信息安全技術課件

1、第九章 密碼學與信息加密 9內容提要本章介紹密碼學的基本概念。介紹加密領域中兩種主流的加密技術：DES加密（Data Encryption Standard）RSA加密（Rivest-Shamir-Adleman）并用程序實現(xiàn)這兩種加密技術的算法。最后介紹目前常用的加密工具PGP（Pretty Good Privacy），使用PGP產(chǎn)生密鑰，加密文件和郵件。密碼學概述密碼學是一門古老而深奧的學科，對一般人來說是非常陌生的。長期以來，只在很小的范圍內使用，如軍事、外交、情報等部門。計算機密碼學是研究計算機信息加密、解密及其變換的科學，是數(shù)學和計算機的交叉學科，也是一門新興的學科。隨著計算機網(wǎng)絡和

2、計算機通訊技術的發(fā)展，計算機密碼學得到前所未有的重視并迅速普及和發(fā)展起來。在國外，它已成為計算機安全主要的研究方向。 密碼技術簡介 密碼學的歷史比較悠久，在四千年前，古埃及人就開始使用密碼來保密傳遞消息。兩千多年前，羅馬國王Julius Caesare（愷撒）就開始使用目前稱為“愷撒密碼”的密碼系統(tǒng)。但是密碼技術直到本20世紀40年代以后才有重大突破和發(fā)展。特別是20世紀70年代后期，由于計算機、電子通信的廣泛使用，現(xiàn)代密碼學得到了空前的發(fā)展。消息和加密遵循國際命名標準，加密和解密可以翻譯成：“Encipher（譯成密碼）”和“（Decipher）（解譯密碼）”。也可以這樣命名：“Encryp

3、t（加密）”和“Decrypt（解密）”。消息被稱為明文。用某種方法偽裝消息以隱藏它的內容的過程稱為加密，加了密的消息稱為密文，而把密文轉變?yōu)槊魑牡倪^程稱為解密，圖8-1表明了加密和解密的過程。明文 密文明文用M（Message，消息）或P（Plaintext，明文）表示，它可能是比特流、文本文件、位圖、數(shù)字化的語音流或者數(shù)字化的視頻圖像等。密文用C（Cipher）表示，也是二進制數(shù)據(jù)，有時和M一樣大，有時稍大。通過壓縮和加密的結合，C有可能比P小些。加密函數(shù)E作用于M得到密文C，用數(shù)學公式表示為：E（M）=C。解密函數(shù)D作用于C產(chǎn)生M，用數(shù)據(jù)公式表示為：D（C）=M。先加密后再解密消息，原始

4、的明文將恢復出來，D（E（M）=M必須成立。鑒別、完整性和抗抵賴性 除了提供機密性外，密碼學需要提供三方面的功能：鑒別、完整性和抗抵賴性。這些功能是通過計算機進行社會交流，至關重要的需求。鑒別：消息的接收者應該能夠確認消息的來源；入侵者不可能偽裝成他人。完整性：消息的接收者應該能夠驗證在傳送過程中消息沒有被修改；入侵者不可能用假消息代替合法消息?？沟仲囆裕喊l(fā)送消息者事后不可能虛假地否認他發(fā)送的消息。算法和密鑰 現(xiàn)代密碼學用密鑰解決了這個問題，密鑰用K表示。K可以是很多數(shù)值里的任意值，密鑰K的可能值的范圍叫做密鑰空間。加密和解密運算都使用這個密鑰，即運算都依賴于密鑰，并用K作為下標表示，加解密函

5、數(shù)表達為：EK（M）=CDK（C）=MDK（EK（M）=M，如圖8-2所示。有些算法使用不同的加密密鑰和解密密鑰，也就是說加密密鑰K1與相應的解密密鑰K2不同，在這種情況下，加密和解密的函數(shù)表達式為：EK1（M）=CDK2（C）=M函數(shù)必須具有的特性是，DK2（EK1（M）=M，如圖8-3所示。對稱算法基于密鑰的算法通常有兩類：對稱算法和公開密鑰算法（非對稱算法）。對稱算法有時又叫傳統(tǒng)密碼算法，加密密鑰能夠從解密密鑰中推算出來，反過來也成立。在大多數(shù)對稱算法中，加解密的密鑰是相同的。對稱算法要求發(fā)送者和接收者在安全通信之前，協(xié)商一個密鑰。對稱算法的安全性依賴于密鑰，泄漏密鑰就意味著任何人都能對

