信息保密技術(shù)

1、二、 信息保密技術(shù)--- 密碼學(xué),主要內(nèi)容,2.1 密碼學(xué)簡(jiǎn)介2.2 古典密碼2.3 分組加密技術(shù)2.4 公鑰加密技術(shù)2.5 流密碼技術(shù)2.6 電子信封技術(shù),2.1 密碼學(xué)簡(jiǎn)介,密 碼 學(xué),密：秘密，目的是使信息處于秘密的狀態(tài)碼：編碼，信息從一種形式到另一種形式的轉(zhuǎn)變學(xué)：學(xué)科，將數(shù)學(xué)應(yīng)用于信息安全中。,學(xué)科認(rèn)識(shí),Cryptology,cryptos (隱藏之意)logos (詞語之意),希臘詞匯,學(xué)

2、科認(rèn)識(shí),原始部落間的秘密通信,大約4000年以前，古埃及貴族,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,信息載體：奴隸的頭,剃光, 信息傳遞：長(zhǎng)出頭發(fā)的奴隸,在書寫墓碑上的銘文時(shí), 使用了變形的而不是普通的象形文字， 揭開了有文字記載的密碼史。,公元前５世紀(jì)，古斯巴達(dá)人用一條帶子纏繞在一根木棍上，沿木棍縱軸方向?qū)懞妹魑模庀聛淼膸ё由暇椭挥须s亂無章的密文字母。解密者只需找到相同直徑的

3、木棍，再把帶子纏上去，沿木棍縱軸方向即可讀出有意義的明文。這種叫做“天書”的器械堪稱人類歷史上最早使用的密碼器械。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,,公元前1世紀(jì)，著名的愷撒密碼(古羅馬統(tǒng)帥愷撒:約公元前100～44) 被用于高盧戰(zhàn)爭(zhēng)中， 這是一種簡(jiǎn)單易行的單字母替代密碼。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,9世紀(jì)，阿拉伯的阿爾.金迪 提出頻度分析的方法來解密， 通過分析計(jì)算密文字符出現(xiàn)的頻率來破譯密碼。

4、16世紀(jì)晚期，蘇格蘭女王瑪麗→密碼信，策劃暗殺英國(guó)女王伊麗莎白。英國(guó)的菲利普斯利用頻度分析法成功破解這次解密將瑪麗送上了斷頭臺(tái)。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,16世紀(jì)中期，意大利的卡爾達(dá)諾 發(fā)明了卡爾達(dá)諾漏格板， 覆蓋在密文上，可從漏格中讀出明文， 這是較早的一種分置式密碼。,追殺令：YOU KILL AT ONCE,情書,密鑰,16世紀(jì)晚期，法國(guó)的維吉尼亞Vigene

5、re提出著名的維吉尼亞方陣密表、維吉尼亞密碼，這是一種多表加密的替代密碼，可使阿爾.金迪和菲利普斯的頻度分析法失效。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,維吉尼亞方陣密表,19世紀(jì)，英國(guó)的巴貝奇、普魯士的卡西斯基Kasiski發(fā)展了更復(fù)雜的頻度分析法，可破解維吉尼亞密碼,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,17世紀(jì)，英國(guó)著名的哲學(xué)家 弗朗西斯·培根 《學(xué)問的發(fā)展》最早給密碼下了定義：“所謂密碼應(yīng)具備三個(gè)必要的條件，即易于翻譯、

6、第三者無法理解、在一定場(chǎng)合下不易引人生疑?！?密碼學(xué)簡(jiǎn)史,1883年，荷蘭密碼學(xué)家A.Kerckhoffs密碼設(shè)計(jì)規(guī)則《軍事密碼學(xué)》： G 密碼系統(tǒng)應(yīng)該是計(jì)算安全的；G 密鑰由通信雙方事先約定好，并根據(jù)一定協(xié)議進(jìn)行更換；G   密碼系統(tǒng)應(yīng)該易于使用；G   密碼系統(tǒng)應(yīng)該精確而有效；G   除了密鑰，密碼系統(tǒng)的所有細(xì)節(jié)都為對(duì)手所知。Kerckhoff

7、s原則在今天看來仍然具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。,11世紀(jì)兵書《武經(jīng)總要》中國(guó)歷史上第一部有關(guān)密碼的記述介紹了一個(gè)小型卻名副其實(shí)的密碼本。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,劉邦打下天下之後，害怕韓信造反，所以打算把他殺了。又怕他帶的士兵太多，所以問了一下韓信目前帶了多少兵？韓信感覺氣氛詭異，因此回答：兵不知數(shù)，三三數(shù)之剩二，五五數(shù)之剩三，七七數(shù)之剩二」這個(gè)回答讓劉邦不知所措，連軍師張良一下子也算不出，想到一個(gè)數(shù)136,0128 (一

