凱撒密碼密碼算法與編程

1、第2講 密碼算法與編程,密碼學(xué)是一門古老而深?yuàn)W的學(xué)科，對(duì)一般人來說是非常陌生的。長(zhǎng)期以來，只在很小的范圍內(nèi)使用，如軍事、外交、情報(bào)等部門計(jì)算機(jī)密碼學(xué)是研究計(jì)算機(jī)信息加密、解密及其變換的科學(xué)，是數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)的交叉學(xué)科，也是一門新興的學(xué)科。目前已成為計(jì)算機(jī)安全主要的研究方向,第2講 密碼算法與編程,2.1 消息和加密2.2 古典密碼算法2.3 現(xiàn)代密碼算法2.4 編程實(shí)例,2.1 消息和加密,消息被稱為明文。用某種方法偽

2、裝消息以隱藏它的內(nèi)容的過程稱為加密，加了密的消息稱為密文，而把密文轉(zhuǎn)變?yōu)槊魑牡倪^程稱為解密，如圖表明了加密和解密的過程。,,2 .1 消息和加密,密碼算法是用于加密和解密的數(shù)學(xué)函數(shù)算法可以分為兩種策略以達(dá)到保密的效果1、算法本身保密（解密者可以購(gòu)買其產(chǎn)品進(jìn)行解密）2、算法公開，使用密鑰,2 .1 消息和加密,加密和解密需要用到密碼算法公開密碼算法，保存密鑰，是通常的做法。密鑰用K表示。加密和解密運(yùn)算都使用這個(gè)密鑰

3、，如圖所示,,有些算法使用不同的加密密鑰和解密密鑰，也就是說加密密鑰K1與相應(yīng)的解密密鑰K2不同，也稱為非對(duì)稱密碼算法、公鑰密碼算法，如圖所示。,,2.2 古典密碼算法,2.2.1．代碼加密 使用通信雙方預(yù)先設(shè)定的一組有確切含義的如日常詞匯、專有名詞、特殊用語等的代碼來發(fā)送消息一般只能用于傳送一組預(yù)先約定的消息,2.2 古典密碼算法,2.2.2．替換加密將明文字母表M中的每個(gè)字母替換成密文字母表C中的字母。這一類密碼包括移位密

4、碼、替換密碼、仿射密碼、乘數(shù)密碼、多項(xiàng)式代替密碼、密鑰短語密碼等。這種方法可以用來傳送任何信息，但安全性不及代碼加密。因?yàn)槊恳环N語言都有其特定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如英文字母中各字母出現(xiàn)的頻度相對(duì)基本固定，根據(jù)這些規(guī)律可以很容易地對(duì)替換加密進(jìn)行破解。典型的有凱撒密碼“愷撒密碼”，它是一種替代密碼，通過將字母按順序推后3位起到加密作用，如將字母A換作字母D，將字母B換作字母E,2.2 古典密碼算法,2.2.3．變位加密變位加密不隱藏明文的字符

5、，即明文的字母保持相同，但其順序被打亂重新排列成另一種不同的格式。 1）簡(jiǎn)單變位加密。預(yù)先約定好一組數(shù)字表示密鑰，將文字依次寫在密鑰下，再按數(shù)字次序重新組織文字實(shí)現(xiàn)加密，也有人喜歡將明文逆序輸出作為密文。例如密鑰：5 2 4 1 6 3 (密文排列次序)明文：信息安全技術(shù)密文：技息全信術(shù)安,2.2 古典密碼算法,2）列變位法。 將明文字符分割成個(gè)數(shù)固定的分組（如5個(gè)一組，5即為密鑰?。匆唤M一行的次序整齊排列，最后

6、不足一組用任意字符填充，完成后按列讀取即成密文。 3）矩陣變位加密。 將明文中的字母按給定的順序安排在一個(gè)矩陣中，然后用另一種順序選出矩陣的字母來產(chǎn)生密文。一般為按列變換次序，如原列次序?yàn)?234，現(xiàn)為2413。,2.2 古典密碼算法,例如：明文Network Security按行排列在3×6矩陣中，如下所示：1 2 3 4 5 6N e t w o rk S e c ur I t y 給

7、定一個(gè)置換： ，根據(jù)給定的次序，按5、2、6、4、1、3的列序重新排列，得到：5 2 6 4 1 3o e r w N tc u e k S i y r t所以，密文為：oerwNtc uekS i yrt。解密過程正好相反，按序排列密文后，通過列置換再按行讀取數(shù)據(jù)即可。,2.2 古典密碼算法,2.2.4．一次性密碼簿加密 密碼簿每一頁都是不同的代碼表，可用一頁上的代碼來

