、法官、法律要求：添加认证码后能让所有人都可识别承诺的真伪B：信宿C：敌手添加认证码检验认证码A：信源（3）对抗抵赖的技术----互不信任双方的认证问题----承诺密码学的基本目标就是解决信息安全的三个基本安全需求，即：（1）信息的机密性保证；（2）信息的真实性认证；（3）承诺的不可否认性保证。由加密算法完成由认证算法和配套的协议完成由数字签名算法、配套的协议和仲裁机构完成密码是确保军事信息安全的核心技术！二、有关加密算法的一些基本概念被加密保护的消息对明文加密的结果目的:从密文中获取明文发方收方密钥该过程称为密钥分配破译者不知道Kerckhoffs假设:----假设敌手知道除密钥之外的所有知识!----即要求：

一切的秘密蕴于密钥之中!对敌手攻击能力的基本假设：----思想：假设敌手具有最强的攻击能力！假设敌手知道:(1)所使用的密码算法;1.对敌手攻击能力的Kerckhoffs假设：如此假设的原因:(1)我们不能保证敌手得不到这些信息!----绝对不能赌！(2)如果在这么优越的条件下仍不可破译，说明密码算法在实际中将会更加安全!包括5个方面：(1)加密算法Ek(m)(2)脱密算法Dk(c)(3)明文空间M(4)密文空间C(5)密钥空间KEk：M→C(2)知道明文的概率分布规律;(3)知道密钥的概率分布规律;(4)知道所有可能的破译方法!2.三类主要的攻击方法:（1）唯密文攻击：敌手除加密算法、明文和密钥的概率分布外，还知道很多由同一个密钥加密的密文。（3）选择明文(密文)攻击：敌手除具备已知明文攻击的条件外，还可任意选择对他有利的明文(密文),并能得到相应的密文(明文)

（2）已知明文攻击：敌手除具备唯密文攻击的条件外，还知道许多密文对应的明文。分类方法：按敌手可利用知识的类别分类如果没有密钥会怎样?----谁都可脱密!

如果可能的密钥太少会怎样?----如果对每个可能的密钥都逐个测试，则一定可以碰到正确的密钥，利用它就可脱密!这就是穷举攻击方法！

穷举攻击就是逐一利用每个可能的密钥对密文进行脱密测试，三、最基本的破译方法--对密钥的穷举攻击并将脱密结果最合理的那个密钥判断为正确密钥.何为最合理？与攻击者掌握的明文的信息最吻合！

如何区分真假密钥？要想能抵抗穷举攻击，一个加密算法的可能密钥总数不能太少!一个加密算法的可能密钥的总数称为该密码算法的密钥变化量。目前，密钥变化量少于264的密码算法不能对抗穷举攻击，因而是不安全的!密钥变化量为2128的密码算法是能够对抗穷举攻击的!为什么?密钥变化量的安全界限：假设密钥的变化量为2128.现考查该加密算法抗穷举攻击的能力。假设计算机每秒能检测230个密钥。由1年可检测3.15×107×230=255个密钥需要2128÷255=273≈1022年,即一百万亿亿年，才可能将所有可能密钥测试一遍。

即使计算能力再增加10亿倍（109），也需要1011年，即一千亿年，才可能将所有可能密钥测试一遍。1年＝265×24×3600秒＝3.15×107秒穷举攻击是最笨、但往往也是最有效的攻击方法。例如：用生日、电话号码当密码。用攻击方法所需要的计算量、存储量、已知的数据量和成功率衡量银行的对策：限制试密码的次数。密码算法设计的最理想境界就是让所有可能的破译方法都比穷举攻击更无效!

安全的密码算法应能够对抗所有可能的攻击方法。----能让所有可能的攻击方法失效！穷举攻击是最笨、但往往也是最有效的攻击方法。用攻击方法所需要的计算量、存储量、已知的数据量和成功率衡量----谁证之？设计者应先给出证明。四、密码算法的基本编码技术四、密码算法的基本编码技术1.信息加密的一般流程

消息处理数字加密算法脱密算法数字消息还原信源编码信源编码明文密文明文加密密钥脱密密钥不属于密码学基本编码技术的分类(1)代替密码利用预先设计的代替规则,对明文逐字符或逐字符组进行代替的密码.

