1、2019-6-6谢谢观赏现代密码学理论与实践第2章 传统加密技术2019-6-6谢谢观赏2/81Part OneSymmetric CipherslRoad Map for Part OnelChp.2,Classical Encryption TechniqueslChp.3,Block Cipher and the Data Encryption StandardlChp.4,Finite FieldslChp.5,Advanced Encryption StandardlChp.6,More on Symmetric CipherslChp.7,Confidentiality Using
2、 Symmetric Encryption2019-6-6谢谢观赏3/81Chapter 2 Classical Encryption TechniqueslMany savages at the present day regard their names as vital parts of themselves,and therefore take great pains to conceal their real names,lest these should give to evil-disposed persons a handle by which to injure their
3、owners.The Golden Bough,Sir James George Frazer2019-6-6谢谢观赏4/81密码学的演变历史(1)William Friedmanl1918,William Friedmans The Index of Coincidence and its Applications in CryptographylWilliam Frederick Friedman(Sept.24,1891 Nov.12,1969)美国陆军密码专家。1930年代，他领导了陆军的一个研究部门Signals Intelligence Service(SIS)，其中一部分服务一直
4、延续到五十年代。三十年代晚期，在他的指导下，Frank Rowlett 破解了日本人的PURPLE加密机(紫密)，截获了日本的大量外交和军事的秘密。2019-6-6谢谢观赏5/81密码学的演变历史(2)香农的贡献l1948年,Claude Shannons发表 “The Communication Theory of Secrecy System”，成为现代密码学理论基础。l1949年，Shannon在其著名的“信息论”发表一年之后，又发表了论文“保密系统的通信理论”，首次将密码学研究置于坚实的数学基础上。l该理论的重大贡献在于：l建立了通信保密/密码学严格的理论基础；l证明了一次一密(one
5、-time pad)的密码系统是完善保密的，导致了对流密码的研究和应用；l提出分组密码设计应该遵循的准则，如扩散性和混淆性；l证明了消息冗余使得破译者统计分析成功的理论值(唯一解距离)2019-6-6谢谢观赏6/81密码学的演变历史(2)lClaude Elwood Shannon(Apr.30,1916 Feb.24,2001),美国电气工程师和数学家，被誉为信息论之父 the father of information theory.l香农之有名在于他以1948年发表的那篇旷世论文而奠定了现代信息论基础。其实早在1937年，当21岁的香农还是MIT的硕士研究生时，他便在他的硕士论文中论述了
6、布尔代数的电子实现和应用，可以构建和解决任何逻辑的和数字的关系，因此奠定了数字计算机和数字电路设计理论的基础。他的硕士论文一直被认为是迄今最重要的硕士论文。l1949-1967，密码学研究处于沉寂时期2019-6-6谢谢观赏7/81密码学的演变历史(3)Feistel,Whitfield Diffie,Matin Hellmanl1971,IBM发明Luciffer Cipher,128位密钥作分组加密。这项发明是由Horst Feistel(Jan.30,1915Nov.14,1990)领导的，他是密码学家，当时在IBM负责设计加密器，他的工作最终激发了70年代Data Encryption
