《应用密码学》课件第2章 古典密码.ppt
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1、12024/3/192024/3/1912024/3/192024/3/19112024/3/192024/3/1912024/3/192024/3/191主要内容:传统隐写术替换密码技术换位密码技术古典密码体制的安全性分析第二章第二章 古典密码算法古典密码算法22024/3/192024/3/1922024/3/192024/3/19222024/3/192024/3/1922024/3/192024/3/1922024/3/1921.隐写术32024/3/192024/3/1932024/3/192024/3/19332024/3/192024/3/1932024/3/192024/3/1
2、932024/3/193诗情画意传“密语”水洗尘埃道未甞,甘于名利两相忘。心怀六洞丹霞客,口诵三清紫府章。十里采莲歌达旦,一轮明月桂飘香。日高公子还相觅,见得山中好酒浆。42024/3/192024/3/1942024/3/192024/3/19442024/3/192024/3/1942024/3/192024/3/1942024/3/194牛郎织女会佳期下弹琴又赋诗寺静惟闻钟鼓響停始觉星斗移多少黄冠归道观幾而作尽忘机几时得到桃源洞彼仙人下象棋l牛郎织女会佳期,月下弹琴又赋诗。寺静惟闻钟鼓響,音停始觉星斗移。多少黄冠归道观,见幾而作尽忘机。几时得到桃源洞,同彼仙人下象棋。诗情画意传“密语”5
3、2024/3/192024/3/1952024/3/192024/3/19552024/3/192024/3/1952024/3/192024/3/1952024/3/195王先生:来信收悉,你的盛情真是难以报答。我已在昨天抵达广州。秋雨连绵,每天需备伞一把方能上街,苦矣。大约本月中旬我才能返回,届时再见。王先生:来信收悉,你的盛情真是难以报答。我已在昨天抵达广州。秋雨连绵,每天需备伞一把方能上街,苦矣。大约本月中旬我才能返回,届时再见。62024/3/192024/3/1962024/3/192024/3/19662024/3/192024/3/1962024/3/192024/3/1962
4、024/3/196隐写术(信息隐藏)的另外一些例子隐写术(信息隐藏)的另外一些例子悠扬琴声奏响“进军号角”显微镜里传递情报魔术般的密写术网络与数字幽灵量子技术隐形传递信息72024/3/192024/3/1972024/3/192024/3/19772024/3/192024/3/1972024/3/192024/3/1972024/3/197隐写术的优点 能够被某些人使用而不容易被发现他们间在进行秘密通信 加密则很容易被发现谁与谁在进行秘密通信,这种发现本身可能具有某种意义或作用 82024/3/192024/3/1982024/3/192024/3/19882024/3/192024/3/
5、1982024/3/192024/3/1982024/3/198隐写术的缺点 形式简单但构造费时,要求有大量的开销来隐藏相对较少的信息 一旦该系统的构造方法被发现,就会变得完全没有价值 隐写术一般无稳健性92024/3/192024/3/1992024/3/192024/3/199520 我爱你。8371658 别生气,原谅我!77543 猜猜我是谁?7867998 吃饱了,去走走吧!古典密码技术根据其基本原理大体上可以分为两类:替换密码技古典密码技术根据其基本原理大体上可以分为两类:替换密码技术和换位密码技术。术和换位密码技术。比如,比如,替换密码:替换密码:比如,比如,移位密码:移位密码:
6、赏马花归去如已时暮飞酒力微醒连环诗酒力微醒时已暮,醒时已暮赏花归。酒力微醒时已暮,醒时已暮赏花归。赏花归去马如飞,去马如飞酒力微赏花归去马如飞,去马如飞酒力微赏花归去马如飞,去马如飞酒力微。赏花归去马如飞,去马如飞酒力微。酒力微醒时已暮,醒时已暮赏花归酒力微醒时已暮,醒时已暮赏花归102024/3/192024/3/19102024/3/192024/3/1910相思(秦少游)静思伊久阻归期,久阻归期忆别离。忆别离时闻漏转,时闻漏转静思伊。112024/3/192024/3/19112024/3/192024/3/1911112024/3/192024/3/19112024/3/192024/
