《密码编码学与网络安全原理与实践》第三章 传统加密技术

第三章 传统加密技术

基础知识

密码体制：单密钥体制、双密钥体制。在单钥体制中，加密密钥和解密密钥是相同的（可互推算），系统的保密性取决于密钥的安全性。有两大课题：如何产生满足保密要求的密钥？如何将密钥安全可靠地分配给通信对方？包括密钥产生、分配、存储、销毁等多方面的问题，统称密钥管理。在公钥系统中，加密密钥称公开密钥（public Key，简称公钥）可以公开发布（电话号码注册）；而解密密钥称私人密钥（private key,简称私钥）。

密码分析学，是攻击者在不知道密钥的情况下，恢复出明文的科学。对密码进行分析的尝试称为攻击（Attack)。攻击密码的方法包括穷举法，又称强力法（Brute-force），以及分析法。分析法可以依据攻击的攻击能力划分为：唯密文攻击（从已知的密文中恢复出明文或密钥）；已知明文攻击（从已知密文和一些明文-密文对中分析明文）；选择明文攻击（可选定任意明文-密文对进行攻击）；选择密文攻击（分析者能选择不同的被加密的密文，并能得到对应的解密的明文（主要用于公钥算法））；+选择文本攻击 （选择明文和选择密文的结合）

Kerckhoff假设：假设敌手Oscar知道正在使用的密码体制。换言之：一个密码系统的安全性都应该基于密钥的安全性，而不是基于算法的细节的安全性。

1949年，美国数学家C. Shannon在其著名的“信息论” 发表一年之后，又发表了论文“保密系统的通信理论”，首次将密码学研究置于坚实的数学基础上。建立了通信保密/密码学严格的理论基础；证明了一次一密（one-time pad）的密码系统是完善保密的，导致了对流密码的研究和应用；提出分组密码设计应该遵循的准则，如扩散性和混淆性；证明了消息冗余使得破译者统计分析成功的理论值(唯一解距离)

无条件安全性：无条件安全/完善保密 (unconditional secure)无论有多少可以使用的密文，都不足以唯一确定由该体制产生密文所对应的明文—无论花多少时间，攻击者都无法将密文解密。在惟密文攻击条件下，如果一个密码系统其密文和明文之间的互信息为 0，即I(M;C)=0，则该系统为完善保密的。其必要条件为H(K) ≥H(M)；无条件安全密码体制是存在的：一次一密

计算安全性：（computational secure）破译密码的代价超过了密文信息的价值；破译密码的时间超出了密文信息的有效生命周期

古典加密技术概述

古典密码基本技术：代换、置换

古典密码主要形式包括：

代换技术(Substitution)定义：将明文字母替换为其他字母、数字或者符号的方法；如果明文被看作二进制比特串，则代换是用密文比特串来替代明文比特串。例如：Caesar密码、单表代换密码、Playfair密码、Hill密码、多表代换密码与一次一密

换位技术/置换技术(Transposition)：对明文字母的某种置换取得一种类型完全不同的映射。例如：栅栏技术等

转轮机：如果将输入输出引脚当作字母表中的一个字母，那么一个圆筒就定义了一个单表替换。

隐写术：字符标记、不可见墨水、针刺、打字机的色带校正

古典密码加解密

移位密码

$C=M+K\mathrm{mod}26$，当K=3时为凯撒密码

不安全；攻击方法：穷举

单表代换密码

密钥K是一个代换表，密钥长度为26

不安全；原因：存在语言的统计特性

仿射密码

$c=a\ast m+b\mathrm{mod}26;m=a^{-1}(c-b)\mathrm{mod}26$

不安全；弱点：明文的统计特性（语法和明文结构）原样地传递给了密文中

play fair密码

多表代换密码。步骤：选择密钥词、构造5×5矩阵 (26-1)、填充与加密

加密：

预处理明文: 两个字母一组；若两个字母一样，则填充某个固定字母，重分组；（如：Balloon —》ba lx lo on）
一组中的两字母同行，则每个字母用该行的后一字母替代；一组中的两字母同列，则每个字母用该列的后一字母替代；非同行同列字母替代，用对角的两个字母替代。

解密只需将加密过程逆过来即可，注意i和j的选择

分析：26×26种双字母组合，对单字母判断困难。频率分析变得困难：双字母频率统计规律弱于单字母

希尔密码

一次加密多个字符，多表代换，1929，by Lester Hill
m个连续明文字母被m个密文字母代替。由m个线性方程决定替代方法

加密过程：

解密需要先求密钥矩阵K的逆，然后$P=K^{-1}C$

优点：完全掩盖单字母频率特性（双字母，三字母。。。）。可以抵抗已知密文攻击
缺点：不能抵抗已知明文攻击—当K为m×m矩阵，则m条（明文，密文）对，就可能获得密钥

多表代换密码：Vernam加密

使用多个单字母替换表, 因此一个字母可以被多个字母替换;密钥的每一个字符确定加解密使用哪个字母表；密钥的第i个字母表示使用第i个字母表；
依次使用每个字母表；密钥周期使用。

算法为：$c_i=p_i\oplus k_i$，其中i表示第i个二进制位。

解密算法为：$p_i=c_i\oplus k_i$

密码分析:

确定密钥字的长度r。逐个攻破单表代换。攻击的计算复杂度是单表代换的r倍;

改进的Vigenère Cipher仍不能抵御频率分析攻击

一次一密（OTP）

不能抵御已知明文攻击（足够长密文，vernam）
密钥管理（收发双方、密钥生成、传输）很困难
安全性来自密钥的随机性

是不可破译的

置换密码：栅栏加密

置换密码是对明文字母的某种置换取得一种类型完全不同的映射，简单的说，就是打乱明文字母的顺序

方法：将密文以对角线顺序写为几行，并按照行的顺序读出来
例：
明文： meet me after the toga party
变换：

密文：mematrhtgpryetefeteoaat

换位密码

方法：将明文写为矩阵块，再按列读出。但是列顺序打乱。
密钥就是列次序

分析：所得密文与原始明文的字母频率相同
对简单换位密码：将密文直接写为矩阵块，再推证列的次序
可以再对所得密文执行一次同样的置换，进一步混乱字母顺序

乘积密码

单纯使用替代或者置换的密码体制都是不安全的，因为语言具有冗余性和特定统计概率
因此，考虑连续使用几种密码来增加破译的困难性。但是：
– 两个代换密码的“乘积”得到一个更加复杂的代换
– 两个置换密码的“乘积”得到一个更加复杂的置换
– 一个代换后接一个置换，得到一种新的、更加困难的密码
这是连接古典加密与对称加密的桥梁

转轮机

原理：非常复杂多变的代换密码
方式：使用一系列的圆筒，每个圆筒相当于给出一个周期为26的多表代换算法

动机：多步置换算法可增大密码分析的难度
是基于对多重加密原理的重要应用实例

例如：Enigma

今天，转轮机的意义在于它曾经给最为广泛使用的密码——数据加密标准DES指明了方向

现在以及不安全了

隐写术

严格的说，并不是加密，只是隐藏消息的存在性

缺点：需要很长的消息为代价来隐藏少量信息

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