8、加密一些詞，用后銷毀，再用另一頁加密另一些詞，直到全部的明文完成加密，破譯的唯一方法就是獲取一份相同的密碼簿。,2.3 現(xiàn)代密碼算法,流密碼是將明文劃分成字符（如單個(gè)字母），或其編碼的基本單元（如0、1數(shù)字），字符分別與密鑰流作用進(jìn)行加密，解密時(shí)以同步產(chǎn)生的同樣的密鑰流解密。流密碼的強(qiáng)度完全依賴于密鑰流序列的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，其核心問題是密鑰流生成器的設(shè)計(jì)流密碼主要應(yīng)用于政府和軍事等國(guó)家要害部門。,2.3 現(xiàn)代密碼算法,分組對(duì)稱密

9、碼算法DES、AES、IDEA非對(duì)稱密碼算法RSA、ECC其他算法MD5、SHA-1,2.3 現(xiàn)代密碼算法,DES算法實(shí)現(xiàn)加密需要三個(gè)步驟：第一步：變換明文。對(duì)給定的64位比特的明文x，首先通過一個(gè)置換IP表來重新排列x，從而構(gòu)造出64位比特的x0，x0=IP(x)=L0R0，其中L0表示x0的前32比特，R0表示x0的后32位。第二步：按照規(guī)則迭代。規(guī)則為L(zhǎng)i = Ri-1Ri = Li -1⊕f(Ri-1 ,Ki

10、) （i=1,2,3…16）經(jīng)過第一步變換已經(jīng)得到L0和R0的值，其中符號(hào)⊕表示的數(shù)學(xué)運(yùn)算是異或，f表示一種置換，由S盒置換構(gòu)成，Ki 是一些由密鑰編排函數(shù)產(chǎn)生的比特塊。f和Ki將在后面介紹。,第三步：對(duì)L16R16利用IP-1作逆置換，就得到了密文y。加密過程如圖所示,,-1,2.3 現(xiàn)代密碼算法,RSA體制可以簡(jiǎn)單描述如下：（1）、生成兩個(gè)大素?cái)?shù)p和q。（2）、計(jì)算這兩個(gè)素?cái)?shù)的乘積n=p×q。（3）、計(jì)算小于n

11、并且與n互質(zhì)的整數(shù)的個(gè)數(shù)，即歐拉函數(shù)φ(n)=(p-1)(q-1)。（4）、選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)b滿足1<b<φ(n)，并且b和φ(n)互質(zhì)，即gcd(b, φ(n))=1。（5）、計(jì)算ab=1 mod φ(n)。（6）、保密a，p和q，公開n和b。,2.3 現(xiàn)代密碼算法,利用RSA加密時(shí)，明文以分組的方式加密：每一個(gè)分組的比特?cái)?shù)應(yīng)該小于log2n比特。加密明文x時(shí)，利用公鑰(b, n)來計(jì)算c=xb mod n就可以得到相

12、應(yīng)的密文c。解密的時(shí)候，通過計(jì)算ca mod n就可以恢復(fù)出明文x。選取的素?cái)?shù)p和q要足夠大，從而乘積n足夠大，在事先不知道p和q的情況下分解n是計(jì)算上不可行的。常用的公鑰加密算法包括：RSA密碼體制、ElGamal密碼體制和散列函數(shù)密碼體制（MD4、MD5等）。,2.4 編程實(shí)例,以古典密碼算法中的凱撒密碼為例，編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)文字信息的加密和解密過程。主要實(shí)現(xiàn)5個(gè)功能： 1、從可視化界面輸入待加密的文字信息 2、進(jìn)

13、行凱撒加密 3、將加密后的信息顯示在界面中 4、進(jìn)行凱撒解密 5、將解密后的信息顯示在界面中,2.4 編程實(shí)例,“愷撒密碼”通過將字母按順序推后3位實(shí)現(xiàn)加密，如將字母A換作字母D，將字母B換作字母E。反之即為解密。,2.4 編程實(shí)例,編程過程視頻 1 , 2實(shí)驗(yàn)基本要求 擴(kuò)展凱撒密碼： 從可視化界面輸入密鑰，實(shí)現(xiàn)加解密高級(jí)要求（選做）： 1、密文必須為英文字符，不能亂碼 2、選擇任