7、 Standard(DES)的研发高潮l1976-1977，美国国家标准局正式公布实施DESl1975,Whitfield Diffie 和 Matin Hellman,发表A New Direction in Cryptography,首次提出适应网络保密通信的公开密钥思想，揭开现代密码学研究的序幕，具有划时代的意义2019-6-6谢谢观赏8/81密码学的演变历史(4)R.S.A.,Abbas El Gamal,Lai Xuejia l1977-1978，Ronald Rivest,Adi Shamir,Len Adleman第一次提出公开密钥密码系统的实现方法RSAl1981，成立Inte
8、rnational Association for Cryptology Researchl1985，Abbas El Gamal提出概率密码系统ElGamal方法l1990-1992，Lai Xuejia and James:IDEA,The International Data Encryption Algorithml2000,AES,Advanced Encryption Standard2019-6-6谢谢观赏9/81lCryptology(保密学)，源自希腊语(Greek)Krypts:hidden;logos:word,是密码学和密码处理过程的研究lCryptography:Th
9、e Science and Study of Secret Writing，密码编码学lCryptanalysis:The Science and Study of Secret Breaking，密码破译学lCipher:A secret method of writing 加密方法lEncipher(encipherment),encryption:将明文转换成密文的过程lDecipher(decipherment),decryption:将密文还原成明文的过程lPlaintext(cleartext):原始的可读数据，明文lCiphertext(Cryptogram):加密后的不可解读之
10、文件，密文lKey:密钥，对加密与解密过程进行控制的参数lE(m):Encryption Transformation 加密变换lD(c):Decryption Transformation 解密变换密码学基本术语 Terminologies2019-6-6谢谢观赏10/81l什么是密码？简单地说它就是一组含有参数K的变换E。设已知消息m，通过变换Ek得密文C，这个过程称为加密，E为加密算法，k不同，密文C亦不同。传统的保密通信机制：EncipherPlaintextCiphertextKeysDecipherC=Ek(m)发方：m收方：mkk（公共信道）加密E解密D（秘密信道）简单加密系统模
11、型2019-6-6谢谢观赏11/81l理论安全，或无条件安全Theoretical Secure(or Perfect Secure)攻击者无论截获多少密文，都无法得到足够的信息来唯一地决定明文。Shannon用理论证明：欲达理论安全，加密密钥长度必须大于等于明文长度，密钥只用一次，用完即丢，即一次一密，One-time Pad，不实用。l实际安全，或计算上安全Practical Secure(or Computationally Secure)如果攻击者拥有无限资源，任何密码系统都是可以被破译的；但是在有限的资源范围内，攻击者都不能通过系统的分析方法来破解系统，则称这个系统是计算上安全的或破
12、译这个系统是计算上不可行(Computationally Infeasible)。理论安全和实际安全2019-6-6谢谢观赏12/81加密的基本概念l密码体制l加密系统采用的基本工作方式称为密码体制，密码体制的基本要素是密码算法和密钥。密码算法是一些公式、法则或程序；密钥是密码算法中的控制参数。l加密系统可以用数学符号来描述：SP,C,K,E,DP：明文空间 C：密文空间K：密钥空间 E：加密变换D：解密变换 kK，则有CEk(P)，PDk(C)Dk(Ek(P)，或者DkEk-1，且EkDk-1。2019-6-6谢谢观赏13/81l对称密码体制(Symmetric System,One-key
13、 System,Secret-key System)加密密钥和解密密钥相同，或者一个密钥可以从另一个导出，能加密就能解密，加密能力和解密能力是结合在一起的，开放性差。l非对称密码体制(Asymmetric System,Two-key System,Public-key System)加密密钥和解密密钥不相同，从一个密钥导出另一个密钥是计算上不可行的，加密能力和解密能力是分开的，开放性好。对称密码体制和非对称密码体制2019-6-6谢谢观赏14/81l序列密码l如果密文不仅与最初给定的算法和密钥有关，同时也与明文位置有关(是所处位置的函数)，则称为序列密码体制。加密以明文比特为单位，以伪随机序
