1、2022-12-261第5章 消息认证2022-12-262主要内容v消息认证基本概念消息认证基本概念 v消息加密认证消息加密认证 v消息认证码消息认证码 v hash函数函数 2022-12-263概 念v认证(Authentication)：即鉴别、确认，它是证实某事是否名副其实，或是否有效的一个过程。v认证与加密的区别：加密用以确保数据的保密性，阻止对手的被动攻击，如截取、窃听。认证用以确保报文发送者和接收者的真实性以及报文的完整性，阻止对手的主动攻击，如冒充、篡改、重播等。v认证往往是应用系统中安全保护的第一道防线，极为重要。2022-12-264基本思想v通过验证称谓者(人或事)的一
2、个或多个参数的真实性和有效性，来达到验证称谓者是否名副其实的目的。v常用的参数有：口令、标识符、密钥、信物、智能卡、指纹、视网纹等。v利用人的生理特征参数进行认证的安全性高，但技术要求也高，至今尚未普及。目前广泛应用的还是基于密码的认证技术。2022-12-265没有消息认证的通信系统是极为危险的 2022-12-266消息认证(Message Authentication)v消息认证用于抗击主动攻击消息认证用于抗击主动攻击v验证接收消息的真实性和完整性验证接收消息的真实性和完整性v真实性真实性的确是由所声称的实体发过来的的确是由所声称的实体发过来的v完整性完整性未被篡改、插入和删除未被篡改、
3、插入和删除v验证消息的顺序性和时间性（未重排、重放验证消息的顺序性和时间性（未重排、重放和延迟）和延迟）2022-12-267需求v泄密：将消息透露给没有合法秘密钥的任何人或程序。v传输分析：分析通信双方的通信模式，如连接频率，时间等v伪装：攻击者产生一条消息并声称来自某合法实体v内容修改：对消息进行插入、删除、转化、修改v顺序修改：对消息顺序进行插入、删除、重新排序v计时修改：对消息的延时和重放v发送方否认v接受方否认v对付1、2可用加密；v对付3、4、5、6可用消息认证；v对付7、8可用数字签名2022-12-268消息认证的基本概念v消息认证：验证所收到的消息确定是来自真正的发送方且未被
4、修改过。v认证符：一个用来认证消息的值。由消息的发送方产生认证符，并传递给接收方。v认证函数：产生认证符的函数，认证函数实际上代表了一种产生认证符的方法。v可提供认证功能的认证码的函数可分为三类：1、消息加密2、消息认证码3、Hash函数2022-12-2691 消息加密-在对称加密体制下v由于攻击者不知道密钥K，他也就不知道如何改变密文中的信息位才能在明文中产生预期的改变。v接收方可以根据解密后的明文是否具有合理的语法结构来进行消息认证。v但有时发送的明文本身并没有明显的语法结构或特征，例如二进制文件，因此很难确定解密后的消息就是明文本身。MEKEK(M)DKM2022-12-2610v根据
5、明文M和公开的函数F产生FCS，即错误检测码，或帧校验序列，校验和。v把M和FCS合在一起加密，并传输。v接收端把密文解密，得到M。v根据得到的M，按照F计算FCS，并与接收到的FCS比较是否相等。MFFMFCS比较EK|()KEMF MDKMFCS内部错误控制2022-12-2611v攻击者可以构造具有正确错误控制码的消息，虽然攻击者不知道解密后的明文，但可以造成混淆并破坏通信。()KEMMFFCSEK()KF EMDKM外部错误控制F比较()KEM()KEM2022-12-26121 消息加密-在公钥加密体制下v由于大家都知道B的公钥，所以这种方式不提供认证，只提供加密。MEKUbEKUb
6、(M)DKRbMI.普通加密AB2022-12-26131 消息加密-在公钥加密体制下v由于只有A有用于产生EKRa(M)的密钥，所以此方法提供认证。v由于大家都有KUa，所以此方法不提供加密。MEKRaEKRa(M)DKUaMII.认证和签名AB2022-12-26141 消息加密-在公钥加密体制下v提供认证和加密。v一次通信中要执行四次复杂的公钥算法。MEKRaEKRa(M)DKUaMIII.加密认证和签名ABEKUbEKUb(EKRa(M)DKRbEKRa(M)2022-12-26152 消息认证码(MAC)vMessage Authenticaion Codev消息认证码是消息和密钥的