7、3/19112024/3/1911 替换密码技术是基于符号替换的密码技术,这种密码技术是以符号替换密码技术是基于符号替换的密码技术,这种密码技术是以符号的置换来达到掩盖明文信息。这类密码技术有:的置换来达到掩盖明文信息。这类密码技术有:单字符单表替换密码技单字符单表替换密码技单字符单表替换密码技单字符单表替换密码技术(术(术(术(比如教材上:简单替代密码技术、多名码代替密码技术和多字母代比如教材上:简单替代密码技术、多名码代替密码技术和多字母代比如教材上:简单替代密码技术、多名码代替密码技术和多字母代比如教材上:简单替代密码技术、多名码代替密码技术和多字母代替密码技术替密码技术替密码技术替密码
8、技术)、单字符多表替换密码技术)、单字符多表替换密码技术)、单字符多表替换密码技术)、单字符多表替换密码技术(比如教材上:多表代替密码技术比如教材上:多表代替密码技术比如教材上:多表代替密码技术比如教材上:多表代替密码技术)等。)等。2.替换密码技术替换密码技术 代替密码就是明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符。代替密码就是明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符。古典密码技术根据其基本原理大体上可以分为两类:替换密码技古典密码技术根据其基本原理大体上可以分为两类:替换密码技术和换位密码技术。术和换位密码技术。122024/3/192024/3/19122024/3/192024/
9、3/1912122024/3/192024/3/19122024/3/192024/3/19122024/3/1912 (1 1)单字符单表替换密码技术:)单字符单表替换密码技术:单字符单表替换密码技术是对明文中的所有单字符单表替换密码技术是对明文中的所有字符都使用一个固定的映射。字符都使用一个固定的映射。典型的单字符单表替换密码技术有:典型的单字符单表替换密码技术有:典型的单字符单表替换密码技术有:典型的单字符单表替换密码技术有:乘法密码技术乘法密码技术 设设A=a0,a1,an-1为明文字母表,为明文字母表,B=b0,b1,bn-1为密文字母为密文字母表,单字符单表替换密码技术使用了表,单
10、字符单表替换密码技术使用了A到到B的映射关系:的映射关系:f:AB,f(ai)=bj(一般一般情况下,为保证加密的可逆性,情况下,为保证加密的可逆性,f是一一映射)将明文中的每一个字母替换为密是一一映射)将明文中的每一个字母替换为密文字母表中的一个字母。文字母表中的一个字母。单字符单表替换密码技术的密钥就是映射单字符单表替换密码技术的密钥就是映射f或密文字母表(一般情况下明或密文字母表(一般情况下明文字母表与密文字母表是相同的,这时的密钥就是映射文字母表与密文字母表是相同的,这时的密钥就是映射f)。)。132024/3/192024/3/19132024/3/192024/3/19132024
11、/3/1913乘法密码技术的加密变换:乘法密码技术的加密变换:Ek(ai)=aj,j=ik(mod n),),gcd(k,n)=1乘法密码技术的解密变换:乘法密码技术的解密变换:Dk(aj)=ai,i=jk-1(mod n)乘法密码技术的密钥是乘法密码技术的密钥是k。若若n是是素素数数,则则有有n-2个个密密钥钥(k=1时时加加密密变变换换是是恒恒等等变变换换,应应该该予予以以抛抛弃弃);若;若n不是素数,则有不是素数,则有(n)-1个密钥(其中个密钥(其中(n)为欧拉函数的值)。为欧拉函数的值)。142024/3/192024/3/19142024/3/192024/3/19142024/3
12、/1914 移位替换密码技术:是最简单的一种替换密码。移位替换密码技术:是最简单的一种替换密码。-移位密码的数学基础:移位密码的数学基础:假设假设a和和b都是整数,都是整数,m是一个固定的正整数。若是一个固定的正整数。若m整除整除a-b,即,即m a-b时,时,称整数称整数a,b关于模关于模m同余同余,记作,记作 a b(mod m)若若m不能整除不能整除a-b,则称则称a,b关于模关于模m不同余。正整数不同余。正整数m称为模数。称为模数。明显地:明显地:29 5(mod 8)101 3(mod 7)-101 4(mod 7)121,4关于模关于模2不同余不同余 易知易知:a b(mod m)
