密码学原理与应用课件.pptx
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1、密码学原理与应用,内容,一、密码学概论1. 密码体制及其分类2. 密码学发展简史3. 密码分析概念和原理二、密码编码学基本原理1. 对称密码概念与典型算法:Feistel结构、DES等2. 公钥密码概念与典型算法:RSA等3. 消息认证概念与典型算法:MD5等三、密码学典型应用1. 加密设备的部署2. 密钥管理与密钥分配3. 数字证书与PKI,一、密码学概论1. 密码体制及其分类2. 密码学发展简史3. 密码分析概念和原理,密码体制及其分类学科内涵,学科内涵研究如何隐秘地传递信息的学科对信息以及其传输的数学性研究与数学、信息论、计算机科学等紧密相关是信息安全(认证、访问控制等技术)的基础和核心
2、其首要目的是隐藏信息的涵义,而不是隐藏信息的存在,密码体制及其分类基本术语,密码学(Cryptology) 泛指研究保密通信的学科,包括设计和破译两个方面密码编码学(Cryptography) 研究如何达到信息秘密性、鉴别性等的科学,研究编码系统密码编码者(cryptographer)密码分析学(Cryptanalysis) 研究如何破解密码系统,或伪造信息使密码系统失效的科学密码分析者(cryptanalyst)加密和破译既相互对立又密切相关,二者的相互作用促进了密码学的发展,密码体制及其分类密码体制,密码系统五元组(M,C,K,E,D)明文空间 M密文空间 C密钥空间 K加密算法 E解密算
3、法 D,密码体制及其分类,明文(plaintext)原始的消息。加密算法(encryption algorithm) 对明文进行各种代替和变换的算法,加密算法的输入为明文和密钥,输出为密文。密文(ciphertext) 加密后的消息。解密算法(decryption algorithm) 加密算法的逆运算,输入密文和密钥,输出原始明文。密钥(secret key) 加密算法的输入,密钥独立于明文和算法,算法根据所用的特定密钥而产生不同的输出。,密码体制及其分类三种分类(1),明文转换为密文的运算类型代替(Substitution) :明文中每个元素映射成另一个元素置换(Transposition
4、) :将明文元素重新排列基本要求是不允许信息丢失(即可逆)大多数密码体制使用多层代替和置换(即乘积密码系统),密码体制及其分类三种分类(2),所用的密钥数对称密码:收发双方使用相同的密钥(又称为单钥或传统密码)非对称密码:收发双方使用不同的密钥(又称为双钥或公钥密码),密码体制及其分类三种分类(3),明文处理方式分组密码:每次处理输入的一组元素,相应地输出一组元素流密码:连续地处理输入元素,每次输出一个元素(又称为序列密码),密码学发展简史,密码学发展史简图,密码学发展简史,密码学发展两大阶段古典密码阶段(1949):特定应用领域(军事、政治、外交)现代密码学阶段(1949):密码技术成为一门
5、学科著名论文: Communication theory of secrecy systems, Bell Syst. Tech. J.,Volume 28, 656-715, 1949.,密码学发展简史古典密码,古典密码密码学还不是科学,而是艺术出现一些密码算法和加密设备密码算法的基本手段出现,针对的是字符简单的密码分析手段出现主要特点:数据的安全基于算法的保密,密码学发展简史古典密码,二十世纪早期密码机,密码学发展简史现代密码,现代密码发展初期(1949-1975)计算机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The Communication Theory
6、of Secret Systems1967年David Kahn的The Codebreakers1971-73年IBM Watson实验室的Horst Feistel等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,密码学发展简史现代密码,现代密码公钥密码学(1976-)W. Diffie和E. M. Hellman提出公钥密码的思想(1976)著名论文:W. Diffie and M. E. Hellman, New direction in cryptography, IEEE Tran. On Information Theory, IT-22, (6), 644-654,1
