密码学基础,华中科技大学计算机学院信息安全课题组,信息安全的含义,通信保密（COMSEC）：60-70年代 信息保密 信息安全（INFOSEC）：80-90年代 机密性、完整性、可用性、不可否认性 等 信息保障（IA）：90年代-,基本的通讯模型 通信的保密模型 通信安全-60年代（COMSEC）,发方,收方,信源编码 信道编码 信道传输 通信协议,发方,收方,敌人,信源编码 信道编码 信道传输 通信协议 密码,信息安全的含义 (80-90年代),信息安全的三个基本方面 保密性 Confidentiality 即保证信息为授权者享用而不泄漏给未经授权者。 完整性 Integrity 数据完整性，未被未授权篡改或者损坏 系统完整性，系统未被非授权操纵，按既定的功能运行 可用性 Availability 即保证信息和信息系统随时为授权者提供服务，而不要出现非授权者滥用却对授权者拒绝服务的情况。,信息安全的其他方面 信息的不可否认性Non-repudiation ： 要求无论发送方还是接收方都不能抵赖所进行的传输 鉴别Authentication 鉴别就是确认实体是它所声明的。适用于用户、进程、系统、信息等 审计Accountability 确保实体的活动可被跟踪 可靠性Reliability 特定行为和结果的一致性,安全需求的多样性,保密性 一致性 可用性 可靠性 可认证，真实性,责任定位，审计性 高性能 实用性 占有权 ,信息保障,美国人提出的概念: Information Assurance 保护（Protect） 检测（Detect） 反应（React） 恢复（Restore）,保护 Protect,检测 Detect,反应 React,恢复 Restore,密码从军事走向生活,电子邮件 263.net x263.net 自动提款机 电话卡: IP卡、201电话卡 银行取钱 信用卡购物,密码？,基本概念,密码学(Cryptology): 是研究信息系统安全保密的科学. 密码编码学(Cryptography): 主要研究对信息进行编码,实现对信息的隐蔽. 密码分析学(Cryptanalytics):主要研究加密消息的破译或消息的伪造.,基本术语,消息被称为明文(Plaintext)。用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程称为加密(Encrtption)，被加密的消息称为密文(Ciphertext)，而把密文转变为明文的过程称为解密(Decryption)。 对明文进行加密操作的人员称作加密员或密码员(Cryptographer). 密码算法(Cryptography Algorithm):是用于加密和解密的数学函数。 密码员对明文进行加密操作时所采用的一组规则称作加密算法(Encryption Algorithm). 所传送消息的预定对象称为接收者(Receiver). 接收者对密文解密所采用的一组规则称为解密算法(Decryption Algorithm).,加解密过程示意图 加密和解密算法的操作通常都是在一组密钥的控制下进行的,分别称为加密密钥(Encryption Key) 和解密密钥(Decryption Key).,密码学的目的：Alice和Bob两个人在不安全的信道上进行通信，而破译者Oscar不能理解他们通信的内容。,加密通信的模型,Alice,加密机,解密机,Bob,安全信道,密钥源,Oscar,x,y,x,k,密码体制,密码体制：它是一个五元组（P,C,K,E,D)满足条件： （1）P是可能明文的有限集；（明文空间） （2）C是可能密文的有限集；（密文空间） （3）K是一切可能密钥构成的有限集；（密钥空间） *（4）任意k K,有一个加密算法 和相应的解密算法 ，使得 和 分别为加密解密函数，满足dk(ek(x)=x, 这里 x P。,密码算法分类-i,按照保密的内容分: 受限制的（restricted)算法:算法的保密性基于保持算法的秘密。 基于密钥（key-based)的算法:算法的保密性基于对密钥的保密。,密码算法分类-ii,基于密钥的算法，按照密钥的特点分类： 对称密码算法（symmetric cipher)：又称传统密码算法（conventional cipher)，就是加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同，即从一个易于推出另一个。又称秘密密钥算法或单密钥算法。 非对称密钥算法（asymmetric cipher):加密密钥和解密密钥不相同，从一个很难推出另一个。又称公开密钥算法（public-key cipher) 。 公开密钥算法用一个密钥进行加密, 而用另一个进行解密.其中的加密密钥可以公开,又称公开密钥（public key)，简称公钥.解密密钥必须保密,又称私人密钥（private key)私钥.简称私钥。,密码算法分类-iii,按照明文的处理方法： 分组密码（block cipher):将明文分成固定长度的组，用同一密钥和算法对每一块加密，输出也是固定长度的密文。 流密码（stream cipher):又称序列密码.序列密码每次加密一位或一字节的明文，也可以称为流密码。 序列密码是手工和机械密码时代的主流,密码算法分类-iv,对称密钥密码又可分为： 分组密码 每次对一块数据加密 多数网络加密应用 DES,IDEA,RC6,Rijndael 流密码 每次对一位或一字节加密 手机 One-time padding,Vigenre,Vernam,密码算法分类-v,公开密钥密码: 大部分是分组密码，只有概率密码体制属于流密码 每次对一块数据加密 数字签名,身份认证 RSA,ECC,ElGamal 加密解密速度慢,密码学的起源和发展-i,三个阶段： 1949年之前 密码学是一门艺术 19491975年 密码学成为科学 1976年以后 密码学的新方向公钥密码学,密码学的起源,隐写术(steganography): 通过隐藏消息的存在来保护消息. 