3.1 对称密码模型

思维导图：

前言：

学习目标概述

• 对称密码的主要概念：对称加密，也称为传统加密或单钥加密，是20世纪70年代前唯一的加密类型，至今仍广泛使用。
• 密码分析与穷举攻击：密码分析是在不知道加密细节的情况下解密信息的技术，而穷举攻击是尝试所有可能密钥的方法。
• 单表代替密码操作：涉及用单一字母替换系统加密明文。
• 多表代替密码操作：使用多个字母替换系统，增加加密复杂度。
• Hill密码简介：一种使用线性代数原理的多表代替密码。
• 转轮机操作描述：一种机械设备，用于复杂的字符替换操作，增加加密强度。

学习内容详解

1. 对称加密模型：介绍了对称加密过程的一般模型，包括明文、密文、加密和解密的概念。
2. 传统加密算法的应用环境：探讨了计算机出现前的多种算法，以及对称加密在现代的应用。
3. 隐写术简介：简要介绍了隐藏信息的技术，作为加密的一个分支。

扩展学习

• 第4章与第6章内容预览：这两章将探讨当今使用最广泛的两种加密算法：DES和AES。

 

第3.1节笔记：对称密码模型

对称加密的五个基本成分

1. 明文：原始的、可理解的消息或数据，是算法的输入。
2. 加密算法：对明文进行各种代替和变换的算法。
3. 密钥：独立于明文和算法的另一输入。不同的密钥导致不同的输出。
4. 密文：算法的输出，看起来是随机且无序的消息，依赖于明文和密钥。
5. 解密算法：加密算法的逆运算，用于将密文和密钥转换回原始明文。

安全要求

1. 加密算法的强度：算法应在敌方知道算法和拥有部分密文情况下，仍保持安全。
2. 密钥的安全传输和保管：密钥的保密性是对称密码安全的关键。

对称密码模型简化示例

• 明文和密文转换：图3.1展示了如何将明文通过加密算法（如AES）转换为密文，以及解密过程。
• 密钥的角色：密钥决定了密文的具体形式，且对称密码的安全性主要依赖于密钥的保密。

密码体制的模型

• 明文、密文与密钥的关系：图3.2阐释了明文、密文和密钥之间的关系。
• 加密和解密过程：明文X经过加密算法和密钥K生成密文Y，密钥K再用于解密算法，还原为原始明文X。

密码分析的挑战

• 攻击者的目标：敌手可能尝试恢复明文X或密钥K，甚至两者都试图恢复。
• 安全假设：即使攻击者知道加密和解密算法，也假定他们无法在不知道密钥的情况下破解密文。

 

 

3.1.1 密码编码学

密码编码学是研究如何将明文（未加密的信息）转换成密文（加密的信息）的学科。它包括以下三个重要特征：

1. 转换明文为密文的运算类型：

   • 代替（Substitution）： 将明文中的每个元素（比如位、字母等）替换成另一个元素。
   • 置换（Permutation）： 改变明文元素的顺序。
   • 重要的是，这些操作都是可逆的，即没有信息丢失。

2. 所用的密钥数：

   • 对称密码： 发送方和接收方使用相同的密钥。
   • 非对称密码： 发送方和接收方使用不同的密钥。

3. 处理明文的方法：

   • 分组密码（Block Cipher）： 每次处理一组固定大小的数据。
   • 流密码（Stream Cipher）： 持续处理输入数据，每次输出一个元素。

3.1.2 密码分析学和穷举攻击

密码分析学是研究如何攻破密码系统的学科。主要攻击类型包括：

• 密码分析学攻击： 利用加密算法的特性、明文的特征或某些明密文对来恢复密钥或明文。
• 穷举攻击（Brute-force Attack）： 尝试所有可能的密钥直到找到正确的那个。

表3.1列出了不同类型的密码攻击方式：

1. 唯密文攻击（Ciphertext-only Attack）： 攻击者仅有密文。
2. 已知明文攻击（Known-plaintext Attack）： 攻击者有一些明文及其对应的密文。
3. 选择明文攻击（Chosen-plaintext Attack）： 攻击者可以选择明文并获取其密文。
4. 选择密文攻击（Chosen-ciphertext Attack）： 攻击者可以选择密文并获取其明文。

理解这些概念的关键是认识到加密不仅仅是隐藏信息，还涉及确保信息的安全性和完整性，尤其在面对潜在的攻击时。

 

 

 

 

 

总结:

重点

1. 五个基本成分：

   • 明文：未加密的原始信息。
   • 加密算法：对明文进行变换的过程。
   • 密钥：与加密算法一同工作以产生密文的独立输入。
   • 密文：加密后的信息，依赖于明文和密钥。
   • 解密算法：加密算法的逆运算，用密钥将密文还原为明文。

2. 两个安全要求：

   • 加密算法的强度：即使敌方知道算法和拥有部分密文，仍应保证安全。
   • 密钥的安全传输和保管：保证密钥的保密性是至关重要的。

3. 密钥管理： 密钥的生成、分发、存储、替换和销毁等管理方面的问题。

难点

1. 加密算法的理解和选择：理解不同加密算法的特性和适用场景是复杂的，选择适合的加密算法需要考虑到安全性和效率。
2. 密钥管理的复杂性：正确管理密钥是对称密码体系中一个复杂且关键的部分，尤其是在大型系统或网络环境中。
3. 对抗攻击的准备：理解和预防各种潜在的攻击（如密码分析学攻击和穷举攻击）需要深入的专业知识和持续的关注。

易错点

1. 混淆对称和非对称加密：混淆两者的概念和使用场景是一个常见错误。
2. 忽视密钥安全性：在对称加密中，密钥的安全性同加密算法一样重要。不安全的密钥管理可能导致整个加密体系的崩溃。
3. 错误估计攻击难度：低估了密码分析学和穷举攻击的潜在威胁，可能导致安全漏洞。
4. 不当的算法实现：即使选择了强大的加密算法，错误的实现也会导致安全风险。

理解和应用对称密码模型时，需要仔细考虑这些重点、难点和易错点，以确保加密体系的有效性和安全性。