计算机考研 信息安全（二）——密码学

这是一篇关于计算机考研 信息安全（二）——密码学的思维导图。密码学是研究如何隐密地传递信息的学科,是数学和计算机科学的分支,和信息论也密切相关。而互联网的出现和繁荣,密码学技术得到了飞跃式发展。

信息安全（二）——密码学

• 密码学的基本概念
  • 密码学(Cryptology)：
  • 研究信息系统安全保密的科学。
  • 密码编码学(Cryptography)：
  • 研究对信息进行编码,实现对信息的隐蔽。
  • 密码分析学(Cryptanalytics) ：
  • 研究加密消息的破译或消息的伪造。
  • 消息被称为明文(Plaintext)。
  • 用某种方法伪装消息以隐藏它的内容的过程称为加密(Encrtption)，被加密的消息称为密文(Ciphertext)，而把密文转变为明文的过程称为解密(Decryption)。
  • 密码算法：
  • 用于加密和解密的数学函数。 密码员对明文进行加密操作时所采用的一组规则称作
  • 加密算法(Encryption Algorithm)。 \所传送消息的预定对象称为接收者(Receiver)。接收者对密文解密所采用的一组规则称为* 解密算法(Decryption Algorithm)
  • 加密过程
  • 密码学的目的：Alice和Bob两个人在不安全的信道上进行通信，而破译者Oscar不能理解他们通信的内容。 加密和解密算法的操作通常都是在一组密钥的控制下进行的，分别称为加密密钥(Encryption Key) 和解密密钥(Decryption Key)。 加密和解密算法的操作通常都是在一组密钥的控制下进行的，分别称为加密密钥(Encryption Key) 和解密密钥(Decryption Key)。
  • 密码体制
  • 一个五元组(P,C,K,E,D)满足条件： 1) P是可能明文的有限集；(明文空间) 2) C是可能密文的有限集；(密文空间) 3) K是一切可能密钥构成的有限集；(密钥空间) 4) 任意k∈K,有一个加密算法ek∈E和相应的解密算法dk∈D，使得ek : P→C和dk : C→P分别为加密解密函数，满足dk(ek(x))=x，其中 x ∈P。
  • 加密算法基本原理
  • 代替：明文中的元素映射成另一个元素 置换 ：重新排列 要求：不允许信息丢失，即算法可逆
  • 基于密钥的算法，按照密钥的特点分类：
  • ==对称密码算法(symmetric cipher)==：加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同，即从一个易于推出另一个。又称秘密密钥算法或单密钥算法。 ==非对称密钥算法(asymmetric cipher)==：加密密钥和解密密钥不相同，从一个很难推出另一个。又称公开密钥算法(public-key cipher) 。
  • 密码分析破解类型：
  • 唯密文攻击 密码分析者仅知道有限数量用同一个密钥加密的密文
  • 已知明文攻击 密码分析者除了拥有有限数量的密文外，还有数量限定的一些已知“明文—密文”对
  • 选择明文攻击 密码分析者除了拥有有限数量的密文外，还有机会使用注入了未知密钥的加密机，通过自由选择明文来获取所希望的“明文—密文”对。
  • 选择密文攻击 密码分析者除了拥有有限数量的密文外，还有机会使用注入了未知密钥的解密机，通过自由选择密文来获取所希望的“密文—明文”对。
  • 选择文本攻击
  • 密码的安全性
  • ==无条件安全(Unconditionally secure)== 无论破译者有多少密文，他也无法解出对应的明文，即使他解出了，他也无法验证结果的正确性。 （除一次一密钥，都不是无条件安全） ==计算上安全(Computationally secure)== 破译的代价超出信息本身的价值 破译的时间超出了信息的有效期
  • 现代密码学基本原则
  • 设计加密系统时，总假定密码算法是可以公开的，需要保密的是密钥。“ 一切秘密在于密钥之中，而加密算法可以公开 ” 即Kerckhoff原则。
  • 密码学的起源和发展三个阶段：
  • 1949年之前：密码学是一门艺术
  • 古典密码(classical cryptography)
  • 隐写术(steganography)：不同于加密。 如果把一封信锁在保险柜中，把保险柜藏在纽约的某个地方…，然后告诉你去看这封信。这并不是安全，而是隐藏。
  • 1949～1975年：密码学成为科学
  • 计算机使得基于复杂计算的密码成为可能 1949年Shannon的“The Communication Theory of Secret Systems” 1967年David Kahn的《The Codebreakers》 1971-73年IBM Watson实验室的Horst Feistel等的几篇技术报告 Smith,J.L.,The Design of Lucifer, A Cryptographic Device for Data Communication, 1971 Smith,J.L.,…,An Expremental Application of Cryptogrphy to a remotely Accessed Data System, Aug.1972 Feistel,H.,Cryptography and Computer Privacy, May 1973 数据的安全基于密钥而不是算法的保密
  • 1976年以后：密码学的新方向——公钥密码学
  • 1976年Diffie & Hellman的“New Directions in Cryptography”提出了不对称密钥密码 1977年Rivest,Shamir & Adleman提出了RSA公钥算法 90年代逐步出现椭圆曲线等其他公钥算法 公钥密码使得发送端和接收端无密钥传输的保密通信成为可能！ 1977年DES正式成为标准80年代出现“过渡性”的“post DES”算法，如IDEA，RCx，CAST等 90年代对称密钥密码进一步成熟 Rijndael，RC6， MARS，Twofish，Serpent等出现 2001年Rijndael成为DES的替代者
• 经典密码体制
  • 代替密码(substitution cipher)
    • 就是明文中的每一个字符被替换成密文中的另一个字符。接收者对密文做反向替换就可以恢复出明文。
    • 简单代替密码(simple substitution cipher)：
    • 又称单字母密码(monoalphabetic cipher)，明文的一个字符用相应的一个密文字符代替。
    • 多字母密码(ployalphabetic cipher)：
    • 明文中的字符映射到密文空间的字符还依赖于它在上下文的位置。
    • 恺撒密码(Caesar Cipher)：
    • 已知的最早（也是最简单的方式）的简单替代密码是朱里斯.恺撒所用的密码。恺撒密码是把字母表中的每个字母用该字母后面第3个字母进行代替。例如： 明文：meet me after the toga party 密文：PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWS 既然字母表是循环的，因此Z后面的字母是A。能够通过列出所以可能性定义如下所示的变换：
    • 移位密码(Shift cipher)
    • 对每个明文字母p，恺撒加密可转化为移位密码，其中加密算法： C = E(p) = (p＋k) mod (26)，其中k在1～25之间取值。 解密算法是：p = D(C) = (C－k) mod (26) 如果已知密文是恺撒密码，则使用强行攻击密码分析容易取得结果 直接对所有25个可能的密钥进行尝试。
    • 模运算