第四章 密码学基础

第四章密码学基础4.1密码学概述4.1.1密码学的发展密码学是古老而深奥的学科，历史悠久。举例：1949年，信息论的奠基人香农发表《保密系统的通信理论》，为密码学的发展奠定了理论基础。1977年，美国国家标准局仅公布了数据加密标准(DES),另一个Diffie和Hellman联合提出的公钥密码体制，是密码学发展史上两个重要的成果。4.1.2密码学的基本概念1密码编码学：研究密码变化的客观规律，设计各种加密方案，编制密码以保护信息安全的技术。2密码破译学，也称密码分析学在不知道任何加密细节的条件下，分析、破译经过加密的消息以获取信息的技术。3明文密码学中，原始的消息称为明文。用字母P或M表示。4密文加密后的消息称为密文。用字母C表示。5加密将明文变换成密文，以使授权用户不能获取原始信息的过程。用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程。6解密从密文恢复明文的过程。7加密算法明文到密文的变换法则，即加密方案。8解密方案密文到明文的变换规则。9密钥加、解密过程中使用的明文、密文以外的其他参数，称之密钥。用K表示。加密和解密的图解用公式表示：加密E(P)=C；解密D(C)=P加密后再解密的公式表示：D(E(P))=P加密密钥K可以是很多数值中的一个任意值，密钥K的可能值的范围叫做密钥空间。如果加密、解密用一个密钥，是对称加密。Ek(P)=CDk(C)=P这两个函数满足：Dk(Ek(P))=P如果加密、解密用不同的密钥，是非对称加密。图解Ek1(P)=CDk2(C)=PDk2(Ek1(P))=P密码的分类1按应用技术分：手工密码机械密码电子机内乱密码通过电子电线，程序进行逻辑运算，以少量制乱元素产生大量的加密乱数。计算机密码通过计算机软件或硬件来完成加密和解密的过程。2按加密过程转换原理分：代换密码又称替换密码，将明文的每个或每组字符由另一个或一级字符代替，形成密文。置换密码又称移位密码，加密时只对明文字母进行重新排列，其位置发生了改变。上述两种方法一般用于古典密码中。3根据加、解使用相同的密钥划分对称密码对称密码体制也称单钥密码体制、秘密密钥密码体制。加密和解密使用完全相同的密钥，或加密密钥和解密密钥彼此之间非常容易推导。非对称密码非对称密码体制也称为公钥密码体制。加密和解密使用不同的密钥，而且由其中一个推导另一个很困难，两个不同的密钥，其中一个不公开称为私钥，另一个公开叫公钥。4应按明父文加锦密处同理单减元分分组淡密码加密俩时先偏将明边文序诞列以表固定姻长度她分组今，每立个明菜文组射用相瓜同的卧密钥垫和算原法进通行变言换，霉得到歼一组炊密文养。流密哭码加密涉过程略中，胶首先约把报汁文、抵语音谊、图井像、吴数据舒等原双始明熔文转附换成两明文访序列这，然野后将坐密钥歇输入裹到一轮个伪规随机招数（柿比特辰）发怒生器歪，产盯生一士串随网机的羡8位贴比特贸数，均称为准密钥劝流或时密钥磁序列姓。将唱明文自序列横与密滑钥序园列进宫行异围或操西作产抵生密雨文流牢。解挽密需明要使洞用相携同的测密钥杰序列乳，与负密文糊相异诱或，蒙得到练明文乡丰。流密爸码类定似于萌“一柿次一棍密”影，不样同的赶是，既“一括次一欣密”筐使用镜的是蛋真正芝的随纤机数躬流，杜而流凑密码码使用氏的是竞伪随孤机数密流。应用端如移冰动充痛值卡盲、游洲戏充疫值卡跪。密码包分析分为粱密码娱分析滥攻击向，穷鬼举攻描击1作密码乌分析猪攻击唯密晓文攻巾击：帽加密杀算法答；要屯解密胜的密蚂文已知管明文滋攻击逢：加普密算宅法；舟要解碑密的久密文薪；用炎（与弊待解皇的密奶文）页同一京密钥惊加密捏的一规个或想多个宅明密院文对汽。选择席明文馋攻击剖：加窑密算浓法；沫要解斥密的羽密文秃；分尽析者俭任意器选择片的明帝文，拦以及足对应戏的密跨文（嗽与待仙解的摸密文捞使用等同一俩密钥输加密捡）选择判密文乓攻击师：加犹密算叶法；炕要解诞密的刘密文贩；分露析者续有目恢的的继选择题一些介密文观，以肝及对巡寿应的留明文乐（与朵待解谣的密供文使筝用同殿一密完钥解铸密）2衫穷举源攻击攻击足者对桶一条辛密文参尝试惰所有警可能登的密注钥，买直到件把它妨转化狡为可掉读的怕有意碗义的滥明文叠。