密碼學(xué)基礎(chǔ)

前言

　　密碼學(xué)有著悠久而神秘的歷史，最早的密碼技術(shù)可以追溯到古羅馬時(shí)代。1949年，Claude Shannon在Bell System　Technical Journal上發(fā)表的論文“The Communication　Theory of Secrecy Systems”，標(biāo)志著密碼學(xué)研究進(jìn)入了嶄新的時(shí)代。20世紀(jì)70年代以來，分組密碼和公鑰密碼技術(shù)得到了迅速發(fā)展，取得了豐富的研究成果，也被廣泛應(yīng)用于信息安全的各個(gè)領(lǐng)域。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，越來越多的人認(rèn)識(shí)到密碼學(xué)的重要性。為了能為在校本科生學(xué)習(xí)密碼學(xué)提供內(nèi)容較新、論述較系統(tǒng)的教材，也能為相關(guān)領(lǐng)域的科研人員提供一本內(nèi)容充實(shí)、具有一定實(shí)用性的參考書，我們編寫了《密碼學(xué)基礎(chǔ)》這本教材?！　”緯到y(tǒng)介紹了密碼學(xué)的基本原理，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了密碼學(xué)中的基本算法及其應(yīng)用，詳細(xì)介紹了當(dāng)前廣泛應(yīng)用的密碼算法及其理論基礎(chǔ)，并對(duì)其安全性進(jìn)行了相應(yīng)的分析。本書內(nèi)容以當(dāng)前廣泛應(yīng)用的密碼技術(shù)為主，重點(diǎn)放在密碼學(xué)研究的核心問題上，既突出了廣泛性，又注重對(duì)主要知識(shí)內(nèi)容的深入討論。本書的每一章后都附有相應(yīng)的習(xí)題，便于讀者對(duì)書中的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)思維和智力進(jìn)行相應(yīng)的鍛煉。作為示例，本書給出了常用的基本加密算法——DES和RSA算法的C語言程序?！　”緯饕┬畔踩⒕W(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程等本科專業(yè)的高年級(jí)學(xué)生使用。學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生需要具備高等數(shù)學(xué)和線性代數(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)應(yīng)該掌握基本的編程技術(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)。通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握基本的密碼學(xué)算法原理，對(duì)加／解密技術(shù)具備一定的實(shí)際應(yīng)用能力。為了便于學(xué)生學(xué)習(xí)和理解本課程，我們以結(jié)論性的方式在附錄A中給出了學(xué)習(xí)密碼學(xué)需要具備的數(shù)論基礎(chǔ)知識(shí)。對(duì)于已經(jīng)具備相關(guān)數(shù)論知識(shí)的學(xué)生，這一部分內(nèi)容可以作為了解內(nèi)容；對(duì)于不具備相關(guān)數(shù)論基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)生，這一部分內(nèi)容可以作為自學(xué)內(nèi)容。本書計(jì)劃課時(shí)為48～64學(xué)時(shí)，其中對(duì)密碼學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的介紹大約需要48學(xué)時(shí)，具有擴(kuò)展性的知識(shí)用*號(hào)給出了標(biāo)記。在講授本書的過程中，建議根據(jù)課時(shí)量和授課對(duì)象來選擇和組織相關(guān)內(nèi)容。