7、公开函数，它产生定长的值，以该值作为认证符。v利用密钥和消息生成一个固定长度的短数据块，并将其附加在消息之后。v通信双方共享密钥K2022-12-26162 消息认证码用于认证vA和B共享密钥KvA计算MAC=Ck(M),vM和MAC一起发送到BvB对收到的M，计算MAC，比较两个MAC是否相同。()KCMMCMACKC比较MKMAC如果两个MAC相等，则：接收方可以相信消息未被修改，因为如果攻击者改变了消息，由于不知道k，无法生成正确的MAC。1.接收方可以相信消息的确来自确定的发送方。因为其他人不能生成和原始消息相应的MAC。2022-12-2617MAC函数与加密函数的区别vMAC函数与
8、加密函数类似，都需要明文、密钥和算法的参与。v但MAC算法不要求可逆性，而加密算法必须是可逆的。v例如：使用100比特的消息和10比特的MAC，那么总共有2100个不同的消息，但仅有210个不同的MAC。也就是说，平均每290个消息使用的MAC是相同的。v因此，认证函数比加密函数更不易被攻破，因为即便攻破也无法验证其正确性。关键就在于加密函数是一对一的，而认证函数是多对一的。2022-12-2618消息认证码的基本用途v只提供消息认证，不提供保密性。（见前）v提供消息认证和保密性：M|CK1CMCK1(M)K1比较EK2)(|12MCMEKKDK2ABA和B共享K1和K2K1：用于生成MACK
9、2：用于加密与明文有关的认证2022-12-2619消息认证码的基本用途v提供消息认证和保密性：ABA和B共享K1和K2K1：用于生成MACK2：用于加密与密文有关的认证M|CK1CK1比较EK2)(21MECKKDK22022-12-2620对MAC的攻击攻击密钥v已知消息M1和MAC算法C，以及MAC1=C k1(M1)，现要破解k1。密钥为k个bit，MAC为n个bit。v当kn：可能的密钥个数为2k。可能的MAC个数为2n个。所以许多不同的密钥(约2k-n个)，计算出来的MAC都等于MAC1。这些密钥中哪一个是正确的密钥不得而知。这时需要新的M-MAC对来测试这2k-n个密钥，于是有如
10、下的重复攻击：2022-12-2621重复攻击vStep 1:给定M1和MAC1=C k1(M1)对所有2k个密钥，判断MACi=C ki(M1)匹配数约为：2k-n vStep 2:给定M2和MAC2=C k2(M1)对所有2k-n个密钥，判断MACi=C ki(M2)匹配数约为：2k-2n v平均来讲，若k=x*n，则需x次循环才能找到正确的密钥。v所以，用穷举法攻破MAC比攻破加密算法要困难得多。2022-12-2622对MAC的攻击攻击算法v考虑下面的算法：消息M=(X1X2Xm)是由64比特长的分组Xi(i=1,m)链接而成 MAC算法是：加密算法是DES。因此，密钥长为56比特。如
11、果敌手得到MCK(M)，那么敌手使用穷搜索攻击寻找K将需做256次加密。很困难!v但攻击者可以改变M的内容，却使MAC正确。方法如下：12()()()mKKMXXXCMEM2022-12-2623v用Y1替换X1，Y2替换X2，Ym替换Xm，其中Y1，Y2，Ym 是攻击者编造的假消息。且 Ym=Y1 Y2 Ym-1 (M)，v当接收者收到这个消息：M=(Y1Y2Ym)则(M)=Y1 Y2 Ym =(M)所以：CK(M)=CK(M)通过了验证，攻击得逞。2022-12-2624MAC函数应具有的性质v若攻击者已知M和CK(M)，则他构造满足：CK(M)=CK(M)的消息M在计算上不可行vCK(M
12、)应是均匀分布的，即对于随机消息M和M，CK(M)=CK(M)的概率是2-n，n是MAC的位数2022-12-2625基于DES的消息认证码v使用最广泛的MAC算法之一：数据认证算法v过程：把需要认证的数据分成连续的64位的分组。若最后一个分组不是64位，则填0利用DES加密算法E和密钥K，计算认证码。2022-12-2626112213321()()()()KKKNKNNOEDOEDOOEDOOEDO数据认证算法似乎可以满足前面提出的要求。DAC M-bits(16 to 64 bits)2022-12-2627为什么不直接使用加密而使用分离的消息认证码？v保密性与真实性是两个不同的概念v根