7、976.1977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主要特点: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,密码学发展简史现代密码,现代密码系统设计要求系统即使达不到理论上是不可破的,也应当为实际上不可破的。就是说,从截获的密文或某些已知的明文密文对,要决定密钥或任意明文,在计算上是不可行的系统的保密性不依赖于对加密体制或算法的保密,而依赖于密钥保密。这是著名的Kerckhoff原则加密和解密算法适用于所有密钥空间中的元素系统便于实现和使用,密码学发展简史现代密码,现代密码密码技术的商用化(1977-)1977:美
8、国国家标准局(现美国家标准与技术研究所NIST)颁布对称密码算法数据加密标准DES (Data Encryption Standard)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,密码分析概念与原理基本概念,非授权者通过各种办法(如搭线窃听电磁信号等)来窃取机密信息,称其为截收者。截收者虽然不知道系统所用的密钥,但通过分析可能从截获的密文推断出原来的明文或密钥,这一过程称为密码分析。研究如何从密文推演出明文或
9、密钥的科学称为密码分析学。破译者使用的策略取决于加密方案的固有性质以及破译者掌握的信息。,密码分析概念与原理主要分析方法,密码分析概念与原理主要分析方法,传统破译法穷举破译法方法:对截获的密文依次用各种可能的密钥试译,直到获得有意义的明文;或者利用对手已注入密钥的加密机(比如缴获得到),对所有可能的明文依次加密直到得出与截获的密文一致的密文。对策:将密钥空间和明文空间设计得足够大。,密码分析概念与原理主要分析方法,传统破译法数学分析法确定性分析法方法:利用密文和部分明文等已知量以数学关系式表示出所求未知量(如密钥等),然后计算出未知量。对策:设计具有坚实数学基础和足够复杂的加密函数统计分析法方
10、法:密码破译者对截获的密文进行统计分析,找出其统计规律或特征,并与明文空间的统计特征进行对照比较,从中提取出密文与明文间的对应关系,最终确定密钥或明文。对策:扰乱密文的语言统计规律,密码分析概念与原理主要分析方法,边信道攻击法(side channel attack)利用密码系统实现时泄漏的额外信息,推导密码系统各种的秘密参数,也被称为“侧信道攻击方法”、“物理分析方法” 密码算法执行器件(加密芯片)的功耗密码算法各步骤执行的时间度量电磁辐射计算错误与具体实现有关,非通用的分析方法,但更有效、更强大,密码分析概念与原理密码分析,当加密方案产生的密文满足下面条件之一或全部条件时,则称该方案是计算
11、安全的(computationally secure)破解密文的代价超出被加密信息的价值破解密文需要的时间超出信息的有用寿命问题的关键是,我们很难定量的评估成功破译密文需要付出的努力。但是,假设算法没有内在的数学弱点,那么就只剩下穷举攻击方法了,我们就能够对其成本和时间做出合理的评估。,密码分析概念与原理密码分析,穷举搜索密钥需要的平均时间穷举方法尝试所有可能的密钥直到把密文翻译成可解的明文。平均而言,一般需要尝试所有可能密钥的一半才能成功。下面的表格给出了不同密钥长度所需的时间,二、密码编码学基本原理1. 对称密码概念与典型算法:Feistel结构、DES等2. 公钥密码概念与典型算法:RS
12、A等3. 消息认证概念与典型算法:MD5等,对称密码概念与典型算法概念,对称密码体制(Symmetric System)传统密码算法(又称为单密钥算法)加密密钥和解密密钥相同,或从一个易于推出另一个能加密就能解密,加密能力和解密能力是结合在一起的,开放性差如:DES、IDEA、RC5、AES等算法,对称密码概念与典型算法概念,对称密码体制优点:算法多、速度快、安全性好缺点:密钥更换、传递和交换需要可靠信道如有N用户,则需要C=N(N-1)/2个密钥,N很大时,秘钥管理困难不能实现数字签名,对称密码概念与典型算法概念,对称密码体制的细分根据明文处理方式,可以分为:分组密码(block ciphe
