物联网信息安全概述(40张)课件

1、11物联网信息安全（第3章）计算机科学与技术系2014.9.13西安交通大学 桂小林 2第3章 数据安全桂小林西安交通大学2014-09-13西安交通大学 桂小林 33.1 基本概念简单介绍密码学的知识西安交通大学 桂小林 43.1 密码学的基本概念密码学（Cryptology）是一门古老的科学，大概自人类社会出现战争便产生了密码，以后逐渐形成一门独立的学科。第二次世界大战的爆发促进了密码学的飞速发展，在战争期间德国人共生产了大约10多万部“ENIGMA”密码机。西安交通大学 桂小林 5密码学的发展历史大致可以分为三个阶段：1）在1949年之前，是密码发展的第一阶段古典密码体制。古典密码体制是

2、通过某种方式的文字置换进行，这种置换一般是通过某种手工或机械变换方式进行转换，同时简单地使用了数学运算。虽然在古代加密方法中已体现了密码学的若干要素，但它只是一门艺术，而不是一门科学。2）从1949年到1975年，是密码学发展的第二阶段。1949年Shannon发表了题为保密通信的信息理论的著名论文，把密码学置于坚实的数学基础之上，标志着密码学作为一门学科的形成，这是密码学的第一次飞跃3）1976年至今，WDiffie和MHellman在密码编码学新方向一文中提出了公开密钥的思想，这是密码学的第二次飞跃。1977年美国数据加密标准（DES）的公布使密码学的研究公开，密码学得到了迅速地发展。19

3、94年美国联邦政府颁布的密钥托管加密标准（EES）和数字签名标准（DSS）以及2001年颁布的高级数据加密标准（AES），都是密码学发展史上一个个重要的里程碑。西安交通大学 桂小林 6西安交通大学 桂小林 73.2 密码模型 西安交通大学 桂小林 83.3 经典密码体制 经典密码体制（或称古典密码体制）采用手工或者机械操作实现加解密，相对简单。回顾和研究这些密码体制的原理和技术，对于理解、设计和分析现代密码学仍然有借鉴意义。变换和置换（transposition and substitution ciphers）是两种主要的古典数据编码方法，是组成简单密码的基础。西安交通大学 桂小林 91）基

4、于变换的加密方法变换密码是将明文字母互相换位，明文的字母保持相同，但顺序被打乱了。西安交通大学 桂小林 102）基于置换的加密方法 置换密码就是明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符，代替后的各字母保持原来位置。对密文进行逆替换就可恢复出明文。有四种类型的置换密码：1）单表置换密码：就是明文的一个字符用相应的一个密文字符代替。加密过程中是从明文字母表到密文字母表的一一映射。2）同音置换密码：它与简单置换密码系统相似，唯一的不同是单个字符明文可以映射成密文的几个字符之一，例如A可能对应于5、13、25或56，“B”可能对应于7、19、31或42，所以，同音代替的密文并不唯一。3）多字母组置

5、换密码：字符块被成组加密，例如“ABA”可能对应于“RTQ”，ABB可能对应于“SLL”等。多字母置换密码是字母成组加密，在第一次世界大战中英国人就采用这种密码。4）多表置换密码：由多个简单的置换密码构成，例如，可能有5个被使用的不同的简单置换密码，单独的一个字符用来改变明文的每个字符的位置。西安交通大学 桂小林 11在置换密码中，数据本身并没有改变，它只是被安排成另一种不同的格式，有许多种不同的置换密码，有一种是用凯撒大帝的名字Julias Caesar命名的，即凯撒密码。它的原理是每一个字母都用其前面的第三个字母代替，如果到了最后那个字母，则又从头开始算。字母可以被在它前面的第n个字母所代

6、替，在凯撒的密码中n就是3。例如：明文：meet me after the toga party密文：PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB如果已知某给定密文是Caesar密码，穷举攻击是很容易实现的，因为只要简单地测试所有25种可能的密钥即可。西安交通大学 桂小林 1220世纪早期密码机西安交通大学 桂小林 133.4 现代密码学 现代密码技术的主要是指用电子技术、计算机技术等实现。现代密码学的最重要的原则之一是“一切秘密寓于密钥之中”，也就是说算法和其他所有参数都是可以公开的，只有密钥匙保密的。一个好的密码体制只通过保密密钥就能保证加密消息的安全。加密完成后，只有知道密钥

