云计算与网络安全之密码学技术引导

发表于 2024-8-30 03:58:07

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内容提要

密码学技术基础
数据加密体制与原理
一、密码学技术基础

密码学(Cryptography)就是研究密码的科学，具体包罗加密和解密变动。
密码学的重要性不仅表现在掩护信息安全、‌促进信息安全领域的研究上，‌还在于其对数学领域和其他相关学科的推动作用，‌以及与人工智能等技术的交织影响，‌使得密码学成为维护信息安全、‌促进社会发展的重要基石。我们非常有须要了解并把握根本密码技术。
1.1 密码学根本概述

1、密码学的发展
（1）传统密码学阶段
（2）计算机密码学阶段
（3）现代密码学阶段
2、密码学的相关概念
（1）明文P(PlainText)：信息的原文。
（2）密文C(CipherText)：加密后的信息。
（3）加密(Encryption)：将明文变化为密文的过程。
（4）解密(Decryption)：将密文转换为明文的过程。
（5）密码算法
用于加密和解密的变动规则，多为数学函数。通常环境下，密码算法包罗加密算法(加密时使用的算法)和解密算法(解密时使用的算法)
（6）密钥(Key)
密钥是举行加密或解密时包含在算法中的参数。同样，密钥也分为加密密钥和解密密钥。
3、密码的分类
（1）按密码的历史发展阶段与应用技术分类
手工密码、机械密码、电子机内乱?密码和计算机密码
（2）按密码转换的操纵范例区分分类
替代密码和移位密码
（3）按明文加密时的处置处罚方法分类
分组密码和序列密码
（4）按密钥的范例分类
对称密钥密码和非对称密钥密码
4、范例密码
（1）摩尔斯电码
（2）四方密码
（3）希尔密码
（4）波雷费密码
（5）仿射密码
1.2 传统密码技术

传统密码技术一样平常是指在计算机出现之前所采用的密码技术，主要由笔墨信息构成。
在计算机出现前，密码学是由基于字符的密码算法所构成的。不同的密码算法主要是由字符之间互相代换或互相之间换位所形成的算法。
传统加密方法加密的对象是笔墨信息。笔墨由字母表中的字母构成，在表中字母是按顺序分列的，可赋予它们相应的数字标号，可用数学方法举行变动。
1、替代密码
替代变动要先建立一个替换表，加密时将须要加密的明文依次通过查表，替换为相应的字符，明笔墨符被逐个替换后，生成无任何意义的字符串(密文)，替代密码的密钥就是替换表。
根据密码算法加密时使用替换表多少的不同，替代密码又可分为单表替代密码和多表替代密码。
2、移位密码
移位密码是指将明文的字母保持不变，但字母顺序被打乱后形成的密码。
移位密码的特点是只对明笔墨母重新排序，改变字母的位置，而不隐藏它们，是一种打乱原文顺序的替代法。
3、一次一密钥密码
一次一密钥密码是指一个包罗多个随机密码的密码字母集，这些密码就好像一个记事本，其中每页上记录一条密码。
其使用方法类似日历的使用过程，每使用一个密码加密一条信息后，就将该页撕掉作废，下次加密时再使用下一页的密码。因此，一次一密钥密码是一种理想的加密方案｡
二、数据加密体制

2.1 对称密钥密码体制及算法

2.1.1 对称密钥密码算法

对称密钥密码算法也叫做传统密钥密码算法。在该算法中，加密密钥和解密密钥雷同或相近，由其中一个很容易得出另一个，加密密钥和解密密钥都是保密的。
在大多数对称密钥密码算法中，加密密钥和解密密钥是雷同的，对称密钥密码的算法是公开的，其安全性完全依靠于密钥的安全。
1、对称密钥密码体制的优点
算法简单
加密/解密速度快
便于用硬件实现
2、对称密钥密码体制的缺点
密钥位数少
保密强度不够
密钥管理(密钥的生成、生存和分发等)复杂
3、在计算机网络中广泛使用的对称加密算法
DES、TDEA、IDEA、AES
2.1.2 DES对称加密算法

DES（Data Encryption Standard，数据加密标准）算法最初是由IBM公司所研制，于1977年由美国国家标准局颁布作为非机密数据的数据加密标准，并在1981年由国际标准化组织作为国际标准颁布。
DES算法采用的是以56位密钥对64位数据举行加密的算法。
1、DES算法原理
在DES算法中有Data、Key、Mode三个参数。其中Data代表须要加密或解密的数据，由8字节64位构成；Key代表加密或解密的密钥，也由8字节64位构成；Mode代表加密或解密的状态。
在DES算法中加密和解密的原理是一样的，只是由于Mode的状态不同，实用密钥的顺序不同而已。
2、DES算法的加密过程
DES算法的加密过程如图所示。

初始置换（Initial Permutation，IP）是对输入的64位数据按照规定的矩阵改变数据位的分列顺序的换位变动，此过程与密钥无关。
子密钥生成是由64位外部输入密钥通过置换和移位操纵生成加密和解密所需的16组（每组56位）子密钥的过程。
乘积变动过程非常复杂，是加密过程的关键。该过程通过16轮重复的替代、移位、异或和置换操纵打乱原输入数据。
逆初始置换（IP-1）与初始置换过程雷同，只是置换矩阵是初始置换的逆矩阵。
（1）初始置换(IP)
将64位明文按照初始置换表(如表6.1)的规则举行置换。其置换过程为：将输入明文的第58位置换到第1位，第50位置换到第2位，第12位置换到第3位，依此类推……，最后第7位置换到第64位。

（2）子密钥生成
输入的密钥K是64位数据，但其中第8、16、24、32、40、48、56、64位用于奇偶校验，现实使用的密钥位只有56位。子密钥Ki的生成流程如图所示。

