密码学基础 _密码学

1. 密码学概述
（1）密码学的发展历程
密码学是一门古老而深奥的学科，是结合数学、计算机科学、电子与通信等诸多学科于一体的交叉学科，是研究信息系统安全保密的一门科学。密码学主要包括密码编码学和密码分析学两个分支，其中密码编码学的主要目的是寻求保证信息保密性或仁整形的方法，密码分析学的主要目的是研究加密消息的破译或消息的伪造。密码学经历了从古代密码学到现代密码学的演变。

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最早将现代密码学概念运用于实际的是Caesar大帝，他是古罗马帝国末期著名的统帅和政治家。Caesar发明了一种简单的加密算法把他的信息加密用于军队传递，后来被称为Caesar密码。它是将字母按字母表的顺序排列，并且最后一个字母与第一个字母相连。加密方法是将明文中的每个字母用其后边的第三个字母代替，就变成了密文。
替代密码的基本思想，是将明文中的每个字母用此字符在字母表中后面第 k个字母替代，加密过程可以表示为函数E(m)=(m+k) mod n 。其中：m 为明文字母在字母表中的位置数，n 为字母表中的字母个数，k 为密钥，E(m)为密文字母在字母表中对应的位置数。其解密过程可以表示为函数E(m)=(m-k) mod n 。
置换密码的基本思想，不改变明文字符，只是将字符在明文中的排列顺序改变，从而实现明文信息的加密，又称为换位密码。矩阵换位法是实现置换密码的一种常用方法，它将明文中的字母按照给的顺序安排在一个矩阵中，然后根据密钥提供的顺序重新组合矩阵中字母，从而形成密文。
第一阶段：古代―1949年
这阶段的密码技术可以说是一种艺术，而不是一种科学，密码学专家常常是凭知觉和信念来进行密码设计和分析，而不是推理和证明，没有形成密码学的系统理论。这一阶段设计的密码称为经典密码或古典密码，并且密码算法在现代计算机技术条件下都是不安全的。
第二阶段：1949―1975年
1949年C.E.Shannon（香农）发表在《贝尔实验室技术杂志》上的《保密系统的信息理论（Communication Theory of Secrecy System）》为私钥密码体系（对称加密）建立了理论基础，从此密码学成为一门科学。图3-3为Shannon提出的保密通信模型。密码学直到今天仍具有艺术性，是具有艺术性的一门科学。这段时期密码学理论的研究工作进展不大。1967年David Kahn发表了《The Code Breakers(破译者)》一书，详尽地阐述了密码学的发展和历史，使人们开始了解和接触密码。1976年，Pfister（菲斯特）和美国国家安全局NSA（National Security Agency）一起制定了数据加密标准（Data Encryption Standard，DES），这是一个具有深远影响的分组密码算法。

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第三阶段：1976年到~
1976年Diffie和Hellman发表的文章“密码学发展的新方向”导致了密码学上的一场革命，他们首先证明了在发送端和接收端无密钥传输的保密通信是可能的，从而开创了公钥密码学的新纪元。从此，密码开始充分发挥它的商用价值和社会价值。1978年，在ACM通信中，Rivest、Shamir和Adleman公布了RSA密码体系，这是第一个真正实用的公钥密码体系，可以用于公钥加密和数字签名。由于RSA算法对计算机安全和通信的巨大贡献，该算法的3个发明人因此获得计算机界的诺贝尔奖—图灵奖（A.M.Turing Award）。在EuroCrypt’91年会上，中国旅居瑞士学者来学嘉（X.J.Lai）和James L. Massey提出了IDEA，成为分组密码发展史上的又一个里程碑。
3.1.2 密码学的基本知识
密码学的基本目的是使得两个在不安全信道中通信的人，通常称为Alice和Bob，以一种使他们的敌手Oscar不能明白和理解通信内容的方式进行通信。不安全信道在实际中是普遍存在的，例如电话线或计算机网络。Alice发送给Bob的信息，通常称为明文(plaintext)，例如英文单词、数据或符号。Alice使用预先商量好的密钥(key)对明文进行加密，加密过的明文称为密文(ciphertext)，Alice将密文通过信道发送给Bob 。对于敌手Oscar来说，他可以窃听到信道中Alice发送的密文，但是却无法知道其所对应的明文；而对于接收者Bob，由于知道密钥，可以对密文进行解密，从而获得明文。图3-4给出加密通信的基本过程，加密算法E，解密算法D，明文M，密文C；要传输明文M，首先要加密得到密文C，即C=E(M)，接受者收到C后，要对其进行解密，即D(C)=M，为了保证将明文恢复，要求D(E(M))=M 。