6、消息進行加解密。對稱算法的加密和解密表示為：EK（M）=CDK（C）=M公開密鑰算法公開密鑰算法（非對稱算法）的加密的密鑰和解密的密鑰不同，而且解密密鑰不能根據(jù)加密密鑰計算出來，或者至少在可以計算的時間內不能計算出來。之所以叫做公開密鑰算法，是因為加密密鑰能夠公開，即陌生者能用加密密鑰加密信息，但只有用相應的解密密鑰才能解密信息。加密密鑰叫做公開密鑰（簡稱公鑰），解密密鑰叫做私人密鑰（簡稱私鑰）。公開密鑰K1加密表示為：EK1（M）=C。公開密鑰和私人密鑰是不同的，用相應的私人密鑰K2解密可表示為：DK2（C）=M。DES對稱加密技術DES(Data Encryption Standard)算

7、法，于1977年得到美國政府的正式許可，是一種用56位密鑰來加密64位數(shù)據(jù)的方法。DES算法的歷史美國國家標準局1973年開始研究除國防部外的其它部門的計算機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密標準，于1973年5月15日和1974年8月27日先后兩次向公眾發(fā)出了征求加密算法的公告。加密算法要達到的目的有四點。提供高質量的數(shù)據(jù)保護，防止數(shù)據(jù)未經(jīng)授權的泄露和未被察覺的修改；具有相當高的復雜性，使得破譯的開銷超過可能獲得的利益，同時又要便于理解和掌握；DES密碼體制的安全性應該不依賴于算法的保密，其安全性僅以加密密鑰的保密為基礎；實現(xiàn)經(jīng)濟，運行有效，并且適用于多種完全不同的應用。DES算法的安全性 DES算法正式公開發(fā)

8、表以后，引起了一場激烈的爭論。1977年Diffie和Hellman提出了制造一個每秒能測試106個密鑰的大規(guī)模芯片，這種芯片的機器大約一天就可以搜索DES算法的整個密鑰空間，制造這樣的機器需要兩千萬美元。1993年R.Session和M.Wiener給出了一個非常詳細的密鑰搜索機器的設計方案，它基于并行的密鑰搜索芯片，此芯片每秒測試5107個密鑰，當時這種芯片的造價是10.5美元，5760個這樣的芯片組成的系統(tǒng)需要10萬美元，這一系統(tǒng)平均1.5天即可找到密鑰，如果利用10個這樣的系統(tǒng)，費用是100萬美元，但搜索時間可以降到2.5小時?？梢娺@種機制是不安全的。 DES算法的安全性 1997年1

9、月28日，美國的RSA數(shù)據(jù)安全公司在互聯(lián)網(wǎng)上開展了一項名為“密鑰挑戰(zhàn)”的競賽，懸賞一萬美元，破解一段用56比特密鑰加密的DES密文。計劃公布后引起了網(wǎng)絡用戶的強力響應。一位名叫Rocke Verser的程序員設計了一個可以通過互聯(lián)網(wǎng)分段運行的密鑰窮舉搜索程序，組織實施了一個稱為DESHALL的搜索行動，成千上萬的志愿者加入到計劃中，在計劃實施的第96天，即挑戰(zhàn)賽計劃公布的第140天，1997年6月17日晚上10點39分，美國鹽湖城Inetz公司的職員Michael Sanders成功地找到了密鑰，在計算機上顯示了明文：“The unknown message is: Strong crypto

10、graphy makes the world a safer place”。DES算法的原理 DES算法的入口參數(shù)有三個：Key、Data、Mode。其中Key為8個字節(jié)共64位，是DES算法的工作密鑰；Data也為8個字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode為DES的工作方式有兩種：加密或解密。DES算法是這樣工作的：如Mode為加密，則用Key去把數(shù)據(jù)Data進行加密，生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸出結果；如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data解密，還原為Data的明碼形式（64位）作為DES的輸出結果。DES算法的實現(xiàn)步驟DES算法實現(xiàn)加密需要三個步