13、r) 将明文分成固定长度的组,用同一密钥和算法对每一块加密,输出也是固定长度的密文。如DES、IDEA、AES等流密码(stream cipher) 又称序列密码。流密码每次通过输出密钥流序列加密(通常是模2加)一位或一字节的明文。如A5、E0 、RC4等,对称密码概念与典型算法分组密码典型算法,DES (Data Encryption Standard,数据加密标准)DES也称为DEA (Data Encryption Algorithm,数据加密算法);1972年,IBM设计完成;1975年,IBM发布该算法的详细内容;1976年,美国联邦政府采用该算法,成为从二十世纪80年代到二十世纪末
14、事实上的对称加密标准;采用56位密钥(64位,其中每个字节一个奇偶校验位),64位明文;共进行16轮加密操作。,Feistel网络示意图,Feistel加密结构,输入是分组长为2w的明文和一个密钥K。将每组明文分成左右两半L0和R0,在进行完n轮迭代后,左右两半再合并到一起以产生密文分组。其第i轮迭代的输入为前一轮输出的函数:其中Ki是第i轮用的子密钥,由加密密钥K得到。一般地,各轮子密钥彼此不同而且与K也不同。,Feistel加解密过程,DES加密过程,密文(64bits),IP置换(64bits),L0(32bits),R0(32bits),L1=R0,R1=L0 f(R0,k1),f,k
15、i,+,16轮同样运算,L16,+,R16=L15 f(R15,ki),+,IP-1置换(64bits),明文(64bits),对称密码概念与典型算法分组密码典型算法,IDEA(International Data Encryption Algorithm,国际数据加密算法)1990年提出,1992年确定IDEA受专利保护应用于PGP(Pretty Good Privacy)分组为64位,密钥为128位,52个子密钥,每个子密钥16位8轮输出置换,每轮使用6个子密钥过程与DES相似,但是相对简单一些,对称密码概念与典型算法分组密码典型算法,AES(Advanced Encryption Sta
16、ndard,高级加密标准)虽然到目前为止,尚没有致命的攻击能够破解DES(目前大多数的破解都是针对DES密钥长度太短来破解) 但是已经影响到了DES密码体制的安全。1997年4月15日,美国国家标准技术研究所(NIST)发起征集高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)的活动,活动目的是确定一个非保密的、可以公开技术细节的、全球免费使用的分组密码算法,作为新的数据加密标准。1997年9月12日,美国联邦登记处公布了正式征集AES候选算法的通告。作为进入AES候选过程的一个条件,开发者承诺放弃被选中算法的知识产权。对AES的基本要求是:比三重DES快、至少与
17、三重DES一样安全、数据分组长度为128比特、密钥长度为128/192/256比特。,对称密码概念与典型算法分组密码典型算法,AES(Advanced Encryption Standard,高级加密标准)1998年8月12日,在首届AES会议上指定了15个候选算法。1999年3月22日第二次AES会议上,将候选名单减少为5个,这5个算法是RC6,Rijndael,SERPENT,Twofish和MARS。2000年4月13日,第三次AES会议上,对这5个候选算法的各种分析结果进行了讨论。2000年10月2日,NIST宣布了获胜者Rijndael算法。2001年11月出版了最终标准FIPS P
18、UB197。,对称密码概念与典型算法分组密码典型算法,AES的特点非Feistel结构采用对称和并行结构算法的实现更加灵活适合于现代处理器,也可在智能卡上实现AES每轮主要包括四个步骤字节代替移位行(置换)混合列(有限域上算术运算)轮密钥加(与部分密钥异或),对称密码概念与典型算法序列密码典型算法,RC4算法是由Ron Rivest于1987年为RSA公司设计的一种可变密钥长度(1-256B)的序列密码。广泛应用于商业密码产品中。软件实现速度快,有广泛应用,如无线网络WEP、WAP,BT protocol encryption,Microsoft Point-to-Point Encrypti
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