第四章数据加密技术

第四章数据加密技术

本章学习的主要内容 • 数据加密的有关概念 • 传统的数据加密方法 • 对称加密算法的基本思想和应用 • 公开密钥加密算法的基本思想和应用 • 数据加密技术的应用：数字签名、报文摘要、SSL和SET协议、PGP加密系统

本章学习的教学要求 • 了解：数据加密的有关术语和方法、传统的数据加密方法 • 掌握：对称加密算法和公开密钥加密算法的特点和应用、数字签名、报文摘要、SSL和SET协议、PGP加密系统

互联网困境

密码的产生 • 我国古代的《武经总要》。《武经总要》是一部中国古代北宋的军事著作。曾公亮和丁度两人奉皇帝之命用了五年的时间编成。该书是中国第一部规模宏大的综合性军事著作，对于研究宋朝以前的军事思想非常重要。其中大篇幅介绍了武器的制造，对科学技术史的研究也很重要。书中记载，北宋前期，在作战中曾用一首五言律诗的40个汉字，分别代表40种情况或要求，这种方式已具有了密本的特点。

1871年，上海大北水线电报公司的商用明码本和密本。1871年，上海大北水线电报公司的商用明码本和密本。由上海大北水线电报公司选用6899个汉字，代以四码数字，成为中国最初的商用明码本，同时也设计了由明码本改编为密本及进行加乱的方法。在此基础上，逐步发展为各种比较复杂的密码。 • 公元前一世纪，古罗马皇帝凯撒使用有序的单表代替密码，之后逐步发展为密本、多表代替及加乱等各种密码体制。

二十世纪初，产生了机械式和电动式密码机，出现了商业密码机公司和市场。二十世纪初，产生了机械式和电动式密码机，出现了商业密码机公司和市场。 • 二十世纪60年代后，电子密码机得到较快的发展和广泛的应用，使密码的发展进入了一个新的阶段。

转轮机 基于转轮的机械加密设备，用来自动处理加密。二十世纪早期的密码机。

概述早在4000多年前，人类已经有了使用密码技术的记载。最早的密码技术源于“隐写术”：用明矾水在白纸上写字，当水迹干了后，就什么也看不到了，而当放在火上烤时，字就会显现出来。（明矾：十二水合硫酸铝钾，有抗菌作用、收敛作用等，可用做中药。一般来说，隐写的信息看起来像一些其他的东西，例如一张购物清单，一篇文章，一篇图画或者其他“伪装”的消息。

公元前5世纪，古希腊斯巴达出现原始的密码器，用一条带子缠绕在一根木棍上，沿木棍纵轴方向写好明文，解下来的带子上就只有杂乱无章的密文字母。解密者只需找到相同直径的木棍，再把带子缠上去，沿木棍纵轴方向即可读出有意义的明文。这是最早的换位密码。

网络信息安全受到的几种攻击 • 侦听(interception) —中途窃听,攻击保密性 • 服务中断(interruption) —攻击可用性 • 信息篡改（modification - of info）—攻击完整性 • 消息伪造（fabrication - of info）—攻击认证性

数据加密技术 将一个信息经过加密，变成无意义的密文，而接收方则将此密文经过解密还原成明文，这样的技术称为数据加密技术。数据加密技术是网络信息安全的基础（防火墙技术、入侵检测技术等都是基于它的），也是保证信息安全的重要手段之一（保证信息的完整性、机密性、可用性、认证性）。

密码学是一门研究密码技术的科学，包括 密码编码学和密码分析学，前者是研究加密的，后者是研究破译的。两者相互联系，相互支持。

密码学 • 密码学是一门研究秘密信息的隐写技术的学科 • 密码学技术可以使消息的内容对(除发送者和接收者以外)的所有人保密 • 密码学可以使接收者验证消息的正确性 • 密码学是解决计算机与通信安全问题重要技术之一

密码学基本术语 • 加密（encryption）—E，将计算机中的信息进行一组可逆的数学变换的过程。 • 解密（decryption）—D，与加密相反的过程 • 明文（plaintext）—P,变换前的原始消息 • 密文（ciphertext）—C,变换后的消息 • 密钥（key）—用于密码变换的，只有发送者和接收者拥有的秘密消息，是一组参与变换的参数。加密过程是在加密密钥Ke的参与

下进行，解密过程是在解密密钥Kd的参与下进行。下进行，解密过程是在解密密钥Kd的参与下进行。 • 编码（encode）—把明文变为密文的过程 • 译码（decode)—把密文变为明文的过程 • 密码学（cryptology）—包括加密理论与解密理论的学科