11、驟：第一步：變換明文。對給定的64位比特的明文x，首先通過一個置換IP表來重新排列x，從而構造出64位比特的x0，x0=IP(x)=L0R0，其中L0表示x0的前32比特，R0表示x0的后32位。第二步：按照規(guī)則迭代。規(guī)則為Li = Ri-1Ri = Lif(Ri-1,Ki) （i=1,2,316）經(jīng)過第一步變換已經(jīng)得到L0和R0的值，其中符號表示的數(shù)學運算是異或，f表示一種置換，由S盒置換構成，Ki是一些由密鑰編排函數(shù)產(chǎn)生的比特塊。f和Ki將在后面介紹。第三步：對L16R16利用IP-1作逆置換，就得到了密文y。加密過程如圖8-4所示。從圖中可以看出，DES加密需要四個關鍵點：1、IP置換表

12、和IP-1逆置換表。2、函數(shù)f。3、子密鑰Ki。4、S盒的工作原理。（1）IP置換表和IP-1逆置換表輸入的64位數(shù)據(jù)按置換IP表進行重新組合，并把輸出分為L0、R0兩部分，每部分各長32位，其置換IP表如表8-1所示。58501234261810260524436282012462544638302214664564840322416857494133251791595143352719113615345372921135635547393123157將輸入64位比特的第58位換到第一位，第50位換到第二位，依此類推，最后一位是原來的第7位。L0、R0則是換位輸出后的兩部分，L0是輸出的左3

13、2位，R0是右32位。比如：置換前的輸入值為D1D2D3D64，則經(jīng)過初始置換后的結果為：L0=D58D50.D8，R0=D57D49.D7。經(jīng)過16次迭代運算后。得到L16、R16，將此作為輸入，進行逆置換，即得到密文輸出。逆置換正好是初始置的逆運算，例如，第1位經(jīng)過初始置換后，處于第40位，而通過逆置換IP-1，又將第40位換回到第1位，其逆置換IP-1規(guī)則表8-2所示。逆置換表IP-1 408481656246432397471555236331386461454226230375451353216129364441252206028353431151195927342421050185

14、82633141949175725（2）函數(shù)f函數(shù)f有兩個輸入：32位的Ri-1和48位Ki，f函數(shù)的處理流程如圖8-5所示。E變換的算法是從Ri-1的32位中選取某些位，構成48位。即E將32比特擴展變換為48位，變換規(guī)則根據(jù)E位選擇表，如表8-3所示。3212345456789891011121312131415161716171819202120212223242524252627282928293031321Ki是由密鑰產(chǎn)生的48位比特串，具體的算法下面介紹。將E的選位結果與Ki作異或操作，得到一個48位輸出。分成8組，每組6位，作為8個S盒的輸入。每個S盒輸出4位，共32位，S盒的工

15、作原理將在第第四步介紹。S盒的輸出作為P變換的輸入，P的功能是對輸入進行置換，P換位表如表8-4所示。1672021291228171152326518311028241432273919133062211425（3）子密鑰ki假設密鑰為K，長度為64位，但是其中第8、16、24、32、40、48、64用作奇偶校驗位，實際上密鑰長度為56位。K的下標i的取值范圍是1到16，用16輪來構造。構造過程如圖8-6所示。首先，對于給定的密鑰K，應用PC1變換進行選位，選定后的結果是56位，設其前28位為C0，后28位為D0。PC1選位如表8-5所示。57494133251791585042342618

16、102595143352719113605244366355473931231576254463830221466153453729211352820124第一輪：對C0作左移LS1得到C1，對D0作左移LS1得到D1，對C1D1應用PC2進行選位，得到K1。其中LS1是左移的位數(shù)，如表8-6所示。1122222212222221表8-6中的第一列是LS1，第二列是LS2，以此類推。左移的原理是所有二進位向左移動，原來最右邊的比特位移動到最左邊。其中PC2如表8-7所示。14171124153281562110231912,42681672720132415231374755304051453

