密码学基础

通信基础

• 三张网：电信网、计算机网、有线电视网
• 移动通讯
  • 1G：面向语音的模拟无限系统
  • 2G：面向语音的数字无线系统
  • 3G：把蜂窝电话、语音业务以及移动数据业务用各种分组交换数据业务综合在一个高语音质量、高容量、高速率的网络系统中
  • 4G：更快的无线通信速度
• 信息窃取攻击
  • 蛮力破解
  • 中间人攻击（数据监听与数据篡改）
  • 拒绝服务攻击
  • 病毒攻击（恶意软件）
• 安全防守技术
  • 加解密技术
  • 访问控制与身份认证
  • 防火墙技术
  • 防病毒技术
  • 补丁技术

古典密码

• 传统加密：对称加密、单钥加密，如代换、置换，安全性在于保持算法本身的保密性
• 现代加密：非对称加密。公钥加密，把算法和密钥分开，安全性在于保持密钥的保密性
• 密码编码的三个独立特征
  1. 加密的运算类型（置换 or 代换）
  2. 所用的密钥数（对称 or 非对称）
  3. 处理明文的方法（分组密码/块密码（输入一个分组，输出一个分组） or 序列密码/流密码（输入一个元素，输出一个元素））
• 密码的安全性
  • 无条件安全：无论有多少可以使用密文，都不足以唯一地确定由该体制产生密文所对应的明文
  • 计算安全：破译密码的代价大于加密数据本身的价值 / 破译密码的时间超过了密文信息的生命期

代换技术

• 代换：元素映射

• Enigma：转轮式密码机

  • 转轮机：自动替换对应字母，单表代换 → 多表代换，防止字频泄漏
  • 反射器：同样把某一个字母连在另一个字母上，但是并不转动；使译码的过程和编码的过程完全一样
  • 工作过程：调三个转轮方向（事先规定的密匙）→ 明文输入得到密文 → 密文输入得到明文

  

  

  

  

  三个转轮的初始方向共有262626=17576个选择

  • 增加强度：三个转轮可以交换顺序（引入 6 种相对位置）；连接板上可两两交换6对字母（可能性巨大）
  • 系统参数（密匙信息）：转轮自身的初始方向，转轮之间的相互位置，以及连接板连线的状况

• Caesar 密码：单表代换的流密码，每个字母用它之后的第3个字母代换；保留了字频统计特征

• Playfair 密码：多表代换的块密码，以双字母为单元进行代换；但依然保留了一定的语言结构

  

  

• Hill 密码：多表代换的块密码，根据 m 个线性等式将 m 个连续的明文字母代换成 m 个密文字母（m 为人为规定）；解密需要用到 K 的逆 K^-1（因此 K 一定要可逆）；完全隐蔽了单字母频率特征，且矩阵规模越大隐藏的信息越多，m * m 矩阵可以隐藏 m-1 字母组合的频率特征，但计算复杂度较高

  

• Vigenere 密码：多表代换的流密码，使用一系列 Casear 密码组成密码字母表；字频信息被隐藏，但并非所有结构信息都被隐藏

  

  

• Vernam 密码：多表代换的流密码，选择一个与明文毫无统计关系并且和明文一样长的密钥，其运算是基于二进制数据而非字母的

• 一次一密：多表代换的流密码，使用与消息一样长且无重复的随机密钥来加密消息；是不可攻破，即无条件安全的；大规模应用及密码分配保护困难