8、百多萬)，不敢輕舉妄動(dòng)。韓信所帶的兵，人數(shù)可以少到23人， 當(dāng)然也可能是千萬人，通解為23+105t 105=[3,5,7] 中國(guó)剩余定理,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,一戰(zhàn)前，密碼研究還只限于一個(gè)小領(lǐng)域，沒有得到各國(guó)應(yīng)有的重視。第一次世界大戰(zhàn)是世界密碼史上的第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。隨著戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā)，各國(guó)逐漸認(rèn)識(shí)到密碼在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮的巨大作用， 積極給予大力扶持，使密碼很快成為一個(gè)龐大的學(xué)科領(lǐng)域。第一次世界大戰(zhàn)進(jìn)行到

9、關(guān)鍵時(shí)刻， 英國(guó)破譯密碼的專門機(jī)構(gòu)“40號(hào)房間” 利用繳獲的德國(guó)密碼本破譯了著名的“齊默爾曼電報(bào)”， 促使美國(guó)放棄中立參戰(zhàn)，改變了戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，世界各國(guó)開始重視對(duì)密碼破譯的研究工作， 紛紛成立專門的研究和破譯機(jī)構(gòu)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮重要的作用。德國(guó)潛艇指揮部德尼茨的B機(jī)關(guān)泄露了太多的軍事情報(bào)。波蘭人和英國(guó)人破譯了德國(guó)著名的“恩格瑪”密碼機(jī)密碼，德國(guó)的許

10、多重大軍事行動(dòng)對(duì)盟軍都不成為秘密。,1944年6月4日，德國(guó)U-505潛艇受到美海軍特遣大隊(duì)反潛深炸彈攻擊，受傷浮起后，美軍沖入無線電室，繳獲了密碼機(jī)和大量明、密報(bào)，并秘密將U-505潛艇拖回美國(guó)。德軍誤認(rèn)為U-505潛艇沉沒海底而未換密碼。在歐戰(zhàn)結(jié)束前的11個(gè)月里，依靠破譯的密碼，美軍和同盟國(guó)軍隊(duì)共擊沉德國(guó)潛艇300多艘，平均每天一艘，同時(shí)大大減少了自己船只的損失，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利產(chǎn)生了重大影響。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,美軍成功地

11、破譯了日本的通訊密碼，從而導(dǎo)致日本在中途島海戰(zhàn)中失利，既報(bào)了珍珠港的一箭之仇，又使太平洋戰(zhàn)場(chǎng)的局面得到徹底扭轉(zhuǎn)。二戰(zhàn)期間，美軍破譯日本海軍密碼多達(dá)75種，由于密碼被破譯，日本總噸數(shù)約三之二的商船被美國(guó)潛艇擊沉，給日本軍隊(duì)帶來了嚴(yán)重的戰(zhàn)爭(zhēng)后果。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,山本五十六之死“山本五十六于1943年4月13日下午5時(shí)55分到所羅門島視察”的日程用稱為“紫密”的日本“九七式”密碼機(jī)加密，播給第一基地部隊(duì)等。美軍截獲，通過破

12、譯JN25密碼的專用IBM設(shè)備破譯出。尼米茲上將經(jīng)研究決定出擊：4月13日7時(shí)25分出動(dòng)18架戰(zhàn)斗機(jī)將山本座機(jī)擊落偷襲珍珠港的元兇日本艦隊(duì)總司令山本五十六死亡5月21日日本才廣播這一消息。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,二戰(zhàn)結(jié)束后，一位深知戰(zhàn)時(shí)密碼破譯價(jià)值的美國(guó)官員說，密碼破譯使第二次世界大戰(zhàn)縮短了幾年。這種說法雖有些夸張，但重要情報(bào)的破譯確實(shí)影響了戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程，挽救了成千上萬的生命。第二次世界大戰(zhàn)促進(jìn)了密碼的飛速發(fā)展。