7、的人才能正解密。任何人只要能够获得密钥就能解密消息，隐私密钥对于密码系统至关重要。密钥的传递必须通过安全的信道进行。西安交通大学 桂小林 141）流密码流密码（Stream Cipher）也称序列密码，是对称密码算法的一种。流密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。 密钥流产生器密钥k明文m密文c异或运算西安交通大学 桂小林 15西安交通大学 桂小林 162）分组密码 分组密码就是数据在密钥的作用下,一组一组等长地被处理,且通常情况是明、密文等长。这样做的好处是处

8、理速度快，节约了存储，避免了带宽的浪费。因此，其也成为许多密码组件的基础。另外，由于其固有的特点（高强度、高速率、便于软硬件实现）而成为标准化进程的首选体制。分组密码又可分为三类：置换密码、替换密码和乘积密码。 西安交通大学 桂小林 17DES算法 数据加密标准DES（Data Encryption Standard） DES是一个分组加密算法，它以64位为分组对数据加密。同时DES也是一个对称算法，即加密和解密用的是同一个算法。它的密钥长度是56位（因为每个分组第8位都用作奇偶校验），可以是任意的56位的数，而且可以任意时候改变。18DES的描述DES利用56比特串长度的密钥K来加密长度为6

9、4位的明文，得到长度为64位的密文输入64比特明文数据初始置换IP在密钥控制下16轮迭代初始逆置换IP-1输出64比特密文数据DES算法框图交换左右32比特 西安交通大学 桂小林 19DES算法：置换20初始置换IP和初始逆置换IP1 Li-1（32比特）Ri-1（32比特）Li（32比特）48比特寄存器扩充/置换运算48比特寄存器子密钥Ki（48比特）32比特寄存器代换/选择运算置换运算PRi（32比特）Li=Ri-1DES的一轮迭代轮函数F西安交通大学 桂小林 22DES算法：轮函数FE盒（3248bits）S盒（4832bits）P盒置换 西安交通大学 桂小林 23DES算法：轮函数F第

10、二步：将第一步输出结果的48位二进制数据与48位子密钥Ki按位作异或运算，结果自然为48位。然后将运算结果的48位二进制数据自左到右6位分为一组，共分8组。第三步：将8组6位的二进制数据分别进入8个不同的S盒，每个S盒输入6位数据，输出4位数据（S盒相对复杂，后面单独阐述），然后再将8个S盒输出的8组4位数据，依次连接，重新合并为32位数据。西安交通大学 桂小林 24DES算法：轮函数F S1-S8盒S1012345678910111213141501441312151183106125907101574142131106121195382411481362111512973105031512

11、8249175113141006131）S盒是DES的核心部分。通过S盒定义的非线性替换，DES实现了明文消息在密文消息空间上的随机非线性分布。2）S盒的非线性替换特征意味着，给定一组输入-输出值，很难预计所有S盒的输出。3）共有8种不同的S盒，每个S盒将接收的6位数据输入，通过定义的非线性映射变换为4位的输出。4）一个S盒有一个16列4行数表，它的每个元素是一个四位二进制数，通常为表示为十进制数0-15。5）S1盒如表所示，S盒与P盒的设计准则，IBM公司已经公布，感兴趣的同学可以查阅相关资料。25S-Box-iS-box: 6 4（压缩）26S-Box-ii 27S-Box对每个盒，6比特

12、输入中的第1和第6比特组成的二进制数确定的行，中间4位二进制数用来确定的列。相应行、列位置的十进制数的4位二进制数表示作为输出。例如S2的输入为1 0100 1，则行数和列数的二进制表示分别是11和0100，即第3行和第4列，的第3行和第4列的十进制数为3，用4位二进制数表示为0011，所以的输出为0011。 子密钥的产生 k1 （56位） (48位) ki （56位） （48位） 64位密钥置换选择1 C0（28位） D0（28位） 循环左移循环左移 C1（28位） D1（28位） 循环左移循环左移 Ci（28位） Di（28位）置换选择2置换选择2密钥表的计算逻辑循环左移：1 1 9 12