密码学的有关概念 解密明文密文加密明文：P 密文：C 加密函数：E 解密函数：D 密钥：K（Ke,Kd）加密： C = E(P,Ke) 解密： P = D(C,Kd) 先加密后再解密，原始的明文将恢复：DK(EK(P)) = P

密码学发展的三个阶段 • 1949年之前，古典密码学阶段 • 1949年～1975年，现代密码学阶段 • 1976年至今，公钥密码学阶段

古典密码学阶段（1949年以前） • 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 • 保密针对的是字符 • 简单的密码分析手段出现 • 主要特点：数据的安全性取决于算法的保密

早期用来代表字母的符号

中国明代，宁王朱宸濠割据一方，他有谋逆之心，对不喜欢的人或毒杀或驱赶。江西巡抚先后或死或罢四五人，孙燧接任时说，这一去恐怕就没有回的。他把妻子儿子送回老家后，带两个僮仆上路。孙燧在江西任上加强兵力调配和兵器管理，严防朱造反。朱派人给孙燧送去枣梨姜芥四样果蔬，孙燧一看，笑而拒绝。那四样果蔬何解？说穿了就是一种实物密码，“枣梨姜芥”即“早离疆界”。中国明代，宁王朱宸濠割据一方，他有谋逆之心，对不喜欢的人或毒杀或驱赶。江西巡抚先后或死或罢四五人，孙燧接任时说，这一去恐怕就没有回的。他把妻子儿子送回老家后，带两个僮仆上路。孙燧在江西任上加强兵力调配和兵器管理，严防朱造反。朱派人给孙燧送去枣梨姜芥四样果蔬，孙燧一看，笑而拒绝。那四样果蔬何解？说穿了就是一种实物密码，“枣梨姜芥”即“早离疆界”。

中国古代的“藏头诗”。 《唐寅诗集》中有诗曰：我画兰江水悠悠，爱晚亭上枫叶稠。秋月融融照佛寺，香烟袅袅绕轻楼。这是一首藏头诗，每句第一个字连起来便是“我爱秋香”

《水浒传》中为了拉卢俊义入伙，“智多星”吴用和宋江便生出一段“吴用智赚玉麒麟”的故事来，利用卢俊义正为躲避“血光之灾”的惶恐心理，口占四句卦歌：　　芦花丛中一扁舟，俊杰俄从此地游。　　义士若能知此理，反躬难逃可无忧。暗藏“卢俊义反”四字，广为传播。结果，成了官府治罪的证据，终于把卢俊义“逼”上了梁山。

典型代表 这个阶段的密码学基本是一些对字符的替代和换位，比较简单。 • 一、替换密码技术明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符。 1、单表替换技术：替换时采用了单个字母表 2、多表替换技术：替换时采用了多个字母表 • 二、换位密码技术明文中字母的顺序被打乱改变。

1、单表替换技术 实例——凯撒密码约公元前50年，罗马皇帝凯撒发明了一种用于战时秘密通信的方法。它是将字母按照字母表的顺序排列，最后一个字母和第一个字母首尾相连。明文中的每个字母用它后面第三个字母来代替，构成密文。也就是说，密文字母相对于明文字母循环右移了3位。

例如：shenzhen的凯撒密码为 vkhqckhq 凯撒密码破解起来比较简单，只要经过多次尝试找到密钥就可以了。如果要增强它的保密性，可以将映射表复杂化，把这26个字母的对应关系打散，比如：字母a用f替换，b用q替换，c用z替换，这样的方法就称为单表替换技术。

尝试利用字母表破译以下句子： zhzloophhwdwwkhjdwhwrpruurzdiwhuqrrq

答案： We will meet at the gate tomorrow afternoon. 由于明文与密文之间存在一一对应的关系，所以在密文中仍然保存了明文中字母出现的规律，安全性比较低。

2、多表替换技术 实例——费杰尔密码通过循环采用一个有限的字母序列来实现替换。

例如：使用费杰尔密码加密明文：vigenere cipher 使用的密钥是“cat”。在明文下反复写上密钥：明文：vig ene rec iph er 密钥：cat cat cat cat ca 加密时，以明文字母指定行，以密钥字母指定列。密文：xiz gnx tev kpa gr 解密时，以密钥字母选择列，从表中找到密文字母，所在的行就是明文字母。

可以看出，对于同一个明文字母，由于在明文中位置不同，将得到不同的密文字母，这样就在密文中消除了明文中字母出现的规律了。可以看出，对于同一个明文字母，由于在明文中位置不同，将得到不同的密文字母，这样就在密文中消除了明文中字母出现的规律了。多表替换密码显然要比单表替换密码要好，但是只要给密码分析员足够数量的密文样本，这个算法最终是可以破译的，这里的关键在于密钥。为了增强安全性，通常采用的方法是加长密钥的长度。