14、列与明文序列模2加后，作为密文序列。l分组密码l如果经过加密所得到的密文仅与给定的密码算法和密钥有关，与被处理的明文数据在整个明文中的位置无关，则称为分组密码体制。通常以大于等于64位的数据块为单位，加密得相同长度的密文。序列密码体制和分组密码体制2019-6-6谢谢观赏15/81l确定型密码体制和概率密码体制l确定型：当明文和密钥确定后，密文也就唯一地确定了；l概率型：当明文和密钥确定后，密文通过客观随机因素从一个密文集合中产生，密文形式不确定，称为概率型密码体制。l单向函数型密码体制和双向变换型密码体制l单向函数型密码体制适用于不需要解密的场合，容易将明文加密成密文，如哈希函数；l双向变换
15、型密码体制可以进行可逆的加密、解密变换。其他加密体制2019-6-6谢谢观赏16/81l现代密码学的基本原则l设计加密系统时，总是假定密码算法是可以公开的，需要保密的是密钥。一个密码系统的安全性不在算法的保密，而在于密钥，即Kerckhoff原则。l对加密系统的要求 l系统应该是实际上安全的(practical secure)，截获密文或已知明文密文对时，要决定密钥或任意明文在计算上是不可行的。l加密解密算法适用于密钥空间中的所有元素。l系统易于实现，使用方便。l系统的安全性不依赖于对加密体制或加密算法的保密，而依赖于密钥。l系统的应用不应使通信网络的效率过分降低。现代密码学基本原则及加密系统
16、要求2019-6-6谢谢观赏17/81l对称加密系统由以下五部分组成lPlaintext：明文lEncryption algorithm：加密算法lKey：密钥lCiphertext：密文lDecryption algorithm：解密算法l加密算法必须足够强大，使破译者不能仅根据密文破译消息l收发双方必须在某种安全的形式下获得密钥并必须保证密钥的安全2.1 对称密码系统的模型2019-6-6谢谢观赏18/81传统密码的简化模型2019-6-6谢谢观赏19/81对称密码系统的要求l使用对称密码系统有两个基本要求l一个强加密算法l一个只有发送方和接收方知道的秘密密钥Y=EK(X)X=DK(Y)l
17、必须假定加密算法是公开的l因此必须有安全的途径或信道分发密钥2019-6-6谢谢观赏20/81传统密码体制的模型Y=Ek(X)X=Dk(Y)2019-6-6谢谢观赏21/81l密码编码学(Cryptography)密码编码系统根据以下三个独立方面进行分类l用于将明文转换为密文的操作类型：代换和置换l所使用的密钥的数量和方式：l对称密码体制(单钥系统、秘密密钥系统)l非对称密码体制(双钥系统、公开密钥系统)l明文的处理方式：分组加密和流加密l密码分析学(Cryptanalysis)l密码分析：试图破译密文得到明文或试图获得密钥的过程为密码分析，密码破译的策略取决于加密方法及可供破译者使用的信息。
18、l穷举攻击：对密文尝试所有可能的密钥，直到把它转化为可读的有意义的明文，至少要尝试1/2种所有可能的密钥。Cryptology 密码学2019-6-6谢谢观赏22/81对加密信息的攻击类型l唯密文攻击 lonly know algorithm and ciphertext,is statistical,know or can identify plaintext l已知明文攻击 lknow/suspect plaintext and ciphertextl选择明文攻击 lselect plaintext and obtain ciphertextl选择密文攻击 lselect cipherte
19、xt and obtain plaintextl选择文本攻击 lselect plaintext or ciphertext to en/decrypt2019-6-6谢谢观赏23/812019-6-6谢谢观赏24/81穷举攻击l总是可以简单地尝试每一个可能的密钥 l穷举攻击是最基本的攻击，难度与密钥长度成正比 l平均来说要获得成功必须尝试所有可能密钥的一半2019-6-6谢谢观赏25/812.2 代换密码(Substitution)l代换法是将明文字母替换成其他字母、数字或符号的加密方法l如果把明文看成是二进制序列的话，代换就是用密文位串来代换明文位串l代换法改变明文内容的表示形式，保持内容