13、a(mod m)b(mod m)152024/3/192024/3/19152024/3/192024/3/19152024/3/1915-模的模的同余性质同余性质 :(1)自反性自反性:a a(mod m)(2)对称性对称性:若:若a b(mod m),则则b a(mod m)(3)传递性传递性:若:若 a b(mod m),b c(mod m),则则 a c(mod m)(4)(a+b)(mod m)a(mod m)+b(mod m)(5)(ab)(mod m)a(mod m)b(mod m)(6)若若a b(mod m),c d(mod m),则则 l,k Z(整数集合整数集合),有有l
14、a kc lb kd(mod m),且,且ac bd(mod m)(7)设设f(x)与与g(x)分别是两个整系数多项式:分别是两个整系数多项式:f(x)=an xn+an-1xn-1+a,g(x)=bn xn+bn-1xn-1+b 则则 ()若若a b(mod m),那么,那么f(a)f(b)(mod m)()若若a b(mod m),且,且ak bk(mod m),k=0,n,则则f(a)g(b)(mod m)162024/3/192024/3/19162024/3/192024/3/19162024/3/1916 移位密码实质上是正整数移位密码实质上是正整数m上模运算上模运算,特别用,特别
15、用Zm=0,1,m-1表示模表示模m的的剩余类,定义剩余类,定义Zm上的加法和乘法,它完全类似于普通的实数域上的数的加法和乘上的加法和乘法,它完全类似于普通的实数域上的数的加法和乘法,不同的仅是运算结果是取模以后的余数。法,不同的仅是运算结果是取模以后的余数。-定义(定义(移位密码算法移位密码算法):设设P=C=K=Z26,对,对0 k 25,即即k K,x,y Z26,定义定义 加密函数:加密函数:Ek(x)=(x+k)(mod 26)解密函数:解密函数:Dk(y)=(y-k)(mod 26)172024/3/192024/3/19172024/3/192024/3/19172024/3/1
16、917加密变换为:加密变换为:Ek(ai)=aj,j=(i+k)()(mod n),),0 k n解密变换为:解密变换为:Dk(aj)=ai,i=(j-k)()(mod n)=(j+(n-k)()(mod n)由由于于i=(j-k)(mod n)=(i+k-k)(mod n)=i(mod n),所所以以解解密密与与加加密是可逆的。从解密变换中可以看出:密是可逆的。从解密变换中可以看出:Dk=En-k。182024/3/192024/3/19182024/3/192024/3/19182024/3/1918 移位替换密码技术的密钥是移位替换密码技术的密钥是k,k唯一地确定了明文空间到密文空间的映
17、唯一地确定了明文空间到密文空间的映射,故移位替换密码技术的密钥空间的元素个数为射,故移位替换密码技术的密钥空间的元素个数为n-1。用密钥穷搜索方法很容易破译。用密钥穷搜索方法很容易破译。密钥字密码技术:它利用一个密钥字来构造替换作为密钥。密钥字密码技术:它利用一个密钥字来构造替换作为密钥。仿射密码技术:是加法密码技术和乘法密码技术的结合体。仿射密码技术:是加法密码技术和乘法密码技术的结合体。192024/3/192024/3/19192024/3/192024/3/19192024/3/1919 k k,b b为为为为该该该该算算算算法法法法的的的的密密密密钥钥钥钥。当当b=0时时,仿仿射射密
18、密码码技技术术退退化化为为乘乘法法密密码码技技术术,当当k=1时,仿射密码退化为移位替换密码技术。时,仿射密码退化为移位替换密码技术。202024/3/192024/3/19202024/3/192024/3/19202024/3/1920 (2)单字符多表替换密码技术:)单字符多表替换密码技术:单字符多表替换密码技术在安全性方面比单字符单字符多表替换密码技术在安全性方面比单字符单表替换密码技术高单表替换密码技术高。单字符多表替换密码技术是用一系列(两个以上)替换表依次对明文的字母进行单字符多表替换密码技术是用一系列(两个以上)替换表依次对明文的字母进行替换的加密方法。替换的加密方法。假设明文