13、本上,信息加密提供的是保密性而非真实性v加密代价大(公钥算法代价更大)v鉴别函数与保密函数的分离能提供功能上的灵活性v某些信息只需要真实性,不需要保密性广播的信息难以使用加密(信息量大)网络管理信息等只需要真实性政府/权威部门的公告2022-12-26283 Hash函数(杂凑函数、散列函数)vHash的特点：与消息认证码一样，hash函数的输入是可变的消息M，输出是固定大小的hash码H(M)，或称消息摘要(Message Digest)、hash值。与消息认证码不同的是，hash码的产生过程中并不使用密钥。Hash码是所有消息的函数，改变消息的任何一位或多位，都会导致hash码的改变。Ha
14、sh算法通常是公开的。又称为：哈希函数、数字指纹（Digital finger print)、压缩（Compression)函数、紧缩（Contraction）函数、数据鉴别码DAC（Data authentication code）、篡改检验码MDC(Manipulation detection code)2022-12-2629h=H(M)v假定两次输入同样的数据，那么散列函数应该能够生成相同的散列值。输入数据中的一位发生了变化，会导致生成的散列值完全不一样。v散列函数有个非常重要的特性为单向性，也就是从M计算h容易，而从h计算M不可能。2022-12-2630散列函数H必须满足以下几个性
15、质 vH对于任何大小的数据分组，都能产生定长的输出。v对于任何给定的M，H(M)要相对易于计算。v单向性：对于任何给定的hash值h，计算出M在计算上不可行。v弱无碰撞性：对任何给定的M1，寻找M2，使H(M1)=H(M2)在计算上不可行。v强无碰撞性：寻找任何的（M1，M2），使H(M1)=H(M2)在计算上不可行。2022-12-26312022-12-26322022-12-26332022-12-26342022-12-2635Hash与MAC的区别vMAC需要对全部数据进行加密vMAC速度慢vHash是一种直接产生鉴别码的方法vHash可用于数字签名2022-12-26网络工程08级
16、36常用Hash算法 2022-12-2637迭代型hash函数的一般结构v目前使用的大多数杂凑函数如目前使用的大多数杂凑函数如MD5、SHA，其结构，其结构都是迭代型的，如下图所示。其中函数的输入都是迭代型的，如下图所示。其中函数的输入M被被分为分为L个分组个分组Y0,Y1,YL-1，每一个分组的长度为，每一个分组的长度为b比特，最后一个分组的长度不够的话，需对其做填比特，最后一个分组的长度不够的话，需对其做填充。最后一个分组中还包括整个函数输入的长度值，充。最后一个分组中还包括整个函数输入的长度值，这样一来，将使得敌手的攻击更为困难，即敌手若这样一来，将使得敌手的攻击更为困难，即敌手若想成
17、功地产生假冒的消息，就必须保证假冒消息的想成功地产生假冒的消息，就必须保证假冒消息的杂凑值与原消息的杂凑值相同，而且假冒消息的长杂凑值与原消息的杂凑值相同，而且假冒消息的长度也要与原消息的长度相等。度也要与原消息的长度相等。2022-12-2638迭代型hash函数的一般结构fffY0Y1YL-1bbbnnnnnIV=CV0CV1CVL-1CVL明文M被分为L个分组Y0,Y1,YL-1b:明文分组长度n:输出hash长度CV：各级输出，最后一个输出值是hash值无碰撞压缩函数f是设计的关键2022-12-2639v算法中重复使用一压缩函数算法中重复使用一压缩函数f（注意，有些书将（注意，有些书
18、将Hash函数也称为压缩函数，在此用压缩函数表示函数也称为压缩函数，在此用压缩函数表示Hash函数中的一个特定部分），函数中的一个特定部分），f 的输入有两项，的输入有两项，一项是上一轮（第一项是上一轮（第i-1轮）输出的轮）输出的n比特值比特值CVi-1，称，称为链接变量，另一项是算法在本轮（第为链接变量，另一项是算法在本轮（第i轮）的轮）的b比比特输入分组特输入分组Yi。f 的输出为的输出为n比特值比特值CVi，CVi又作为又作为下一轮的输入。算法开始时还需对链接变量指定一下一轮的输入。算法开始时还需对链接变量指定一个初值个初值IV，最后一轮输出的链接变量，最后一轮输出的链接变量CVL即为