20、元素之间相对位置不变l已知最早的代换密码是由Julius Caesar发明的恺撒密码Caesar Cipher，对字母表中的每个字母用它之后的第3个字母来代换。例如：meet me after the toga partyPHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB2019-6-6谢谢观赏26/812.2.1 Caesar CipherlCaesar实际上是一种单表代换密码明文字母用密文字母表中对应字母代替，例：明文字母表 Pp0,p1,pn-1密文字母表 Cc0,c1,cn-1密钥为正整数k，加密：i+k j(mod n)解密：j-k i(mod n)Caesar Cipher，
21、加密：C=E(p)=(p+k)mod 26 解密：p=D(C)=(C-k)mod 26,0A；1B；25Z2019-6-6谢谢观赏27/81Caesar Cipherl定义如下变换a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y zD E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B Cl让每个字母等价于一个数值a b c d e f g h i j k l m0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12n o p q r s t u v w x y Z13 14 15 16 17 18
22、 19 20 21 22 23 24 25lCaesar密码可以表示如下C=E(p)=(p+k)mod(26)p=D(C)=(C-k)mod(26)，这里k=32019-6-6谢谢观赏28/81对Caesar密码的攻击 l如果已知某给定密文是Caesar密码，穷举攻击是很容易实现的，因为只要简单地测试所有25种可能的密钥lCaesar密码的三个重要特征使我们可以采用穷举攻击分析方法l已知加密和解密算法l所需测试的密钥只有25个l明文所用的语言是已知的，且其意义易于识别l比如，破解密文PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB，或者，GCUA VQ DTGCM2019-6-6谢谢观
23、赏29/812019-6-6谢谢观赏30/81对Caesar密码的攻击l如果明文所用语言不为我们所知，则明文输出不可识别，而且输入可能按某种方式经过缩写或压缩，则识别就更加困难l例如2019-6-6谢谢观赏31/812.2.2 Monoalphabetic Cipher单表代换密码l单表代换密码不只是25种可能的密钥，而是允许任意代换，增加密钥空间 l每个明文字母可以随机映射到任意一个密文字母，密文行是26个字母的任意置换，那么有26!或大于4x1026种可能的密钥，每条消息用一个字母表加密 l这样密钥有26个字母长 Plain:abcdefghijklmnopqrstuvwxyz Ciphe
24、r:DKVQFIBJWPESCXHTMYAUOLRGZNPlaintext:ifwewishtoreplacelettersCiphertext:WIRFRWAJUHYFTSDVFSFUUFYA 2019-6-6谢谢观赏32/81单表代换密码的安全性分析l只要密文字符是26个字母的一个排列即可。l单表代换密码中每条消息用一个字母表加密l这样有26!=4x1026种可能的密钥，超过 400,000,000,000,000,000,000,000,0004x1026=400万亿亿 l这比DES的密钥空间大10个数量级，看起来是安全的，应该可以抵御穷举攻击，其实不然 l这是因为语言的一些规律和特性2
25、019-6-6谢谢观赏33/81语言的冗余性和密码攻击l人类的语言是有冗余性的 l比如从“th lrd s m shphrd shll nt wnt”中我们可以大概猜出些什么l字母使用的频率是不一样的 l英文字母E是使用最频繁的，然后是T,R,N,I,O,A,S等 l有些字母使用得很少，如Z,J,K,Q,X l这样可以得到英文字母使用频率分布表l同时，统计双字母组合和三字母组合的使用频率也是非常有用的 2019-6-6谢谢观赏34/81英文字母的相对使用频率2019-6-6谢谢观赏35/81英文字母使用频率用于密码分析l关键的一点，单表代换不能改变相关字母出现的频率 l这是由阿拉伯科学家在公元