13、 由于密碼對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)具有越來越重要的影響， 各國(guó)不惜花大量的人力物力進(jìn)行密碼的研究和破譯。 密碼的編制結(jié)構(gòu)更加科學(xué)，編制方法愈加復(fù)雜， 各種密碼的保密性出現(xiàn)了飛躍性的提高。 在此期間，許多國(guó)家開始使用密碼機(jī)進(jìn)行加密， 密碼告別人工加密，走向機(jī)械加密的開始。,1948年以前的密碼技術(shù)可以說是一種藝術(shù)，而不是一種科學(xué)，那時(shí)的密碼專家是憑直覺和信念來進(jìn)行密碼設(shè)計(jì)和分析的，而不是靠推理證

14、明。1948年，C. E. Shannon(1916~2002)在貝爾系統(tǒng)技術(shù)雜志上發(fā)表論文《通信的數(shù)學(xué)理論》，創(chuàng)立了著名的新理論——信息論，《保密系統(tǒng)的通信理論》標(biāo)志著密碼術(shù)到密碼學(xué)的轉(zhuǎn)變。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,SIGSALY電話機(jī),Claude Shannon was born on April 30, 1916 in the town of Gaylord, Michigan.By the 1980's, Shannon

15、 began having problems with his memory and he was later diagnosed with Alzheimer's disease.In his final years he was “good-natured as usual” and enjoyed daily visits with his wife, Betsy.Eventually his body failed a

16、nd he passed away in February 2001.A Mathematical Theory of Communication. Bell Syst. Tech. J.,27:379-423, 1948Communication Theory of Secrecy Systems. Bell Syst.Tech. J., 28:656-715,949,信息論與密碼學(xué),為了表彰Shannon的偉大功績(jī)，200

17、0年10月6日IEEE Information Society 的25名成員在Shannon的兒童時(shí)代的老家Michigan的Gaylord舉行了Shannon塑像的落成典禮。塑像底座正面刻文如下：Claude Elwood ShannonFather of Information Theory Electrical engineer,Mathematician,and native son of Gaylord. Hi

18、s creation of information theory, the mathematical theory of communication, in the 1940s and 1950s inspired the revolutionary advances in digital communications and information storage that have shaped the modern world.,

19、信息論與密碼學(xué),This statue was donated by the Information Theory Society of the Institute of Electrical and Electronics Engineers, whose members follow gratefully in his footsteps. Dedicated October 6,2000 Edgene Daub, Sculpt

20、or? “在我看來，兩三百年之后，當(dāng)人們回過頭來看我們的時(shí)候，他們可能不會(huì)記得誰曾是美國(guó)的總統(tǒng)。他們也不會(huì)記得誰曾是影星或搖滾歌星。但是仍然會(huì)知曉Shannon的名字。學(xué)校里仍然會(huì)教授信息論。”（Dr. Richard Blahut, Oct. 6, 2000, Gaylord, Michigan）,20世紀(jì)70年代中期，密碼學(xué)界發(fā)生了兩件跨時(shí)代的大事：Diffie和Hellman發(fā)表的題為“密碼學(xué)新方向”文章，提出了“公鑰密

21、碼”新體制，沖破了傳統(tǒng)“單鑰密碼”體制的束縛。 傳統(tǒng)密碼體制主要功能是信息的保密， 雙鑰(公鑰)密碼體制不但賦予了通信的保密性， 而且還提供了消息的認(rèn)證性 新的雙鑰密碼體制無需事先交換秘密鑰就 可通過不安全信道安全地傳遞信息， 大大簡(jiǎn)化了密鑰分配的工作量。

22、 雙鑰密碼體制適應(yīng)了通信網(wǎng)的需要， 為保密學(xué)技術(shù)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域開辟了廣闊的天地。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,20世紀(jì)70年代中期，密碼學(xué)界發(fā)生了兩件跨時(shí)代的大事：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局NBS于1977年公布實(shí)施美國(guó)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES，保密學(xué)史上第一次公開加密算法，并廣泛應(yīng)用于商用數(shù)據(jù)加密這兩件引人注目的大事揭開了保密學(xué)的神秘面紗，標(biāo)志著保密學(xué)的理論與技術(shù)的劃時(shí)代的革命性變革 為保密學(xué)的研究真正走

23、向社會(huì)化作出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)也為保密學(xué)開辟了廣泛的應(yīng)用前景。從此，掀起了現(xiàn)代密碼學(xué)研究的高潮。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史,自從人類有了戰(zhàn)爭(zhēng)，就有了密碼。自古以來，通信安全保密 在國(guó)家的軍事和安全部門一直受到十分廣泛的關(guān)注。從原始的手工作業(yè)到采用機(jī)械設(shè)備、電器機(jī)械設(shè)備，進(jìn)而發(fā)展到今天的以使用電子計(jì)算機(jī)及微電子技術(shù)為標(biāo)志的電子時(shí)代。,密碼學(xué)簡(jiǎn)史(小結(jié)),密碼學(xué)的作用和意義,歷史上的戰(zhàn)爭(zhēng)，特別是兩次世界大戰(zhàn)，對(duì)于保密學(xué)的理論與技術(shù)