4.粒2古滤典密涛码体倚制古典泛密码照学充疮分体故现了批现代摄密码桑学的毅两大抖基本葱思想搞：置薄换和盼代换皱，将鬼数学赏的方毅法引少入到练密码袍分析测和研卫究中茶。有如龟下约陕定：匙加解裂密时渡忽略黎空格王和标骡点符他号。4.激2.地1冈置换饮密码对明枯文字糊每（腰字符秤、符海号）电按某躲种规股律进划行位惊置的条交换斜而形笼成密议文的县技术络。1舅栅栏春密码把要棕加密彻的明买文分确成N奔个一控组，活然后流把每挽组的窗第一广个字印符连柔起来夸，再熟加上容第二亦个、旅第三累个，葛以此摧类推胡。举例它说明泥：一种跌更复铲杂的丧方法们是把汪消息真按固浆定长世度分肝组，弦每组劣写成自一行姿，则总整个决消息屈被写江成一项个矩鸽形块隐，然值后按军列读春出，砌但是刮把列玩的次轧序打敌乱。框列的咐次序画就是宝算法题的密驾钥。举例某：单纯摇的置直换字搁码加臂密得胀到的锐密文赖中，厦有着涉与原锻始明滨文相砍的字轨母频故率特油征，仪因而电较容舅易被计识破傍。而膜且，丛双字利母章粪节和唤三字爽母音巡寿节分姐析办胸法更室是破亮译这查种密峡码的西有力丽工具秃。2遥多步寄置换较复呆杂，氏不容亏易构移造出乡丰来。务上例阔中消路息用册相同闻算法栽再加非密一纵次：4.汪2.博2孩代换销技术代换祸法是格将明存文字剃母用帜其他兆字母辛、数倍字或浑符号璃替换肆的一肯种方退法。如果寄明文队是二奏进制裳序列哭，代狂换就池是用涝密文订位串另来代挣换明排文位蚀串。代换予密码摩要建锯立一上个或娘多个何替换傲表，捐这样骗的替映换表搜就是络密钥雄。几种网代换冷密码覆如下尚：1慢Ca底es厚ar奸密码2搁单表胆代换终密码3瓶多表内代换连加密4冠Hi锅ll递密码1禁Ca宫es去ar给密码Ca刮es传ar柜密码肌的明巧文空步间和晶密文吼空间本都是较26恋个英携文字扁母的凉集合陡，加诞密算膨法很摧简单基，对渐于每奋个字顿母用墨它之军后的叛第3饺个字撕母来友代换盐。明文露：g择oo员d续af脏te圣rn肥oo昨n密文堂：字母颜表是榴循环择的，辱Z后巨面的董是A臣，能宾定义走替换陪表，说即密翁钥。明文飞：a属b蹄c昌d烂e六f怒g我h蜂I触j溉k传l俱m日n祝o窜p纳q姨r洪s把t器u弯v鲁w祥x郑y得z密文情:炸D饮E查F欠G说H拆I占J型K尤L榴M织N烂O裤P秤Q铅R恐S秀T脆U畏V忍W径X向Y摇Z抄A绍B腾CCa斩es帝ar咱算法矛能用鼻如下走公式惹表示赞：C=叙E(低3,省m)抄=(退m+深3)载m退od烘2竞6如果劝对字辆母表扒中的例每个有字母孟用它飘之后纱的第维k个励字母曲来代温换，露而不周是固液定其倒后面通第3液个字唱母，帖则得豆到了部一般蹈的C诉ae兴sa戏r算按法：C=赛E(狭k,河m)滤=(脂m+蛛k)链m剧od桶2红6其中赏k取积值1俩-2日5,叨即一址般C摧ae缺sa忙r算乔法有雷25始个可挑能的王密钥龄。相应系的解海密算展法是誓：m位=D辟(k倒,c冰)=叫(c葵-k往)斤mo劝d盯26Ca杂es财ar评密码亿特点联：如果监已知尤某给熟定的驳密文调是C喜ae严sa毅r密信码，尺穷举公攻击江密码样学分框析很碌容易恨实现强。这士是它放的三昌个特臭征决澡定的认：加密笑和解薄密算抓法已促知密钥依空间份大小链只有游25明文间所用堡的语繁言是挣已知赔，其稍意义威易识粒别2散单表才代换微密码单表轰代换句：如窃果允色许密笼文行盐是2可6个忙字母述的任蔬意置浅换，岩那么驱有2现6！牛(4轧*1侍02侄6)喉种可历能的短密钥起。这颜种方局法对鸭所有真字母朴采用俱同一渴个代晃换表颠进行间加密俭，每驱个明骗文字垄母映扇射到卵一个漠固定右的密晚文字答母。例：斑选密翁钥短每语H耐AP筋PY谢N气EW前Y爆EA命R，途去掉歌重复紫字母鬼得H蝇AP声YN祝EW随R。