19、最终即为最终产生的产生的Hash值。通常有值。通常有bn，因此称函数，因此称函数f为压缩函为压缩函数。算法可表达如下：数。算法可表达如下：vCV0=IV=n比特长的初值；比特长的初值；vCVi=f(CVi-1,Yi-1)；1iL；vH(M)=CVL2022-12-2640迭代型hash函数v这种结构的hash函数已被证明是合理的，如果采用其他结构，不一定安全。v设计新的hash函数只是改进这种结构，或者增加hash码长。v算法的核心技术是设计无碰撞的压缩函数f，而敌手对算法的攻击重点是f 的内部结构，由于f 和分组密码一样是由若干轮处理过程组成，所以对f 的攻击需通过对各轮之间的位模式的分析来
20、进行，分析过程常常需要先找出f 的碰撞。由于f 是压缩函数，其碰撞是不可避免的，因此在设计f 时就应保证找出其碰撞在计算上是不可行的。2022-12-26网络工程08级41MD5 hash算法MD5 Hash Algorithm MD4是MD5杂凑算法的前身，由Ron Rivest于1990年10月作为RFC提出，1992年4月公布的MD4的改进（RFC 1320，1321）称为MD5。2022-12-2642MD5的算法框图v输入消息可任意长，压缩后输出为128bits。2022-12-2643算法步骤(1)分组填充 消息100064bit消息长度填充图样L512bitKbitv如果消息长度
21、大于264，则取其对264的模。v执行完后，消息的长度为512的倍数（设为L倍），则可将消息表示为分组长为512的一系列分组Y0，Y1，YL-1，而每一分组又可表示为16个32比特长的字，这样消息中的总字数为N=L16，因此消息又可按字表示为M0,N-1。2022-12-2644算法步骤(2)缓冲区初始化 hash hash函数的中间结果和最终结果保存于函数的中间结果和最终结果保存于128128位位的缓冲区中，缓冲区用的缓冲区中，缓冲区用3232位的寄存器表示。可位的寄存器表示。可用用4 4个个32bits32bits字表示：字表示：A A,B B,C,DC,D。初始存数以十。初始存数以十六进
22、制表示为六进制表示为A A=01234567=01234567B B=89=89ABCDEFABCDEFC C=FEDCBAFEDCBA9898D D=76543210=765432102022-12-2645算法步骤(3)-HMD5运算v以分组为单位对消息进行处理,每一分组Yq(q=0,L-1)都经一压缩函数HMD5处理。HMD5是算法的核心，其中又有4轮处理过程。vHMD5的4轮处理过程结构一样，但所用的逻辑函数不同，分别表示为F、G、H、I。每轮的输入为当前处理的消息分组Yq和缓冲区的当前值A、B、C、D，输出仍放在缓冲区中以产生新的A、B、C、D。v每轮又要进行16步迭代运算，4轮共需
23、64步完成。v第四轮的输出与第一轮的输入相加得到最后的输出。2022-12-26462022-12-2647压缩函数中的一步迭代2022-12-2648基本逻辑函数定义 轮基本函数gg(b,c,d)fFF(b,c,d)(bc)V(bd)fGG(b,c,d)(bd)V(c d)fHH(b,c,d)b c dfII(b,c,d)c (b V d)2022-12-2649Xkv当前分组的第k个32位的字。第1轮 x0 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11x12x13x14x15第2轮 x1 x6 x11 x0 x5 x10 x15 x4 x9 x14 x3 x8 x1
24、3 x2 x7 x12第3轮 x5 x8 x11x14 x1 x4 x7 x10 x13 x0 x3 x6 x9 x12x15 x2第4轮 x0 x7 x14 x5 x12 x3 x10 x1 x8 x15 x6 x13 x4 x11 x2 x92022-12-2650TivT1,64为64个元素表，分四组参与不同轮的计算。Ti为232abs(Sin(i)的整数部分，i是弧度。Ti可用32 bit二元数表示，T是32 bit随机数源。2022-12-2651T1=d76aa478T17=f61e2562T33=fffa3942T49=f4292244T2=e8c7b756T18=c040b34