26、九世纪就分析发现了l所以，只要统计密文中字母出现的频率，与已知的统计值做比较就可以分析出相应明文字母了l如果Caesar密码中字母呈现出通常的峰值和低谷，那么单表代换也会呈现相同的特性，比如：l峰值在：A-E-H-I,N-O,R-S-Tl低谷在：J-K,Q,X-Zl双字母、三字母出现特性表也会有助于破译密文2019-6-6谢谢观赏36/81单表代换密码攻击举例l给定密文:UZQSOVUOHXMOPVGPOZPEVSGZWSZOPFPESXUDBMETSXAIZVUEPHZHMDZSHZOWSFPAPPDTSVPQUZWYMXUZUHSXEPYEPOPDZSZUFPOMBZWPFUPZHMDJU
27、DTMOHMQl统计相关字母出现的次数(see textbook)l可以猜测P和Z是e和t，ZW是th，这样ZWP就是thel这样反复试验并不断修正错误，最后可得：it was disclosed yesterday that several informal but direct contacts have been made with political representatives of the viet cong in moscow2019-6-6谢谢观赏37/812.2.3 Playfair密码l单表代换尽管有大量的密钥，也不能提供足够的安全性，因为密文中残留了大量的明文结构，一种
28、解决办法是引进多表代换密码。lPlayfair密码是最著名的多表代换密码，它把明文中的双字母音节作为一个单元转换成密文的双字母音节。lPlayfair密码是由英国科学家Charles Wheatstone在1854年发明的，用了他的朋友Baron Playfair的名字命名。lPlayfair算法基于一个由密钥词构成的5x5字母矩阵2019-6-6谢谢观赏38/81Playfair密码的密钥矩阵l假定使用的密钥词是MONARCHYl先在5x5矩阵中填上密钥词，去掉重复字母 l再将剩余的字母按字母表的顺序从左至右、从上至下填在矩阵剩下的格子中，I和J当作一个字母MONARCHYBDEFGI/JK
29、LPQSTUVWXZ2019-6-6谢谢观赏39/81Playfair密码的加密l对明文按如下规则一次加密两个字母 1.如果该字母对的两个字母是相同的，则在其中插入一个填充字母，如 x,“balloon”加密成“ba lx lo on”2.落在同一行的明文字母对中的字母由其右边的字母来代换，每行中最右的字母用该行最左边的第一个字母来代换,如“ar”加密成“RM”3.落在同一列的明文字母对中的字母由其下面的字母来代换，每列中最下面的一个字母用该列最上面的第一个字母来代换,如“mu”加密成“CM”4.其他的每组明文字母对中的字母按如下方式代换：该字母所在行为密文所在行，另一字母所在列为密文所在列，
30、如“hs”变换成“BP”，“ea”代换为“IM”或“JM”(as desired)2019-6-6谢谢观赏40/81Playfair密码的安全性lPlayfair密码安全性比单表代换大为提高l因为有26个字母，因此有26 x 26=676字母对，对单个字母对进行判断要困难得多。l单个字母的相对频率比字母对的相对频率在统计规律上要好，利用频率分析字母对就更困难些，需要676输入的频率表来进行分析。l被广泛地使用了许多年，包括在一战和二战时期。英国军队使用了一个世纪，曾保证是安全的，但1915年被德军破译。1941年起，德军和盖世太保使用双表playfair，1944年秋季被英国的Bletchey
31、 Park破译。l因为它的密文仍然完好地保留了明文语言的大部分结构特征，它仍然是相对容易攻破的，几百个字母的密文就足够分析出规律了。2019-6-6谢谢观赏41/81字母出现的相对频率l“明文”曲线画出7万个字母的频率分布，对文中出现的每个字母计数，结果除以字母e的出现次数。l加密后的曲线体现了加密后字母频率分布被掩盖的程度，如果完全被掩盖，则应该是一条水平线。2019-6-6谢谢观赏42/812.2.4 Hill密码l1929年数学家Lester Hill发明Hill密码l将m个连续的明文字母替换成m个密文字母，这由m个线性方程决定，每个字母指定一个数值 (a=0,b=1,z=25)，假如m