內(nèi)容概要

　　本書系統(tǒng)地介紹了密碼學(xué)的基本原理、基本算法，并對(duì)算法的安全性進(jìn)行了相應(yīng)的分析。主要內(nèi)容包括古典密碼、分組密碼、序列密碼、Hash函數(shù)、公鑰密碼、數(shù)字簽名、密鑰管理和計(jì)算復(fù)雜性等?！　”緯饕┬畔踩?、網(wǎng)絡(luò)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、通信工程等本科專業(yè)的 高年級(jí)學(xué)生使用，也可供相關(guān)專業(yè)的教學(xué)、科研和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章古典密碼1.1密碼學(xué)的基本概念1.2幾種典型的古典密碼體制1.2.1棋盤密碼1.2.2移位密碼1.2.3代換密碼1.2.4維吉尼亞密碼1.2.5仿射密碼1.2.6置換密碼1.2.7Hill密碼1.3古典密碼的統(tǒng)計(jì)分析習(xí)題第2章分組密碼2.1分組密碼的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2.1.1Feistel分組密碼的基本結(jié)構(gòu)2.1.2F函數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則2.2數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)——DES2.2.1DES的描述2.2.2DES的分析2.2.3多重DES2.3高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)——AES2.3.1AES的描述2.3.2AES的分析2.4國(guó)際數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)——IDEA2.5RCS算法2.6分組密碼的安全性及工作模式2.6.1分組密碼的安全性2.6.2分組密碼的工作模式習(xí)題第3章序列密碼3.1序列密碼的基本原理3.1.1序列密碼的設(shè)計(jì)思想3.1.2序列隨機(jī)性能評(píng)價(jià)3.2反饋移位寄存器3.2.1線性反饋移位寄存器3.2.2LFSR輸出序列的周期與隨機(jī)性3.3基于LFSR的密鑰流生成器3.4非線性反饋移位寄存器習(xí)題第4章Hash函數(shù)4.1Hash函數(shù)與隨機(jī)預(yù)言模型4.1.1Hash函數(shù)4.1.2隨機(jī)預(yù)言模型4.2迭代Hash函數(shù)4.3MD4.3.1MD44.3.2MD54.4SHA-14.5MD5與SHA-1的比較4.6消息認(rèn)證碼(MAC)4.6.1基于分組密碼的MAC4.6.2基于序列密碼的MAC習(xí)題第5章公鑰密碼5.1公鑰密碼體制的基本原理5.1.1公鑰密碼的基本思想5.1.2公鑰密碼算法應(yīng)滿足的要求5.2背包算法5.2.1背包問題5.2.2背包算法的描述5.2.3背包算法的安全性5.3RSA算法5.3.1RSA算法的描述5.3.2RSA算法的安全性5.3.3RSA算法的參數(shù)選擇5.4Rabin算法5.4.1求解數(shù)模下的平方根問題5.4.2Rabin算法描述5.4.3Rabin算法的修正5.5ElGamal算法5.5.1離散對(duì)數(shù)問題5.5.2ElGamal算法的描述5.5.3ElGamal算法的安全性5.6橢圓曲線算法5.6.1橢圓曲線的定義與性質(zhì)5.6.2橢圓曲線算法的描述5.6.3橢圓曲線算法的特性習(xí)題第6章數(shù)字簽名6.1數(shù)字簽名的基本原理6.1.1數(shù)字簽名的基本概念6.1.2數(shù)字簽名的特性6.1.3數(shù)字簽名的實(shí)現(xiàn)方法6.2RSA數(shù)字簽名6.2.1RSA數(shù)字簽名算法6.2.2RSA數(shù)字簽名算法的安全問題6.3Rabin數(shù)字簽名6.3.1Rabin數(shù)字簽名算法6.3.2Rabin數(shù)字簽名算法的安全問題6.4ElGamal數(shù)字簽名6.4.1ElGamal數(shù)字簽名算法6.4.2針對(duì)ElGamal數(shù)字簽名算法的可能攻擊6.5數(shù)字簽名標(biāo)準(zhǔn)——DSS6.5.1DSS的數(shù)字簽名算法6.5.2DSA算法的安全問題6.6不可否認(rèn)的簽名習(xí)題第7章密鑰管理7.1密鑰管理的生命周期7.2單鑰體制的密鑰管理7.2.1密鑰的分類7.2.2密鑰分配的基本方法7.2.3層次式密鑰控制7.2.4分布式密鑰控制7.3公鑰體制的密鑰管理7.3.1公開密鑰的分發(fā)7.3.2用公鑰加密分配單鑰體制的會(huì)話密鑰7.3.3Diffie-Hellman密鑰交換與中間人攻擊7.4秘密共享7.4.1Lagrange插值多項(xiàng)式門限方案7.4.2矢量門限方案7.4.3高級(jí)門限方案7.4.4有騙子情況下的密鑰共享方案習(xí)題第8章計(jì)算復(fù)雜性8.1確定性多項(xiàng)式時(shí)間8.1.1算法效率分析8.1.2問題的難度8.2非確定多項(xiàng)式時(shí)間8.3概率多項(xiàng)式時(shí)間8.4多項(xiàng)式時(shí)間不可區(qū)分性習(xí)題附錄A數(shù)論基礎(chǔ)A.1素?cái)?shù)與互素A.2同余與模運(yùn)算A.3歐拉(Euler)定理A.4幾個(gè)有用的算法A.5中國(guó)剩余定理A.6模為素?cái)?shù)的二次剩余A.7Zp上的離散對(duì)數(shù)附錄BDES算法程序源代碼附錄CRSA算法程序源代碼參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章　古典密碼　　古典密碼（Classical Cipher)是現(xiàn)代密碼的基礎(chǔ)。本章在簡(jiǎn)要介紹密碼學(xué)基本概念的基礎(chǔ)上，介紹一些典型和古典密碼體制，通過對(duì)古典密碼學(xué)進(jìn)行分析，給出密碼分析學(xué)的基本概念和原理?！　?.1　密碼學(xué)的基本概念　　密碼學(xué)有著悠久而神秘的歷史，人們很難對(duì)密碼學(xué)的起始時(shí)間給出準(zhǔn)確的定義。一般認(rèn)為人類對(duì)密碼學(xué)的研究與應(yīng)用已經(jīng)有幾千年的歷史，該學(xué)科一直廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。密碼學(xué)正式一門科學(xué)的理論基礎(chǔ)應(yīng)該首推1949年美國(guó)科學(xué)家Shannon的一篇文章《保密通信的信息理論》，他在研究保密機(jī)的基礎(chǔ)上，蝗出了將密碼建立在解某個(gè)已知數(shù)學(xué)難題基礎(chǔ)上的觀點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，以公鑰密碼體制的提出和數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)DES的問世為標(biāo)志，現(xiàn)代密碼學(xué)開始蓬勃發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的普及和網(wǎng)上業(yè)務(wù)的大量開展，人們更加關(guān)注密碼學(xué)，更加依賴密碼技術(shù)?！　”Ｃ苁敲艽a學(xué)的核心。密碼學(xué)的基本目的是面對(duì)攻擊者Oscar,在被稱為Alice和Bob的通信雙方之間應(yīng)用不安全的信道進(jìn)行通信時(shí)，設(shè)法保證通信安全。密碼學(xué)研究對(duì)通信雙方要傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行何種保密變換以防止未被授權(quán)的第三方對(duì)信息的竅取。此外，密碼技術(shù)還可以用來進(jìn)行信算鑒別、數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)、數(shù)字簽名等。　　在通信過程中，Alice和Bob也分別被稱為信息的發(fā)送方和接收方。Alice要發(fā)送給Bob的信息稱為明文（Plaintext）。

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