17、348444939563453464250362932第二輪：對C1，D1作左移LS2得到C2和D2，進一步對C2D2應用PC2進行選位，得到K2。如此繼續(xù)，分別得到K3，K4K16。（4）S盒的工作原理S盒以6位作為輸入，而以4位作為輸出，現(xiàn)在以S1為例說明其過程。假設輸入為A=a1a2a3a4a5a6，則a2a3a4a5所代表的數(shù)是0到15之間的一個數(shù)，記為：k=a2a3a4a5；由a1a6所代表的數(shù)是0到3間的一個數(shù)，記為h=a1a6。在S1的h行，k列找到一個數(shù)B，B在0到15之間，它可以用4位二進制表示，為B=b1b2b3b4，這就是S1的輸出。DES算法的解密過程是一樣的，區(qū)別僅僅

18、在于第一次迭代時用子密鑰K15，第二次K14、最后一次用K0，算法本身并沒有任何變化。DES的算法是對稱的，既可用于加密又可用于解密。DES算法的應用誤區(qū) DES算法具有比較高安全性，到目前為止，除了用窮舉搜索法對DES算法進行攻擊外，還沒有發(fā)現(xiàn)更有效的辦法。而56位長的密鑰的窮舉空間為256，這意味著如果一臺計算機的速度是每一秒種檢測一百萬個密鑰，則它搜索完全部密鑰就需要將近2285年的時間，可見，這是難以實現(xiàn)的，當然，隨著科學技術的發(fā)展，當出現(xiàn)超高速計算機后，我們可考慮把DES密鑰的長度再增長一些，以此來達到更高的保密程度。DES算法的程序實現(xiàn)根據(jù)DES算法的原理，可以方便的利用C語言實現(xiàn)

19、其加密和解密算法。程序在VC+6.0環(huán)境下測試通過在VC+6.0中新建基于控制臺的Win32應用程序，算法如程序proj8_1.cpp所示。設置一個密鑰匙為數(shù)組char key8=1,9,8,0,9,1,7,2，要加密的字符串數(shù)組是str=Hello，利用Des_SetKey(key)設置加密的密鑰，調用Des_Run(str, str, ENCRYPT)對輸入的明文進行加密，其中第一個參數(shù)str是輸出的密文，第二個參數(shù)str是輸入的明文，枚舉值ENCRYPT設置進行加密運算。程序執(zhí)行的結果如圖8-7所示。RSA算法的原理 1976年，Diffie和Hellman在文章“密碼學新方向（New

20、Direction in Cryptography）”中首次提出了公開密鑰密碼體制的思想，1977年，Rivest、Shamir和Adleman三個人實現(xiàn)了公開密鑰密碼體制，現(xiàn)在稱為RSA公開密鑰體制，它是第一個既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的算法。這種算法易于理解和操作，算法的名字以發(fā)明者的名字命名：Ron Rivest， Adi Shamir和Leonard Adleman。但RSA的安全性一直未能得到理論上的證明。它經(jīng)歷了各種攻擊，至今未被完全攻破。RSA體制RSA體制可以簡單描述如下：（1）、生成兩個大素數(shù)p和q。（2）、計算這兩個素數(shù)的乘積n=pq。（3）、計算小于n并且與n互質的

21、整數(shù)的個數(shù)，即歐拉函數(shù)(n)=(p-1)(q-1)。（4）、選擇一個隨機數(shù)b滿足1b(n)，并且b和(n)互質，即gcd(b, (n)=1。（5）、計算ab=1 mod (n)。（6）、保密a，p和q，公開n和b。利用RSA加密時，明文以分組的方式加密：每一個分組的比特數(shù)應該小于log2n比特。加密明文x時，利用公鑰(b, n)來計算c=xb mod n就可以得到相應的密文c。解密的時候，通過計算ca mod n就可以恢復出明文x。選取的素數(shù)p和q要足夠大，從而乘積n足夠大，在事先不知道p和q的情況下分解n是計算上不可行的。常用的公鑰加密算法包括：RSA密碼體制、ElGamal密碼體制和散列函

