【密码学】第一章 引言

1.1信息安全面临的威胁

1.1.1安全威胁

人们对信息安全的认识经历了以下几个阶段

1. 20世纪70年代，密码学主要用于军事方面。
2. 20世纪80年代，微机与局域网兴起，安全服务、安全机制等基本框架，成为信息安全的重要内容。
3. 20世纪90年代，因特网发展，用户的安全开始兴起。

攻击的分类：

1. 被动攻击（无法被察觉）
   被动攻击主要分为两类：

   • 信息内容获取
   • 业务流分析（即推测信息）

   被动攻击难以检测而非难以预防
   举例：打电话被监听
   

2. 主动攻击（在核对后会被发现）
   主动攻击分为三类：

   • 中断
   • 篡改
   • 伪造
     
     安全：保密性，可用性，完整性，真实性

1.1.2 入侵者和病毒

入侵者：非恶意用户及黑客
恶意程序：陷门，逻辑炸弹，木马，病毒，蠕虫

1.1.3 安全业务

• 保密业务：保护数据以防被动攻击，保密业务分为不同级别。
• 认证业务：用于保证通信的真实性。
• 完整性任务：确保通信的完整性。
• 不可否认业务：防止通信双方对通信否认。
• 访问控制：检查是否拥有权限。

1.2 信息安全模型

通信双方欲传递某个消息，需通过以下方式建立一个逻辑上的信息通道:首先在网络中定义从发方到收方的一个路由，然后在该路由上共同执行通信协议。

下图是信息安全的基本模型

在传输过程存在两种阵营：

• 可信第三方（确保通信正常进行）没有完全绝对可信的第三方
• 攻击者（对通信进行破坏、监听）

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安全传输技术有两个基本成分：

• 消息的安全传输
• 通信双方共享的秘密信息，如密钥

安全网络通信需要考虑:

• 加密算法
• 用于加密算法的秘密信息
• 秘密信息的分布和共享
• 使用加密算法和秘密信息以获得安全服务所需要的协议

对未授权访问的安全机制可分为两道防线，第一道是守卫者（如防火墙，用于拒绝非授权用户访问、检测并拒绝病毒），第二道防线由一些内部控制部件构成（检查是否有未授权的入侵者）

1.3 密码学基本概念

1.3.1 保密通信系统

基本要素：

• 明文：发送发即要发送的消息
• 密文：明文经过密码变换后的消息
• 加密：由明文变换为密文的过程
• 解密：由密文恢复出原明文的过程
• 加密算法：对明文进行加密时所采用的一组规则
• 解密算法：对密文进行解密时所采用的一组规则
• 密钥：是一种特定的值，能使密码算法按照指定的方式进行，并产生相应的密文，密钥是密码体制安全保密的关键（加密和解密可能是同一密钥）

下图是保密通讯系统模型

根据保密通信系统来隐蔽和保护需要发送的信息：加密过程，通过数学加密，将明文m，加密成c；解密过程，当为单钥密码体制则k1=k2，当为双钥密码体制则k1!=k2

1.3.2 密码体制分类

主要分为两大类：单钥体制和双钥体制

1. 单钥体制
   

单钥体制安全性高，局限性大
2. 双钥体制（公钥体制）

双钥体制没有单钥的局限性，但需要管理好密钥

1.3.3 密码攻击概述

攻击类型由攻击者获取信息量划分为四种攻击类型：攻击难度由下到上，攻击强度（获取信息量）由上到下，唯密文攻击攻击者获得信息量最少、最难攻击、最易抵抗，攻击过程就是密码分析过程

1.4 几种古典密码

古典密码的加密是将明文的每一个字母转化为字母表中另一字母，先将字母由数字代替再由数字进行运算，下图是字母与数字的对应关系

1.4.1 单表代换密码

• 凯撒密码

  c=E₃( m )=m+3(mod26),0⩽m⩽25
  m=D₃( c )=c-3(mod26),0⩽c⩽25

  3是密钥，加密时字母后移三位；解密时字母前移三位

• 移位变换

  c=E_k( m )=m+k(mod26),0⩽m,k⩽25
  m=D_k( c )=c-k(mod26),0⩽c⩽25

• 仿射变换

  c=E_a,b( m)=a*m+b(mod26)
  m=D_a,b( c )=a^-1(c-b)(mod26)

  其中a^-1指a的逆元，即a^-1*a=1(mod26)
  
  加密过程：
  解密过程：
  其中7^-1*15=1(mod26)
  

1.4.2 多表代换密码

将M写成矩阵形式，这里A与B是矩阵或向量，A和B是密钥，下面是一个例子

这里M分为这么多组是因为要和A,B的形式相同，矩阵向量相加减时需要结构相同才能进行运算（线代不好又要补线代了）

同仿射变换一样，A^-1是求矩阵的逆，一般矩阵求逆使用克拉姆法则进行计算

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