32、为3：lc1=(k11p1+k12p2+k13p3)mod 26lc2=(k21p1+k22p2+k23p3)mod 26lc3=(k31p1+k32p2+k33p3)mod 26l用列向量和矩阵表示为 或 C=KP mod 26 C和P是长度为3的列向量，分别代表密文和明文 K是一个3x3矩阵，代表加密密钥，运算按模26执行2019-6-6谢谢观赏43/81Hill密码l明文paymoremoney，加密密钥为l明文前三个字母用向量15 0 24表示，则l照此转换剩下字母，可得密文LNSHDLEWMTRWl解密需要用到矩阵K的逆K-1，由KK-1=I 定义，I是单位矩阵2019-6-6谢谢观
33、赏44/81Hill密码lKK-1=I 可以验证如下lHill密码系统可以表示如下lC=E(K,P)=KP mod 26lP=D(K,C)=K-1C mod 26=K-1KP=P2019-6-6谢谢观赏45/812.2.5 Polyalphabetic Ciphers多表代换密码l改进简单的单表代换的方法是在明文消息中采用不同的单表代换，这就是多表代换密码poly-alphabetic substitution ciphers l因为需要猜测更多的字母表，并且频率分布特性也变得平坦了，所以使得密码破译更加困难l使用一密钥词对每个明文字母选择一个字母表来加密l依次使用每个字母表 l如果到了密钥词
34、最后一个字母，则从头开始继续2019-6-6谢谢观赏46/81Vigenre密码l最简单的多表代换密码是Vigenre密码，它其实是多重Caesar密码 l26个密码水平放置，最左边是密钥字母，顶部排列的是明文的标准字母表l加密一条消息需要与消息一样长的密钥，密钥是密钥词的重复，比如，密钥词为K=k1 k2.kd l加密：给定密钥字母x和明文字母y，密文字母是位于x行和y列的那个字母l密钥词的第i 字母，表明使用第i个字母表，轮流使用字母表，如果到了消息的第d个字母时则从头再做 l解密：密钥字母决定行，行里密文字母所在列的顶部字母就是明文字母 2019-6-6谢谢观赏47/812019-6-6
35、谢谢观赏48/81Examplel写下明文 l在明文之上重复写下密钥l像使用Caesar cipher密钥那样使用每一个密钥字母，加密每一个明文字母l比如，使用密钥deceptivekey:deceptivedeceptivedeceptiveplaintext:wearediscoveredsaveyourselfciphertext:ZICVTWQNGRZGVTWAVZHCQYGLMGJ2019-6-6谢谢观赏49/81Vigenre密码的安全性l每一个明文字母可以有多个密文字母对应，这样字母使用的频率特性减弱了，但是没有完全消失l攻击者首先要分析密文是否是用单表代换加密的，即通过简单的测
36、试密文的统计特性l如果认为是用Vigenre密码加密的，破译能否取得进展将取决于能否判定密钥词的长度，要通过发现重复序列来判断l如果密钥词长度是N，那么密码实际上包含了N个单表代换l密钥词的周期性可以用与明文信息一样长的不重复密钥词来消除，如“密钥自动生成系统”，但是密文和明文具有相同频率分布特性，仍然是易受攻击的l最终措施是选择与明文毫无统计关系且和它一样长的密钥2019-6-6谢谢观赏50/81Kasiski Method to break Vigenre卡西斯基方法破解Vigenrel破解Vigenre的方法是由Charles Babbage(巴贝奇)和Friedrich Kasiski
37、(卡西斯基)分别发现的l密文中的重复性可以暗示出密钥词长度 l如果两个相同明文序列之间的距离是密钥词长度的整数倍，那么产生的密文序列也是相同的l前例中“red”的两次出现相隔9个字母，因此得到了两个相同密文序列VTWl这时攻击者就可以猜测密钥词的长度是3或者9l这样攻击者可以像先前攻击单表密码那样分别进行攻击l密钥词的周期性可以用与明文信息一样长的不重复密钥词来消除，Autokey Cipher2019-6-6谢谢观赏51/81Autokey Cipherl最理想的是让密钥和要加密的消息一样长lVigenre提出了autokey cipher，密钥词keyword放在消息前面作为密钥key前缀