24、的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。在通信安全、保密、密碼分析上的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是贏得歷史上許多主要軍事沖突(包括二次世界大 戰(zhàn))勝利的關(guān)鍵因素之一。,密碼學(xué)的作用和意義,我們正在步入一個(gè)嶄新的信息社會(huì)，信息在社會(huì)中的地位和作用越來越重要，每個(gè)人的生活都與信息的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、處理和傳遞密切相關(guān)“誰掌握了信息，控制了網(wǎng)絡(luò)，誰就將擁有整個(gè)世界！”信息的安全與保密問題成了人人都關(guān)心的事情，使密碼學(xué)脫去神秘的面紗，成為大家感興趣并為更多人

25、服務(wù)的科學(xué)。,密碼學(xué),密碼學(xué)(Cryptology)：研究信息系統(tǒng)安全保密的科學(xué)。它包含兩個(gè)分支，?密碼編碼學(xué)(Cryptography)，對(duì)信息進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的隱蔽。?密碼分析學(xué)(Cryptanalysis)，研究分析破譯密碼或消息的偽造。,加密通信模型,密碼學(xué)的目的：Alice和Bob兩個(gè)人在不安全的信道上進(jìn)行通信，而破譯者eve不能理解他們通信的內(nèi)容。,明文加密密文解密,加密的簡(jiǎn)化模型,密碼體制,一個(gè)密碼系統(tǒng)（體制

26、）包含了所以可能的明文、密文、密鑰、加密算法和解密算法。密碼系統(tǒng)的安全性是基于密鑰，而不是加密算法和解密算法的細(xì)節(jié)。（這意味著算法可以公開，甚至可以當(dāng)成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來公布） --- Kerckhoff準(zhǔn)則,密碼算法的分類,按照保密的內(nèi)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鑰的(key-based)算法：算法的保密性基于對(duì)密鑰的保密。,密碼算法分類,基于密鑰的算法，按照密鑰的特點(diǎn)分：對(duì)

27、稱密碼算法(symmetric cipher)：加密和解密的密鑰相同，或者說實(shí)質(zhì)上等同的，即從一個(gè)易于推出另一個(gè)。又稱為秘密密鑰算法或單密鑰算法。非對(duì)稱密鑰算法(asymmetric cipher)：加密密鑰和解密密鑰不同，從一個(gè)很難推出另一個(gè)。又稱為公開密鑰算法(public-key cipher)。,密碼算法的分類,按照明文的處理方法分：分組密碼(block cipher)：將明文分成固定長(zhǎng)度的組，用同一密鑰和算法對(duì)每一塊加密，

28、輸出也是固定長(zhǎng)度的密文。流密碼(stream cipher)：又稱為序列密碼。它每次加密一位或一字節(jié)的明文。 序列密碼是手工和機(jī)械密碼時(shí)代的主流。,密碼算法的分類,對(duì)稱密鑰密碼可以分為：1. 分組密碼每次對(duì)一塊數(shù)據(jù)加密多數(shù)網(wǎng)絡(luò)加密應(yīng)用DES, AES, IDEA, RC6等。2. 流密碼每次對(duì)一位或一個(gè)字節(jié)加密手機(jī)One-time padding, Vigenére, Vernam,密碼算法分

29、類,公開密鑰密碼：大部分是分組密碼，只有概率密碼是屬流密碼。每次對(duì)一塊數(shù)據(jù)加密數(shù)字簽名，身份認(rèn)證RSA、ECC、ElGamal加解密速度慢,密碼分析,假設(shè)破譯者Eve是在已知密碼體制的前提下來破譯Bob使用的密鑰。這個(gè)假設(shè)稱為Kerchhoff原則。最常見的破解類型如下：- 唯密文攻擊-已知明文攻擊-非自適應(yīng)的選擇明文攻擊-自適應(yīng)的選擇明文攻擊-非自適應(yīng)（或自適應(yīng)）的選擇密文攻擊-選擇明密文攻擊-相關(guān)密鑰攻擊,