25、0T34=8771f681T50=432aff97T3=242070dbT19=265e5a51T35=6d9d6122T51=ab9423a7T4=c1bdceeeT20=e9b6c7aaT36=fde5380cT52=fc93a039T5=f57c0fafT21=d62f105dT37=a4beea44T53=655b59c3T6=4787c62aT22=02441453T38=4bdecfa9T54=8f0ccc92T7=a8304613T23=d8a1e681T39=f6bb4b60T55=ffeff47dT8=fd469501T24=e7d3fbc8T40=bebfbc70T56=8
26、5845dd1T9=698098d8T25=21e1cde6T41=289b7ec6T57=6fa87e4fT10=8b44f7afT26=c33707d6T42=eaa127faT58=fe2ce6e0T11=ffff5bb1T27=f4d50d87T43=d4ef3085T59=a3014314T12=895cd7beT28=455a14edT44=04881d05T60=4e0811a1T13=6b901122T29=a9e3e905T45=d9d4d039T61=f7537e82T14=fd987193T30=fcefa3f8T46=e6db99e5T62=bd3af235T15=a6
27、79438eT31=676f02d9T47=1fa27cf8T63=2ad7d2bbT16=49b40821T32=8d2a4c8aT48=c4ac5665T63=eb86d3912022-12-2652CLSs：循环左移s位v第一轮：7、12、17、22v第二轮：5、9、14、20v第三轮：4、11、16、23v第四轮：6、10、15、212022-12-2653MD-5的安全性vMD-5的输出为128-bit，若采用纯强力攻击寻找一个消息具有给定Hash值的计算困难性为2128，用每秒可试验1 000 000 000个消息的计算机需时1.071022年。v采用生日攻击法，找出具有相同杂凑值
28、的两个消息需执行264次运算。2022-12-26网络工程08级54SHA 算法Secure Hash Algorithm2022-12-2655算法简介v美国标准与技术研究所美国标准与技术研究所NISTNIST设计设计v19931993年成为联邦信息处理标准年成为联邦信息处理标准(FIPS PUB 180)(FIPS PUB 180)v基于基于MD4MD4算法，与之非常类似。算法，与之非常类似。v输入为小于输入为小于2 26464比特长的任意消息比特长的任意消息v分组分组512bit512bit长长v输出输出160bit160bit2022-12-2656迭代型hash函数的一般结构fffY
29、0Y1YL-1bbbnnnnnIV=CV0CV1CVL-1CVL明文M被分为L个分组Y0,Y1,YL-1b:明文分组长度n:输出hash长度CV：各级输出，最后一个输出值是hash值无碰撞压缩函数f是设计的关键2022-12-2657算法描述v消息填充：与消息填充：与MD5完全相同完全相同v附加消息长度：附加消息长度：64bit长度长度v缓冲区初始化缓冲区初始化A67452301BEFCDAB89C98BADCFBD10325476EC3D2E1F02022-12-2658分组处理模232加2022-12-2659SHA-1压缩函数（单步）2022-12-2660ft-基本逻辑函数2022-1
30、2-2661vCLS5：32位的变量循环左移5位。vCLS30：32位的变量循环左移30位。2022-12-2662Wt-从当前512位输入分组导出的32位字v前16个值（即W0,W1,W15）直接取为输入分组的16个相应的字，其余值（即W16,W17,W79）取为1161483()tttttWCLS WWWW2022-12-2663Kt-加法常量步骤十六进制0t19Kt=5A82799920t39Kt=6ED9EBA140t59Kt=8F1BBCDC60t79Kt=CA62C1D62022-12-2664SHA与MD5的比较v抗穷举搜索能力抗穷举搜索能力寻找指定寻找指定hashhash值，值