38、l知道了密钥词能够破译密文的前面一些字母，据此可以解密密文消息的其余部分 l但是这种方法仍然具有字母使用的频率特性可供分析l例如，给定密钥词：deceptivekey:deceptivewearediscoveredsavplaintext:wearediscoveredsaveyourselfciphertext:ZICVTWQNGKZEIIGASXSTSLVVWLA2019-6-6谢谢观赏52/812.2.6 One-Time Pad一次一密lJoseph Mauborgne提出使用与消息一样长且无重复的随机密钥来加密消息，密钥只对一个消息加解密，之后弃之不用；每条新消息都需要与其等长的新
39、密钥，这就是一次一密，它是不可攻破的。l一次一密运算基于二进制数据而非字母l加密：ci=pi ki,pi是明文第i个二进制位，ki是密钥第i个二进制位，ci是密文第i个二进制位，是异或运算l密文是通过对明文和密钥的逐位异或而成的，根据异或运算的性质，解密过程为pi=ci ki,l给出任何长度与密文一样的明文，都存在着一个密钥产生这个明文。如果用穷举法搜索所有可能的密钥，会得到大量可读、清楚的明文，但是无法确定哪个才是真正所需的，因而这种密码不可破。l一次一密的两个限制l产生大规模随机密钥有实际困难l密钥的分配和保护无法保证2019-6-6谢谢观赏53/812.3 Transposition C
40、iphers置换密码l置换密码改变明文内容元素的相对位置，保持内容的表现形式不变l通常称为transposition或者permutation密码 l通过重新安排消息字母的位置来隐藏明文信息，而不是用其他字母来代换明文字母l这种方法是很容易破译的，因为密文拥有与明文一样的字母频率统计特性 2019-6-6谢谢观赏54/81l一维变换矩阵转置l二维变换图形转置DNATSREDNUUOYNAC明文：明文：can you understand密文：密文：codtaueanurnynsd输入输出UUOYNACSREDNNATD密文明文明文：明文：can you understand密文：密文：dnsu
41、aruteodynnacTransposition or permutation置换密码2019-6-6谢谢观赏55/81栅栏技术 Rail Fence cipherl按照对角线的顺序写出明文，按行的顺序读出作为密文l如加密 meet me after the toga party:m e m a t r h t g p r y e t e f e t e o a a tl可以得到密文MEMATRHTGPRYETEFETEOAAT2019-6-6谢谢观赏56/81Row Transposition Ciphers行置换密码l一个更复杂的方案是把消息一行一行地写成矩形块，然后按列读出，但是把列的
42、次序打乱，列的次序就是算法的密钥，例如：lKey:4 3 1 2 5 6 7Plaintext:a t t a c k p o s t p o n e d u n t i l t w o a m x y zCiphertext:TTNAAPTMTSUOAODWCOIXKNLYPETZl可以采用多步置换来得到相对较高的安全性 2019-6-6谢谢观赏57/81乘积密码Product Ciphersl单纯的代换或者置换密码是不安全的，因为语言的特性l因此可以考虑连续使用若干这样的密码使其难以破解，但是：l两次代换只生成更复杂的代换l两次置换只生成更复杂的置换l如果在一次代换之后跟一次置换，可以生成
43、一种新的更难破解的密码，这就是乘积密码l乘积密码是从古典密码通往现代密码的桥梁2019-6-6谢谢观赏58/812.4 Rotor Machines转轮密码机l在现代密码系统出现之前，转轮密码机是最为广泛使用的多重加密器，尤其是在第二次世界大战中。lGerman Enigma,Japanese Purple,Allied Hagelinl转轮密码机实现了一个非常复杂、变化多端的代换密码。l转轮机使用一组相互独立的旋转圆筒，可以通过电脉冲，每个圆筒有26个输入和26个输出，每个输入仅与一个输出相连，一个圆筒就定义了一个单表代换。l每按下一个键，圆筒旋转一个位置，内部连线相应改变，就定义了不同的单
44、表代换密码，经过26个明文字母，圆筒回到初始状态，就得到一个周期为26的多表代换密码。l3个圆筒的转轮机就有263=17576个不同的代换字母表2019-6-6谢谢观赏59/81Enigma：密码学界划时代的丰碑 lhttp:/ Scherbius)；其次是波兰人马里安雷耶夫斯基(Marian Rejewski)；然后是英国人阿兰图灵(Alan Turing)。l德国人发明了Enigma；波兰人初步破解了简单的Enigma；而英国人彻底终结了最高难度的Enigma。2019-6-6谢谢观赏60/81亚瑟谢尔比乌斯和Enigmal1918年，德国发明家亚瑟谢尔比乌斯(Arthur Scherbi