22、數(shù)密碼體制（MD4、MD5等）。RSA算法的安全性 RSA的安全性依賴于大數(shù)分解，但是否等同于大數(shù)分解一直未能得到理論上的證明，因為沒有證明破解 RSA就一定需要作大數(shù)分解。假設存在一種無須分解大數(shù)的算法，那它肯定可以修改成為大數(shù)分解算法。目前， RSA 的一些變種算法已被證明等價于大數(shù)分解。不管怎樣，分解n是最顯然的攻擊方法?，F(xiàn)在，人們已能分解多個十進制位的大素數(shù)。因此，模數(shù)n必須選大一些，因具體適用情況而定 RSA算法的速度 由于進行的都是大數(shù)計算，使得RSA最快的情況也比DES慢上倍，無論是軟件還是硬件實現(xiàn)。速度一直是RSA的缺陷。一般來說只用于少量數(shù)據(jù)加密。RSA算法是第一個能同時用于

23、加密和數(shù)字簽名的算法，也易于理解和操作。RSA是被研究得最廣泛的公鑰算法，從提出到現(xiàn)在已近二十年，經(jīng)歷了各種攻擊的考驗，逐漸為人們接受，普遍認為是目前最優(yōu)秀的公鑰方案之一。RSA算法的程序實現(xiàn) 根據(jù)RSA算法的原理，可以利用C語言實現(xiàn)其加密和解密算法。RSA算法比DES算法復雜，加解密的所需要的時間也比較長。本案例利用RSA算法對文件的加密和解密。算法根據(jù)設置自動產(chǎn)生大素數(shù)p和q，并根據(jù)p和q的值產(chǎn)生模(n)、公鑰(e)和密鑰(d)。利用VC+6.0實現(xiàn)核心算法，如圖8-8所示。編譯執(zhí)行程序，如圖8-9所示。該對話框提供的功能是對未加密的文件進行加密，并可以對已經(jīng)加密的文件進行解密。在圖8-9

24、中點擊按鈕“產(chǎn)生RSA密鑰對”，在出現(xiàn)的對話框中首先產(chǎn)生素數(shù)p和素數(shù)q，如果產(chǎn)生100位長度的p和q，大約分別需要10秒左右，產(chǎn)生的素數(shù)如圖8-10所示。利用素數(shù)p和q產(chǎn)生密鑰對，產(chǎn)生的結果如圖8-11所示。必須將生成的模n、公密e和私密d導出，并保存成文件，加密和解密的過程中要用到這三個文件。其中模n和私密d用來加密，模n和公密e用來解密。將三個文件分別保存，如圖8-12所示。在主界面選擇一個文件，并導入“模n.txt”文件到RSA模n文本框，導入“私密.txt”文件或者“公密.txt”，加密如果用“私密.txt”，那么解密的過程就用“公密.txt”。反之依然，加密過程如圖8-13所示。加密

25、完成以后，自動產(chǎn)生一個加密文件，如圖8-14所示。解密過程要在輸入文件對話框中輸入已經(jīng)加密的文件，按鈕“加密”自動變成“解密”。選擇“模n.txt”和密鑰，解密過程如圖8-15所示。解密成功以后，查看原文件和解密后的文件，如圖8-16所示。PGP加密技術PGP（Pretty Good Privacy）加密技術是一個基于RSA公鑰加密體系的郵件加密軟件，提出了公共鑰匙或不對稱文件的加密技術。PGP簡介 PGP加密技術的創(chuàng)始人是美國的Phil Zimmermann。他的創(chuàng)造性把把RSA公鑰體系和傳統(tǒng)加密體系的結合起來，并且在數(shù)字簽名和密鑰認證管理機制上有巧妙的設計，因此PGP成為目前幾乎最流行的公鑰加密軟件包。由于RSA算法計算量極大，在速度上不適合加密大量數(shù)據(jù)，所以PGP實際上用來加密的不是RSA本身，而是采用傳統(tǒng)加密算法IDEA，IDEA加解密的速度比RSA快得多。PGP隨機生成一個密鑰，用IDEA算法對明文加密，然后用RSA算法對密鑰加密。收件人同樣是用RSA解出隨機密鑰，再用IEDA解出原文。這樣的鏈式加密既有RSA算法的保密性（Privacy）和認證性（Authentication），又保持了IDEA算法速度快的優(yōu)