密码编码学与网络安全

第一部分 对称密码

目录

第2章 传统加密技术

2.1对称密码模型

密码编码学（具有以下3个独立的特征）

密码分析学和穷举攻击

2.2代替技术

1.Caesar 密码

2.单表代替密码

3.Playfair 密码

对称加密，也称传统加密或单钥加密，是20世纪70年代公钥密码产生之前唯一的加密类型。

首先，来定义一些术语。原始的消息称为明文，而加密后的消息称为密文，从明文到密文的变换过程称为加密；从密文到明文的变换过程称为解密。研究各种加密方案的领域称为密码编码学。不知道任何加密细节的条件下解密消息的技术属于密码分析学的范畴。密码编码学和密码分析学统称为密码学。

对称密码方案有5个基本成分：

明文：原始可理解的消息或数据，是算法的输入

加密算法：加密算法对明文进行各种代替和变换

密钥：密钥也是加密算法的输入。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。算法所用的确切代替和变换也依靠密钥。

密文：作为算法的输出，看起来完全随机而杂乱的消息，依赖于明文和密钥。对于给定的消息，不同的密钥产生不同的密文，密文看上去是随机的数据流，并且其意义是不可理解的。

解密算法:本质上是加密算法的逆运算。输入密文和密钥，输出原始明文

（1）转换明文为密文的运算类型，所有的加密算法都基于两个原理：代替和置换

（2）所用的密钥数，对称密码、单钥密码、秘密钥密码或传统密码：发送方和接收方使用相同的密钥；非对称密码、双钥或公钥密码：发送方和接收方使用不同的密钥

（3）处理明文的方法，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

密码分析学：密码分析学攻击依赖于算法的性质、明文的一般特征或某些明密文对。这种形式的攻击企图利用算法的特征来推导出特定的明文或使用的密钥。

穷举攻击：攻击者对一条密文尝试所有可能的密钥直到把它转化为可读的有意义的明文。平均而言，获得成功至少要尝试所有可能密钥的一半。

在本节和下一节中，将举例探讨古典加密方法。研究这些方法可以使我们弄清楚今天所用的对称密码的一些基本方法，以及随之而来的密码攻击的类型等。

所有的加密技术都要用到两个基本模块：代替和置换

代替技术是将明文字母替换成其他字母、数字或符号的方法。如果把明文看成是二进制序列的话，那么代替就是用密文位串来代替明文位串。

已知最早的代替密码是由Julius Caesar 发明的 Caesar 密码。他非常简单就是对字母表中的每个字母，用它之后的第3个字母来代替。本书通常让每个字母等价于一个数值

那么加密算法可以如下表示，对每个明文字母p,代替成字母C:C=E(3,p)=(p+3) mod 26

我们定义 a mod n 为a除n的余数（这里用到了数论的知识，这在后面的第四章有详细的解释）

移位可以是任意整数k,这样得到一般的Caesae算法C=E(k,p)=(p+k) mod 26

同时解密算法可以写为：p=D(k,C)=(C-k) mod 26

Caesar密码的三个重要特征使我们可以采用穷举攻击分析方法。

由于Caesar密码仅有25种可能的密钥，是远远不够安全的。通过允许任意代替，密钥空间将会急剧增大。

定义：每条消息用一个字母表（给出从明文字母到密文字母的映射）加密

单表代替密码仍然较容易被攻破，因为它带有原始字母使用频率的一些统计学特征，有两种主要的方法可以减少代替密码里明文结构在密文中的残留度：一种是对明文中的多个字母一起加密，另一种是采用多表代替密码。后面会提及。

最著名的多字母代替密码是Playfair密码，他把明文中的双字幕音节作为一个单元并将其转化成密文的“双字母音节”。

Playfair 算法是基于一个由密钥词构成的5×5字母矩阵。有个例子可以更好的理解这种加密方法：

这个密钥词是monarchy。填充矩阵的方法是：首先将密钥词（去掉重复的字母）从左到右从上到下填在矩阵格子中，再将剩余的字母按字母表的顺序从左至右，从上到下填在矩阵剩下的格子里，这里时间将 I 和 J 放在一个格子里。这里遵循以下原则：

（1）如果该字母对的两个字母是相同的，那么在它们之间加一个填充字母，比如x。例如balloon先把它变成ba lx lo on 这样的4个字母对。（本人理解为从左边开始两个两个的分，当遇见一样的，中间添加字母，然后继续，如果最后只有一个字母再添加一个字母【是否和之前添加同一个？】）

（2）落在矩阵同一行的明文字母对中的字母由其右边的字母来代替，每行中最右边的一个字母就用该行中最左边的第一个字母来代替，比如ar 变成 RM

（3）落在矩阵同一列的明文字母对中的字母由其下面的字母来代替，每列中最下面的一个字母就用该列中最上面的第一个字母来代替，比如mu 变成 CM

（4）其他的每组明文字母对中的字母按如下方式代替，该字母所在行为密文所在行，另一字母所在列为密文所在列。另一个相反。比如hs 变为BP。ea 变成IM(JM)

尽管Playfair 密码被认为是较安全的，他仍然是相对容易攻破的，因为它的密文仍然完好地保留了明文语言地大部分结构特征。几百个字母地密文就足以我们分析出规律了。

这后面的知识写道了八版第三章  里面有后续0.0