13、 1 10 23 2 11 24 2 12 25 2 13 26 2 14 27 2 15 28 2 16 129置换选择1(PC-1)和置换选择2(PC-2) 总结DES示意图31DES的安全性分析 DES的安全性完全依赖于密钥，与算法本身没有关系。 主要研究内容：密钥的互补性；弱密钥与半弱密钥；密文-明文相关性；密文-密钥相关性；S-盒的设计；密钥搜索。 32弱密钥弱密钥：由密钥 k 确定的加密函数与解密函数相同 ，即 。DES的弱密钥： 如果各轮产生的子密钥一样，则加密函数与解密函数相同。 DES至少有4个弱密钥 ：01010101010101011f1f1f1f0e0e0e0ee0e0

14、e0e0f1f1f1f1fefefefefefefefe33半弱密钥 半弱密钥：对于密钥 k ，存在一个不同的密钥 ，满足 。 DES的半弱密钥：子密钥生成过程中只能产生两个不同的子密钥或四个不同的子密钥，互为对合。 DES至少有12个半弱密钥。 34S -盒的设计原则 S -盒的设计原理没有公开，一些原则如下：所有S-盒的每一行是0,1,15的一个置换；所有S-盒的输出都不是输入的线性函数或仿射函数；S-盒的输入改变任意一位都会引起输出中至少两位发生变化；对于任何输入x（6位），S(x)与S(x001100)至少有两位不同；对于任何输入x（6位），S(x)与S(x00ef00)不相等，e,

15、f取0或1；对于任意一个输入位保持不变而其他五位变化时，输出中0和1的数目几乎相等。 35针对DES的攻击方法攻击DES的方法主要有：密钥穷搜索攻击，DES算法总的密钥量为 ，1998年使用高级计算机的情况下，破译DES只需56小时； 差分攻击；线性攻击，较有效的方法；相关密钥攻击等。36DES的破译1990年，以色列密码学家Eli Biham和Adi Shamir提出了差分密码分析法，可对DES进行选择明文攻击。线性密码分析比差分密码分析更有效 西安交通大学 桂小林 37RSA算法 RSA算法是1978年有Rivest、Shamir和Adleman提出的一种以数论构造的，并用他们三人的名字的

16、首字母来命名。理论基础：整数素因子分解困难问题。给定大数n=pq，其中p和q为大素数，则由n计算p和q是非常困难的，即目前还没有算法能够在多项式时间内有效求解该问题。 整个RSA密码体制主要由密钥产生算法、加密算法和解密算法三部分组成。西安交通大学 桂小林 38RSA算法西安交通大学 桂小林 39RSA算法西安交通大学 桂小林 40THANKS！Q,A1、聪明的人有长的耳朵和短的舌头。 弗莱格 2、重复是学习之母。 狄慈根 3、当你还不能对自己说今天学到了什么东西时，你就不要去睡觉。 利希顿堡 4、人天天都学到一点东西，而往往所学到的是发现昨日学到的是错的。 B.V 5、学到很多东西的诀窍，就

17、是一下子不要学很多。 洛 克 6、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸收都不可耻。 阿卜日法拉兹 7、学习是劳动，是充满思想的劳动。 乌申斯基 8、聪明出于勤奋，天才在于积累 华罗庚 9、好学而不勤问非真好学者。 10、书山有路勤为径，学海无涯苦作舟。 11、人的大脑和肢体一样，多用则灵，不用则废 茅以升 12、你想成为幸福的人吗？但愿你首先学会吃得起苦 屠格涅夫 13、成功艰苦劳动正确方法少说空话 爱因斯坦 14、不经历风雨，怎能见彩虹 真心英雄 15、只有登上山顶，才能看到那边的风光。 16只会幻想而不行动的人，永远也体会不到收获果实时的喜悦。 17、勤奋是你生命的密码，能译出你一部壮丽的史诗。 1 8成功，往往住在失败的隔壁！1 9 生命不是要超越别人，而是要超越自己2 0命运是那些懦弱和认命的人发明的！1人生最大的喜悦是每个人都说你做不到，你却完成它了！2世界上大部分的事情，都是觉得不太舒服的人做出来的3昨天是失效的支票，明天是未兑现的支票，今天才是现金4一直割舍不下一件事，永远成不了!5扫地，要连心地一起扫！6不为模糊不清的未来担忧，只为清清楚楚的现在努力7当你停止尝试时，就是失败的时候8心灵