隐形墨水 字符格式的变化 图象图像,example-i,(象形文字的修改)Modified Hieroglyphics, c. 1900 B.C. 密码学的第一个例子是对标准书写符号的修改 例如:古埃及法老坟墓上的文字 思想:代替(substitution),example-ii,Spartan Scytale, c. 500 B.C. 斯巴达人用于加解密的一种军事设备 发送者把一条羊皮螺旋形地缠在一个圆柱形棒上 思想：置换（permutation),example-iii,Polybius Checkerboard , 205123 B.C. 明文:POLYBIUS 密文:3534315412244543,Example-iv,Caesar Cipher, c. 50 B.C. A B C D E F G X Y Z D E F G H I J A B C 明文:Caesar cipher is a shift substitution 密文:FDHVDU FLSKHU LV D VKLIW VXEVWLWXWLRQ,Example -V,Nomenclator 代码本 c.1400 字母、符号、单词、短语 代码 代码 字母、符号、单词、短语 应用：World War II,密码学的起源和发展-ii,1949年之前: 古典密码（classical cryptography) 密码学还不是科学,而是艺术 出现一些密码算法和加密设备 密码算法的基本手段(substitution & permutation)出现，针对的是字符 简单的密码分析手段出现,密码学的起源和发展-iii,19491975年: 计算机使得基于复杂计算的密码成为可能 1949年Shannon的“The Communication Theory of Secret Systems” 1967年David Kahn的The Codebreakers 1971-73年IBM Watson实验室的Horst Feistel等的几篇技术报告 Smith,J.L.,The Design of Lucifer, A Cryptographic Device for Data Communication, 1971 Smith,J.L.,An Expremental Application of Cryptogrphy to a remotely Accessed Data System, Aug.1972 Feistel,H.,Cryptography and Computer Privacy, May 1973 数据的安全基于密钥而不是算法的保密,密码学的起源和发展-iv,1976年以后: 1976年Diffie & Hellman的“New Directions in Cryptography”提出了不对称密钥密码 1977年Rivest,Shamir & Adleman提出了RSA公钥算法 90年代逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法 公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输的保密通信成为可能！,密码学的起源和发展-v,1976年以后: 对称密钥密码算法进一步发展 1977年DES正式成为标准 80年代出现“过渡性”的“post DES”算法,如IDEA,RCx,CAST等 90年代对称密钥密码进一步成熟 Rijndael,RC6, MARS, Twofish, Serpent等出现 2001年Rijndael成为DES的替代者,密码分析,假设破译者Oscar是在已知密码体制的前提下来破译Bob使用的密钥。这个假设称为Kerckhoff原则。最常见的破解类型如下： 1.唯密文攻击：Oscar具有密文串y. 2.已知明文攻击: Oscar具有明文串x和相应的密文y. 3.选择明文攻击：Oscar可获得对加密机的暂时访问， 因此他能选择明文串x并构造出相应的密文串y。 4.选择密文攻击:Oscar可暂时接近密码机,可选择密文串y，并构造出相应的明文x. 这一切的目的在于破译出密钥或密文,密码破译,密码破译的原则: 遵循观察与经验 方法:采用归纳与演绎 步骤:分析、假设、推测和证实 三大要素： 语言的频率特征： e 连接特征: q u, I e x, 重复特征: th, tion , tious,密码算法的安全性,无条件安全（Unconditionally secure） 无论破译者有多少密文,他也无法解出对应的明文,即使他解出了,他也无法验证结果的正确性. Onetime pad 计算上安全（Computationally secure） 破译的代价超出信息本身的价值 破译的时间超出了信息的有效期.,古典密码,基于字符的密码 代替密码（substitution cipher)：就是明文中的每一个字符被替换成密文中的另一个字符。接收者对密文做反向替换就可以恢复出明文。 置换密码(permutation cipher)，又称换位密码（transposition cipher)：明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。,代替密码,简单代替密码（simple substitution cipher),又称单字母密码（monoalphabetic cipher):明文的一个字符用相应的一个密文字符代替。 多字母密码（ployalphabetic cipher)：明文中的字符映射到密文空间的字符还依赖于它在上下文中的位置。,单字母密码,单表代换密码 移位（shift ）密码、乘数（multiplicative)密码 仿射（affine ) 密码、多项式（Polynomial)密码 密钥短语（Key Word)密码 多表代换密码 维吉尼亚（Vigenere)密码 博福特（Beaufort