31、，SHASHA：O(2O(2160160)，MD5MD5：O(2O(2128128)生日攻击：生日攻击：SHASHA：O(2O(28080)，MD5MD5：O(2O(26464)v抗密码分析攻击的强度抗密码分析攻击的强度SHASHA似乎高于似乎高于MD5MD5v速度速度SHASHA较较MD5MD5慢慢v简捷与紧致性简捷与紧致性描述都比较简单，都不需要大的程序和代换表描述都比较简单，都不需要大的程序和代换表2022-12-2665其它hash算法vMD4 MD4使用三轮运算，每轮16步；MD5使用四轮运算，每轮16步。MD4的第一轮没有使用加法常量，第二轮运算中每步迭代使用的加法常量相同，第三轮
32、运算中每步迭代使用的加法常量相同，但不同于第二轮使用的加法常量；MD5的64部使用的加法常量Ti均不同。MD4使用三个基本逻辑函数，MD5使用四个。MD5中每步迭代的结果都与前一步的结果相加，MD4则没有。MD5比MD4更复杂，所以其执行速度也更慢，Rivest认为增加复杂性可以增加安全性。2022-12-2666RIPEMD-160v欧共体RIPE项目组研制。v输入可以是任意长的报文，输出160位摘要。v对输入按512位分组。以分组为单位处理。v算法的核心是具有十轮运算的模块，十轮运算分成两组，每组五轮，每轮16步迭代。2022-12-2667对Hash函数的攻击 v对一个hash算法的攻击
33、可分三个级别：预映射攻击（Preimage Attack）：给定Hash值h，找到其所对应的明文M，使得Hash(M)=h，这种攻击是最彻底的，如果一个hash算法被人找出预映射，那这种算法是不能使用的。次预映射攻击（Second Preimage Attack）：给定明文M1，找到另一明文M2（M1M2），使得hash(M1)=hash(M2)，这种攻击其实就是要寻找一个弱碰撞；碰撞攻击(Collision Attack)：找到M1和M2，使得hash(M1)=hash(M2)，这种攻击其实就是要寻找一个强碰撞。2022-12-2668生日攻击v给定一个散列函数H和某和某hash值值H(x)
34、，假定假定H有n个可能的输出。如果H有k个随机输入,k必须为多大才能使至少存在一个输入y,使得H(y)=H(x)的概率大于0.5？K=n/22022-12-2669结论v如果hash码为m位，则有2m个可能的hash码。v如果给定h=H(X)，要想找到一个y，使H(y)=h的概率为0.5，则要进行多次的尝试，尝试的次数k=2m/2=2m-1v所以，对于一个使用64位的hash码，攻击者要想找到满足H(M)=H(M)的M来替代M，平均来讲，他要找到这样的消息大约要进行263次尝试。v但是，存在一种攻击，称为“生日攻击”，却可以大大减小尝试的次数，对于64位的hash码，所需的代价仅为232次。2
35、022-12-2670生日悖论v一个教室中，最少应有多少学生，才使至少有两人具有相同生日的概率不小于1/2？v概率结果与人的直觉是相违背的.v实际上只需23人,即任找23人，从中总能选出两人具有相同生日的概率至少为1/2。2022-12-2671实施生日攻击v前面提到过，对于一个使用64位的hash码，攻击者要想找到满足H(M)=H(M)的M来替代M，平均来讲，他要找到这样的消息大约要进行263次尝试。这太困难了！2022-12-2672v设M和hash算法生成64位的hash值。v攻击者可以根据M，产生232个表达相同含义的变式(例如在词与词之间多加一个空格)。v同时准备好伪造的消息M，产生232个表达相同含义的变式。v在这两个集合中，找出产生相同hash码的一对消息M1和M1。根据生日悖论，找到这样一对消息的概率大于0.5。v最后，攻击者将拿M1给发送者签名，但发送时，把M1和经加密的hash码一起发送。2022-12-2673Birthday Attacks:examplevA准备两份合同M和M，一份B会同意，一份会取走他的财产而被拒绝vA对M和M各做32处微小变化(保持原意),分别产生232个64位hash值v根据前面的结论,超过0.5的概率能找到一个M和一个M,它们的hash值相同vA提交M,经B审阅后产生64位hash值并对该值签名,返回给AvA用M替换M