换位密码技术 与替换密码技术不同的是，换位密码技术并没有换掉明文中的字母，而是通过改变明文字母的排列顺序来达到加密的目的。例如：采用一个字符串“ABLE”为密钥，把明文“CAN YOU UNDERSTAND”进行列换位加密。

矩阵的列数由密钥的字母个数决定，按照密钥各个字母顺序的大小排出列号，将明文按行排列到矩阵中。最后以列的顺序将矩阵中的字母读出。矩阵的列数由密钥的字母个数决定，按照密钥各个字母顺序的大小排出列号，将明文按行排列到矩阵中。最后以列的顺序将矩阵中的字母读出。得到密文：CODTAUEAYNSDNURN。

现代密码学（1949年－1975年） • 密码学成为科学 • 计算机的出现使得基于复杂计算的密码成为可能 • 相关技术的发展 • 1949年Shannon的《保密系统的信息理论》 • 1967年David Kahn的《破译者》 • 1971-1973年IBM Watson实验室的Horst Feistel及其同事发表了几篇技术报告 • 主要特点：数据的安全基于密钥而不是算法的保密

对称加密算法 典型代表

一、对称加密算法 如果在一个密码体系中，加密密钥和解密密钥相同，就称之为对称加密算法。使用这种算法，要求信息的发送者和接收者在安全通信之前商定一个密钥，因此，算法的安全性完全依赖于密钥的安全性，如果密钥丢失，就意味着任何人都能对加密信息进行解密了。

对称加密算法通信模型

对称加密算法可分成两类： • 序列加密算法：一次只对明文中的一个位进行加密的算法。 • 分组加密算法：一次对明文中的一组位进行加密的算法现代典型的分组加密算法的分组长度是64位，这个长度既方便使用，又足以防止分析破译。

对称加密算法 • 数据加密标准（DES） • 三重DES（Triple DES） • 国际数据加密算法（IDEA） • 高级加密标准（AES）

数据加密标准（DES） DES（数据加密标准）算法是一种最为典型的对称加密算法，是美国政府在1977年采纳的数据加密标准，是由IBM公司为非机密数据加密所设计的方案，后来被国际标准局采纳为国际标准。DES以算法实现快、密钥简短等特点成为现在使用非常广泛的一种加密标准。

20世纪70年代初，非军用密码学的研究处于混乱不堪的状态中。20世纪70年代初，非军用密码学的研究处于混乱不堪的状态中。 • 1972年，美国国家标准局（NBS），即现在的国家标准与技术研究所（NIST），拟定了一个旨在保护计算机和通信数据的计划。计划中提出要开发一个单独的标准密码算法。 • 1973年，NBS公开征集标准密码算法。 • 1974年，NBS第二次征集。收到一个有前途的候选算法，该算法从IBM 1970年初开发出的Lucifer算法发展而来。

1975年3月，NBS公布了算法细节。 • 1976年11月，DES被美国政府采纳作为联邦标准，并授权在非密级的政府通信中使用。 • 1981年，美国国家标准研究所（ANSI）批准DES作为私营部门的标准（ANSI X3.92）。

学习： • DES是一种分组加密算法，将输入的明文分成64位的数据块进行加密，密钥长度为64位，有效密钥为56位（其他8位用于奇偶校验），生成的密文为64位。

DES算法加密流程 输入64比特明文数据初始置换IP 在密钥控制下 16轮迭代交换左右32比特初始逆置换IP-1 输出64比特密文数据

1、DES通过初始置换，将64位的明文数据分成左半部分和右半部分，各32位长。1、DES通过初始置换，将64位的明文数据分成左半部分和右半部分，各32位长。 • 利用密钥对数据交叉进行复杂的异或运算，完成16轮完全相同的迭代变换（Y=AB+AB） • 将产生的新的64位的数据进行一个跟初始置换相反的逆置换，得到密文。

DES的破译 DES使用56位密钥对64位的数据块进行加密，并对64位的数据块进行16轮编码。在1977年，人们估计要耗资两千万美元才能建成一个专门计算机用于DES的解密，而且需要12个小时的破解才能得到结果。所以，当时DES被认为是一种十分强壮的加密方法。

DES算法具有极高的安全性，到目前为止，除了用穷举法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。若使用的密钥是56位的，可能的组合达到了2的56次方，也即7.2乘10的16次方种，意味着如果一台计算机的速度是每秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的。DES算法具有极高的安全性，到目前为止，除了用穷举法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。若使用的密钥是56位的，可能的组合达到了2的56次方，也即7.2乘10的16次方种，意味着如果一台计算机的速度是每秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的。

当然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。当然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。

第四章 数据加密技术