19、字母表为假设明文字母表为Zq,替换表序列为替换表序列为L=L1L2,明文字母序列为明文字母序列为m=m1m2,则相应的密文序列为则相应的密文序列为c=L(m)=L1(m1)L2(m2)。如果替换序列是非周期的无限序列,则相应的密码技术为如果替换序列是非周期的无限序列,则相应的密码技术为非周期多表代替密码技非周期多表代替密码技非周期多表代替密码技非周期多表代替密码技术术术术,它对每个明文都采用了不同的替换表进行加密,也称为,它对每个明文都采用了不同的替换表进行加密,也称为一次一密密码技术一次一密密码技术一次一密密码技术一次一密密码技术,它是,它是一种理论上不可破译的密码技术。一种理论上不可破译的
20、密码技术。因为单字符单表替换密码技术中明文的字母与密文中的字母是一一对应的,因为单字符单表替换密码技术中明文的字母与密文中的字母是一一对应的,明文明文中的字母统计特性在明文中没有得到改变中的字母统计特性在明文中没有得到改变,因此单字符单表替换密码技术很容易破译。,因此单字符单表替换密码技术很容易破译。而在实际应用中采用的都是周期多表替换密码技术,只使用了有限的替换表,替而在实际应用中采用的都是周期多表替换密码技术,只使用了有限的替换表,替换表被重复使用以完成对明文的加密。换表被重复使用以完成对明文的加密。例如周期为例如周期为d,则替换表序列为:则替换表序列为:L=L1L2LdL1L2Ld。当当
21、d=1时,单字符多表替换密码技术退化为单字符单表替换密码技术。时,单字符多表替换密码技术退化为单字符单表替换密码技术。212024/3/192024/3/19212024/3/192024/3/19212024/3/1921单字符多表替换密码技术有很多,典型的有:单字符多表替换密码技术有很多,典型的有:Vigenere(费杰尔或维吉尼亚)密码技术费杰尔或维吉尼亚)密码技术 定义:定义:设设n是一个正整数。设是一个正整数。设M=C=K=(Z26)n,(Z26n=Z26 Z26 Z26表示表示Z26的的n次直积次直积)。对于对于 k=(k1,k2,kn)K,定义:,定义:加密函数:加密函数:Ek(
22、m1,m2,mn)=(m1+k1,mn+kn)(mod 26)解密函数:解密函数:Dk(y1,y2,yn)=(y1-k1,yn-kn)(mod 26)Vigenere密密码码技技术术本本质质上上是是一一种种多多表表简简单单加加法法密密码码技技术术Vigenere密密码码技技术术循循环地使用每一个替换表完成明文字母到密文字母的转换。环地使用每一个替换表完成明文字母到密文字母的转换。维吉尼亚密码一次加密维吉尼亚密码一次加密d个明文字母个明文字母(注:每个注:每个m1,m2,mn是长度为d的字母串)。Vigenere密码技术本质上是一种多表简单加法密码技术本质上是一种多表简单加法密码技术,是密码技术
23、,是1858年由法国密码学家年由法国密码学家Blaise de Vigenere发明的。它使用一个词组作为密钥,词组发明的。它使用一个词组作为密钥,词组中的每一个字母都作为移位替换密码的密钥并确定中的每一个字母都作为移位替换密码的密钥并确定一个替换表。一个替换表。Vigenere密码技术循环地使用每一个密码技术循环地使用每一个替换表完成明文字母到密文字母的转换。替换表完成明文字母到密文字母的转换。222024/3/192024/3/19222024/3/192024/3/19222024/3/1922dd -具体的加密过程:具体的加密过程:具体的加密过程:具体的加密过程:设设密密钥钥K=k1
24、k2 kn(k1=k2=kn 是是长长度度为为d的的字字母母串串),明明文文与与密密文文字字母母表表中中均均包包含含了了n个个长长度度为为d的的字字母母串串。又又设设明明文文m=m1m2,密密文文为为c=c1c2,则则ci=mi+ki(mod 26。当当密密钥钥的的长长度度比比明明文文短短时时,密密钥钥可可以以周周期期性性地地重重复复使使用用,直直至至完完成成明明文文中中的的每每个字母的加密。个字母的加密。232024/3/192024/3/19232024/3/192024/3/19232024/3/1923 Vernam(弗纳姆)密码技术弗纳姆)密码技术 其其加加密密方方法法是是,将将明明
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