将它翅依次榜写在修明文虚字字馆母表壳下，坦再将杨字母顶表中杯未在扮短语战中出必现过倍的字雁母依楼次写穿于些俱短语绸下，翻就可先构造裹出一变个字敞母代惩换表件，a但b技c饿d垂e描f爸g惜h挑I寄j蜻k撇l坐m抬n阿o江p欢q讯r吓s吼t挎u笔v有w到x蕉y虑zHA犯PY蚊NE溉WR寒BC播DF笔GI抛JK弊LM蔑OQ可ST颈UV跟XZ举例援：如果瘦密码秋分析浇者知驰道明饥文的我属性凶，可世以利俘用语奋言的绞一些略规律块进行倦攻击氧。字母译使用技的相舞对频劳率密文晒中双道字母夺组合胞的频放率3缘瑞多表迹代换陈加密多表特代换竿密码滩是对盈每个煤明文肿字母拌提供订多种亡代换改，如街字母乞C可仓替换随成1庭6,赴74罢,3规5,传21换，循滑环或识随机殖地先四取其箱中一五个即印可。所有扮多表誓代换尽方法颂都有鸦共性丝式：采用摇多个抗相关奇的单粮表代显换规披则集由密嘉钥决痰定使拌用的奏具体庸代换纵规则细分父为：（1拔）维始吉尼熊亚密拌码（马Vi厚ge章ne女re帜C围ip筐he翻r）（2煤）波炕福特矮密码（3键）滚抓动密失钥密凉码（4伏）弗浸纳姆慨密码纵（V晨er层na琴m肾Ci缝ph氧er忧）（1死）维钢吉尼蒙亚密轧码。明文蒜：每椒个字麻符惟丛一对趴应一耽个0称~2滋5间究的数屿字。密钥才：一揉个字约符串愁，其煤中每默个字际符同愈明文萌一样宵对应叠一个吵数字励，代似表位拉移值浴，如宣a踩表示备位移艺0，尘b浑表示琴位移森1，炕c跟表示准位移识2，衬..腥..杜..险）泻。加密渔过程卷：将条明文纷数字睛串依险据密莲钥长压度分窑段，杜并逐翠一与榴密钥严数字讽串相释加（罗模2拢6）免，得仇到密笑文数踢字串需，最枪后，幻玉将密幼文数菜字串日转换羊为字走母串渐。C=隆(m徒+k弄)家mo捐d摆26举例干说明逆：（2良）博福息特密译码类似丈于维隆吉尼册亚密怀码的杜替代徐密码最知垒名的常应用腹是M炒-2茂09岭密码处机，袍属于属对等坝加密蔽。是按斑mo魄d丛q减拼法运认算的纪一种简周期滥代替你密码店。即c晴i+谊td少=(够ki做-m刚i+巷td势)(残mo蚁d读q)。举例刷说明（3奸）滚动垫密钥林密码对于脏周期膜多表昌代换专密码捐，保散密性著将随隔周期美d的储增大诉而增袋大，忆当d背的长薪度和有明文转一样叫长时测就变弱成了冲滚动烛密钥页密码庆，如杨果其宾中所姜采用虑的密展钥不饶重复阴就是拴一次款一密呆体制闻。一岔般，律密钥颂可取败一篇椅报告谱或一叉本书磁作为蚀密钥帐源，是可由好书名狸，章川节号拨及标雕题来咏限定骗密钥接起始寸位置糖。（4睬）弗盐纳姆沫密码①明进文,灿密文粉,密饮钥都奸表示看为二圾进制店位:②供加密辞:且c浇1=驻m甚i⊕脱k椒i佩,i先=1坟,2江,…欢,索n搜解密惧:庆m孕1=旗c杨i⊕丙k彻i乏,i浇=1妙,2朋,…射,胁n③川因为遮加解忍密算婶法是合模2野加,武所以兵称为们代数遥密码父。④慨对合狡运算暂:模考2遥加运赚算是隐对合奸运算守。密抬码算撇法是公对和犹运算近,则盼加密剩算法吐=解深密算躲法,假工作担量减哈半。⑤尾Ve教rn固am乞密码拖经不兴起已乏知明进文攻偶击。⑥不如果庙密钥雄序列挖有重搏复,确则施Ve超rn纤am屡密码幼是不蔑安全匆的窃.⑦虎一种亚极端蓄情况缩慧:一技次一决密走密钥杆是随悄机序斑列.笋密衰钥至窑少和残明文细一样耽长.听一携个密唇钥只有用一催次。4姑Hi组ll捧密码是著屈名的队多表确代换开密码喝，运筋用了卫矩阵柜中线田性变折换的欧原理狸。每个井字母巡寿指定永为一熄个2滴6进怖制数脂字：波0-匆25晒表示腔a-滴z。夺m个携连续引的明推文字辞母被近看做赏m维涌微量泰，跟士一个遥m*浅m的废加密质矩阵然相乘左，得举出的串结果雁模2甚6,办得到塌m个锹密文降字母起，即轰m个娇连续戚的明岁文字赞母作耀为一膏个单童元，荡被转狭换成吉等长掘的密紫文单欢元。友加密餐矩阵翁必然扯可逆马，否现则不睁可译室码。4.敏3澡分组歌密码分组纺密码女是现腥代对寄称密鹿码学抚的重诉要组医成部学分。绝件大部美分基巾于网扭络的丑对称鸣密码缓应用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