第1步：PC1变动。
将56位密钥按置换选择1（PC-1）的规律(见表)举行置换，变动后分为左右两路（C0、D0）各28位。

第2步：数据左移。
将两个28位的C0和D0按表中的规则举行循环左移。表中第1行表现迭代轮次，第2行表现左移的位数。左移的规律是将C0和D0全部的位按表中规定的位数循环左移。

第3步：PC2变动和子密钥生成。
C0和D0左移1位后得到C1和D1，再将C1和D1数据组合后(56位)按照PC2变动的要求变动得到48位的子密钥K1，在举行第1轮迭代时使用K1；
同理，将C1和D1左移1位得到C2和D2，再将C2和D2数据组合后按照PC2变动的要求变动得到48位的子密钥K2；……；依此类推，就可以得到K3、K4…..K16。PC2变动如表6.4所示。PC2变动是将输入的56位数据变动为48位输出，该变动是一种压缩变动。
根据不同轮数分别举行左移和压缩变动，分别得到16个48位的子密钥K1, K2,…, K16。

（3）乘积变动
初始置换后的数据分为各32位的两部分，左部分为L0，右部分为R0，如许，L0 = D58D50D12….D8，R0 = D57D49D41…D7。
乘积变动过程就是将L0和R0按照乘积变动运算公式举行迭代运算，最后得出L16和R16。如图所示。

第1步：E变动。
E变动是一个扩展变动，其过程是将32位的数据Ri-1变动成48位，变动规则如表所示。

第2步：异或变动。
将E变动输出的48位数据与48位的子密钥Ki举行异或运算，得到48位的S盒数据。
第3步：S盒变动。
将48位的S盒数据均分为8部分，每部分为6位，用8个S盒S1~S8表现。每个S盒的输入为6位，变动后输出为4位，即颠末8个S盒S1~S8变动后输出为32位，如图。

S盒的变动规则：以S1盒为例，将6位输入数据(a1a2a3a4a5a6)的中间4位(a2a3a4a5)对应的数值作为列，两头的2位(a1a6) 对应的数值作为行，找到如表6.6所示的S1转换表中相应的位，得到的数值再转换成二进制情势的4位数据，此即为S1盒的输出。

第4步：P变动。
P变动的过程是将S盒输出的32位数据举行位置变动得到一个新的32数据组，因此P变动为线性变动，其变动规则如表所示。
第5步：异或变动。
P变动输出的32位数据与32位的Li-1异或后输出32位数据，此数据就是Ri。当i≤15时，Ri与Li各32位数据将被用来举行下一轮迭代变动。
（4）逆初始置换(IP-1)
将第16轮迭代变动的输出R16与L16组合在一起构成64位数据组，作为逆初始置换(IP-1)的输入。逆初始置换的变动规则如表所示，置换完成后的数据即为64位密文。

3、DES算法的解密过程
lDES的解密算法与加密算法雷同，解密密钥也与加密密钥雷同，区别仅在于举行16轮迭代运算时使用的子密钥顺序与加密时是相反的，即第1轮用子密钥K16、第2轮用K15、…，最后一轮用子密钥K1。
4、DES算法的安全性
lDES是世界上使用最为广泛和流行的一种分组密码算法，被公认为世界上第一个实用的密码算法标准。
lDES的缺点是密钥位数太短(56位)，而且算法是对称的，使得这些密钥中还存在一些弱密钥和半弱密钥，因此容易被采用穷尽密钥方法解密
由于DES算法完全公开，其安全性完全依靠于对密钥的掩护，必须有可靠的信道来分发密钥。
2.1.3 其他对称加密算法

1、TDEA算法
TDEA（Triple Data Encryption Algorithm，三重DES）算法，其本质和DES算法是一致的。它是为了解决DES算法密钥过短的而出现的。
在TDEA算法中，使用三个密钥，实行三次DES算法，该算法的总密钥长度为168位（56位的三倍）。
2、AES算法
AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）算法是一个非保密的、环球免费使用的分组加密算法，并被确定为替代DES的数据加密标准。
Rijndael算法具有加密强度高、可抵抗全部已知攻击、运算速度快和机动性好等特点，成为AES最符合的选择。
3、IDEA算法
IDEA（International Data Encryption Algorithm，国际数据加密算法）是瑞士闻名学者提出的。该算法是在DES算法的基础上发展起来的，类似于三重DES，也是一种分组密码算法，分组长度为64位，但密钥长度为128位。
该算法就是用128位密钥对64位二进制码数据举行加密的，同样用128位密钥对64位密文举行解密变动。
2.1.4 对称密钥加密算法比较

2.2 公开密钥密码体制及算法

1、公开密钥密码算法
公开密钥密码算法也叫做非对称密钥密码算法。在该算法中，信息发送方和吸收方所使用的密钥是不同的，即加密密钥与解密密钥不同，且由其中的一个很难导出另一个。
常用的公钥加密算法有：RSA算法、ElGamal算法、背包算法、拉宾（Rabin）算法和散列函数算法（MD4、MD5）等。
2、RSA算法
RSA算法是范例的公开密钥密码算法，使用公开密钥密码算法举行加密和数字签名的大多数场所都使用RSA算法。
（1）RSA算法的原理
RSA算法是建立在素数理论(Euler函数和欧几里德定理)基础上的算法。
（2）RSA算法的安全性
RSA算法的安全性建立在难于对大数举行质因数分解的基础上，因此大数n是否能够被分解是RSA算法安全的关键。
由于用RSA算法举行的都是大数运算，使得RSA算法无论是用软件实现还是硬件实现，其速度要比DES慢得多。因此，RSA算法一样平常只用于加密少量数据。
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