45、us)和理查德里特Ritter创办了一家新技术应用公司，利用现代化的电气技术，来取代手工编码加密方法，发明了一种能够自动编码的机器。谢尔比乌斯给自己所发明的电气编码机械取名“恩尼格玛”(Enigma，意为哑谜)。l恩尼格玛密码机是一种用于加密与解密文件的密码机。确切地说，恩尼格玛是一系列相似的转子机械的统称，包括了一系列不同的型号。恩尼格玛密码机可以简单分为三个部分：键盘、转子和显示器。2019-6-6谢谢观赏61/81亚瑟谢尔比乌斯和Enigmal转轮机是Vigenere 密码的一种实现。每个转轮是字母的任意组合，有26个位置，并且完成一种简单代替。例如：一个转轮可能被用线连起来以完成用“F
46、”代替“A”，用“U”代替“B”，用“L”代替“C”等等，而转轮的输出端连接到相邻的下一转轮的输入端。l例如，在4个转轮的密码机中，第一个转轮可能用“F”代替“A”，第二个转轮可能用“Y”代替“F”，第三个转轮可能用“E”代替“Y”，第四个转轮可能用“C”代替“E”，“C”应该是输出密文。那么当转轮移动后，下一次代替将不同了。l为使机器更安全，可以把几个转轮和移动的齿轮结合起来。因为所有转轮以不同的速度移动，n个转轮的机器的周期是26n。为进一步阻止密码分析，有些转轮机在每个转轮上还有不同的位置号。l恩尼格玛一般有三个转轮，从五个转轮中选择。转轮机中有一块稍微改变明文序列的插板，有一个反射轮导
47、致每个转轮对每一个明文字母操作两次。2019-6-6谢谢观赏62/81Enigma三个转轮的连接示意2019-6-6谢谢观赏63/81Enigma的使用l使用恩尼格玛通讯时，发信人首先调节三个转子的初始方向，这个转子的初始方向就是密钥，是收发双方预先约定好的。然后依次键入明文，并把显示器上灯泡闪亮的字母依次记下来，最后把记录下的字母按照顺序用正常的电报方式发送出去。l收信方收到电文后，只要也使用一台恩尼格玛，按照原来的约定，把转子的方向调整到和发信方相同的初始方向上，然后依次键入收到的密文，显示器上自动闪亮的字母就是明文了。l使用恩尼格玛解密和加密的过程完全一样，这就是反射器的作用，同时反射器
48、的一个副作用就是一个字母永远也不会被加密成它自己，因为反射器中一个字母总是被连接到另一个不同的字母。2019-6-6谢谢观赏64/81Enigma的破解波兰数学家和密码学家雷耶夫斯基l波兰数学家和密码学家马里安雷耶夫斯基(Marian Adam Rejewski,1905年8月26日1980年2月13日)，20世纪30年代领导波兰密码学家率先对德国使用的Enigma密码进行了系统性的研究和破译。雷耶夫斯基首次将严格的数学化方法应用到密码破译领域，这在密码学的历史上是一个重要成就。雷耶夫斯基等人在二战期间破译了大量来自德国的信息，成为整个二战期间盟国破译德军Enigma密码的基础。雷耶夫斯基与波
49、兰数学家杰尔兹罗佐基和亨里克佐加尔斯基并称为密码研究领域的“波兰三杰”。l2000年7月17日，波兰政府向雷耶夫斯基、罗佐基和佐加尔斯基追授波兰最高勋章。2001年4月21日，雷耶夫斯基、罗佐基和佐加尔斯基纪念基金在波兰华沙设立，基金会在华沙和伦敦设置了纪念波兰数学家的铭牌。2019-6-6谢谢观赏65/81Enigma的破解英国伦敦附近的柏雷屈里庄园密码学校2019-6-6谢谢观赏66/81Enigma的破解计算机科学之父阿兰图灵 l阿兰麦席森图灵 Alan Mathison Turing(1912年6月23日-1954年6月7日)是英国著名的数学家和逻辑学家，被称为计算机科学之父、人工智能
50、之父，是计算机逻辑的奠基者，提出了“图灵机”和“图灵测试”等重要概念。l1936年英国政府在白金汉郡的柏雷屈里庄园设立代码及加密学校(GC&CS,Government Code and Cipher School)，集结了一大批为破译ENIGMA作出卓越贡献的人们，图灵发明了绰号为“炸弹”(Bombes)的解密机器，被看成一位天才解密分析专家，而于1945年获政府的最高奖大英帝国荣誉勋章(O.B.E.勋章)。人们认为，通用计算机的概念就是阿兰麦席森图灵提出来的 l战争结束，柏雷屈里庄园被关闭，“炸弹”被拆毁，所有战时有关密码分析和破译的档案资料都被销毁，直到1967年波兰出版第一本关于波兰破译