分为单表代替和多表代替两种(2)移位密码

对各字符或字符组进行位置移动的密码.(3)加减密码将明文逐字符或逐字符组与乱数相加或相减的密码.利用预先设计的固定代替规则,对明文逐字符或逐字符组进行代替的密码.2.单表代替密码指代替规则只有一种，因而与密钥和被加密的明文字符的序号无关。故相同的明文字符组一定产生相同的密文字符组。称为一个代替单位又称为代替函数、代替表或S盒例1:汉字和符号的区位码(单表代替)

00010203040506070809101112131415161718192200

丁盯叮钉顶鼎锭定订丢东冬董懂动栋侗恫冻2220洞兜抖斗陡豆逗痘都督毒犊独读堵睹赌杜镀肚2240度渡妒端短锻段断缎堆兑队对墩吨蹲敦顿囤钝2260盾遁掇哆多夺垛躲朵跺舵剁惰堕蛾峨鹅俄额讹2280娥恶厄扼遏鄂饿恩而儿耳尔饵洱二

00010203040506070809101112131415161718190100

、。·ˉˇ¨〃々—～‖…‘’“”〔〕0120〈〉《》「」『』〖〗【】±×÷∶∧∨∑∏0140∪∩∷√⊥∥∠⌒⊙∫∮≡≌≈∽∝≠≮≯0160≤≥∞∵∴♂♀°′″℃＄¤￠￡‰§№☆★0180○●◎

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由于上述对应关系是公开的，而且编码规律很强，因而它实际上是明码而不是密码。例2

以十进值数为代替单位的S盒则对明文“晨五点总攻”的加密可分两步：（1）先将明文变换为区位码

19314669216755601505（2）将编码结果加密成密文46241996849700954050脱密时执行上述过程的逆过程即可。单表代替的缺点：明文字符时密文字符也相同。明文0123456789密文5482109736即代替表为:这是一种对英文字母逐字母加密的密码。加密变换为：例4

Caesar密码(凯撒密码)将英文字母转化为数字的方法：----转换为该字母的序号英文ABCD…UVWXYZ数字0123…202122232425被26除所得的非负余数例：27mod26=1;26mod26=0;(-5)mod26=21读作：模26加密变换为：例4

Caesar密码(凯撒密码)将英文字母转化为数字的方法：----转换为该字母的序号英文ABCD…UVWXYZ数字0123…202122232425明文字母ABCD…UVWXYZ密文字母DEFG…XYZABC例如：明文cipher→密文flskhu脱密变换为：即：单表代替的缺点是：只要两个明文字符组相同，则对应的密文字符组一定相同。多表代替密码可以克服这个缺点。3.多表代替密码根据密钥的指示，来选择加密时使用的单表的方法，称为多表代替密码。例4：加密变换为：但k不是固定常数而是密钥。加密算法：

明文：晨五点总攻明文序列：19314669216755601505密钥序列：43215378432231091107密文序列：52529937648986692602如果密钥序列是随机的,该密码称为一次一密体制，它就是绝对安全的，不可破译。3.多表代替密码因为即使密文已知，明文取每个值也都是等可能的。随机就是指序列的信号相互独立且等概分布拉丁方变换E(ki,mi)

随机的密钥序列k1,k2,k3,…密文序列c1,c2,c3,…明文序列m1,m2,m3,…一次一密的密码体制的一般结构

f(k,m)m＝1m＝2m＝4m＝nk＝11234k＝22341k＝33412k＝44123拉丁方变换的含义：拉丁方表的各列、各行互不相同

即使密钥相同,不同的明文也被加密成不同的密文即使明文相同,不同的密钥也将之加密成不同密文意义:例:一次一密的密码体制的缺点密钥序列是随机序列意味着：（1）密钥序列不能周期重复；（2）密钥序列必须与明文序列等长；（3）这些密钥序列必须在通信前分配完毕.（4）大量通信时不实用；（5）分配密钥和存储密钥时安全隐患大。

解决方案：密钥序列由少量真随机的数按固定的算法生成，只要它很像随机序列即可。这种序列称为伪随机序列。求不出该序列不像随机的地方！4.序列密码算法的基本结构

问题2：与明密文无关问题1：描述不细致！序列密码的一般结构（数学模型）

内部记忆明文反馈密文反馈五、移位密码移位密码就是对明文字符或字符组的进行位置移动的密码

例：设明文为：解放军电子技术学院移位方式：S[9]={2,5,7,3,4,8,9,1,6}即:第i个密文汉字就是第S[i-1]个明文汉字.则密文为放子术军电学院解技移位是设计现代密码常用或必用的一种编码技术移位密码与代替密码的优缺点对比：1）移位密码的优点:

明文字符的位置发生变化移位密码的缺点:

明文字符的形态没有改变2）代替密码的优点:

明文字符的形态发生变化代替密码的缺点:

明文字符的位置没有改变优缺点互相弥补！交替使用代替和移位形成的密码算法S1S2S8S3S4S5S6S7逐字符移位变换S1S2S8S3S4S5S6S7逐字符移位变换S1S2S8S3S4S5S6S7逐字符移位变换六、加减密码----一种特殊的代替密码这里k可以是固定常数，也可以是密钥。明文空间：{0,1,2,…,9}密文空间：{0,1,2,…,9}密钥空间：{0,1,2,…,9}脱密变换：例5：双减密码：加密变换：脱密变换：例4：加密变换为：例6:仿射密码设A=(aij)n×n是由密钥定义的环Z/(m)={0,1,2,m-1}上的n级可逆方阵，明文x＝(x1,x2,…,xn)是Z/(m)的n维向量，且密文y＝(y1,y2,…,yn)满足则称该密