30、密碼算法的安全性,無條件安全(Unconditionally secure) 無論破譯者計(jì)算能力有多強(qiáng)，無論截獲多少密文，都無法破譯明文。 計(jì)算上安全(Computationally secure)破譯的代價(jià)超出信息本身的價(jià)值破譯的時(shí)間超出信息的有效期,S 1. A, B 2. {KAB}KAS, {KAB}

31、KBS A 3. {KAB}KBS, A B有了密碼算法，信息就安全了嗎？,,,,,,,,S,,1’. A, C 2{KAC}KAS,{KAC}KCS

32、 1. A, B 2’. {KAC}KAS,{KAC}KCS 3. {KAC}KCS, A 這里C成功的冒充了B，要求C必須是一個(gè)對(duì)于服務(wù)器S來說的一個(gè)合法用戶安全密碼算法+安全協(xié)議→ 信息安全,C,,A,,B,,,,,,2.2 古典密碼,古典密碼,古典密碼是密碼學(xué)的淵源，這些密碼大都比較

33、簡(jiǎn)單，現(xiàn)在已很少采用了。然而，研究這些密碼的原理，對(duì)于理解、構(gòu)造和分析現(xiàn)代密碼都是十分有益的。,常見的古典密碼,移位密碼,注1：26 個(gè)英文字母與{0 , … , 25 }建立一一對(duì)應(yīng) 2：當(dāng) k = 3 時(shí)，為Caesar密碼,例子：cipher => FLSKHU,移位密碼分析,給定加密消息：PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB由于(1)加解密算法已知 (2)可能嘗試的密

34、鑰只有26個(gè)通過窮舉搜索法得到明文：Meet me after the toga party.移位密碼很容易受到唯密文攻擊,替換,Polybius’ Checkerboard, 205~123 B.C.,明文： POLYBIUS密文：35 34 31 54 12 24 45 43,替換,Caesar Cipher, c.50 B.C.A B C D E F G …… X Y ZD E F G H I J …… A B

35、 C明文：Caesar cipher is a shift substitution密文：FDHVDU FLSKHU LV D VKLIW VXEVWLWXWLRQ,單表替換密碼,字母的使用頻率,對(duì)抗頻率分析的辦法,多名或同音代替密碼多表替換密碼多字母替換密碼,多表替換密碼,是以一系列（兩個(gè)以上）替換表依此對(duì)明文消息的字母進(jìn)行替換的方法。分類：非周期多表替換密碼 代換表是非周期的無限序列一次一密密碼(one time

36、 padding) 對(duì)每個(gè)明文每次采用不同的替換表周期多表替換密碼 替換表個(gè)數(shù)有限，重復(fù)使用,Vigenere cipher (1858),是一種周期多表移位替換密碼,,Vigenere cipher - 破譯,依然保留了字符頻率某些統(tǒng)計(jì)信息重碼分析法：間距是密鑰長(zhǎng)度整數(shù)倍的相同密文，反過來，密文中兩個(gè)相同的子串對(duì)應(yīng)的明文相同的可能性很大。密鑰：cryptograph yc ryptograp

37、h yc r明文：yourpackage re adyroomath re e密文：afsgioi pg pg卡西斯基Kasiski實(shí)驗(yàn)法,Vernam密碼,1918年，Gillbert Vernam建議密鑰與明文一樣長(zhǎng)，并且沒有統(tǒng)計(jì)關(guān)系的密鑰內(nèi)容，他采用的是二進(jìn)制數(shù)據(jù)：,多字母替換密碼-Playfair,Playfair舉例,(1) balloon -> ba lx

38、 lo on -> db sp gs ugBook -> bo ok -> sr qgFill -> fi lx lx -> ae sp sp,Playfair密碼分析,Playfair有26*26=676種字母對(duì)組合字符出現(xiàn)幾率一定程度上被均勻化基于字母頻率的攻擊比較困難依然保留了相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)信息,Hill密碼（1929）,Hill密碼的例子,Hill

39、密碼分析,完全隱藏了字符(對(duì))的頻率信息線性變換的安全性很脆弱，易被已知明文攻擊擊破。如上頁例子,置換（permutation）,Spartan Scytale, c.500 B.C. 斯巴達(dá)人用于加解密的一種軍事設(shè)備發(fā)送者把一條羊皮螺旋形地纏在一個(gè)圓柱形棒上,信息隱藏技術(shù),信息保密（隱匿信息的真意）信息隱藏（隱匿信息的存在） 隱寫術(shù) 數(shù)字水印,信息隱藏技術(shù),隱寫術(shù)（steganography) 通過隱藏消息的存