密码学的发展历史

从公元前400年斯巴达人将莎草纸缠绕到木棍开始，至今密码学已经历过几千年的发展，大体可分为三个阶段：

• 古代密码学（1949年之前）

主要特点：数据的安全基于算法的保密
古典密码编码方法：置换和代换。置换：明文中的字母重新排列，字母本身不变，但其位置改变了。代换：将明文中的字符替代成其它字符。

• 近代密码学（1949~1975年）

主要特点：数据的安全基于密钥而不是算法的保密，密码学从此开始成为一门学科。
1949年 克劳德·艾尔伍德·香农 编写了《保密系统的通信理论》，正式奠定了近代密码学的基础。

• 现代密码学（1976年以后）

产生了新的方向-公钥密码学。
主要特点：解决了秘钥分发和管理的问题，密码学真正广泛应用在商业中。
1976年，罗纳尔多·里弗斯特（Ronald Rivest）、阿迪·沙缪尔（Adi Shamir）和里昂纳多·阿多乐曼（Leonard Adleman）在麻省理工学院推动了公钥加密技术的革新发展，并在1982年三人正式成立了RSA Data Security。

密码学简介

密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。

1. 编码学：研究密码变化的客观规律，应用于编制密码以保守通信秘密的。
2. 破译学：应用于破译密码以获取通信情报的。

密码学是研究如何隐秘地传递信息的学科。在现代特别指对信息以及其传输的数学性研究，常被认为是数学和计算机科学的分支，和信息论也相关。

密码学的典型应用

信息安全要素	典型威胁	可用的密码技术
机密性（Confidentiality）	1.窃听；2.非法窃取信息；3.敏感信息泄露	对称加密和非对称加密、数字信封
完整性（Integrity）	1.篡改；2.重放攻击；3.破坏	哈希函数和消息认证码；数据加密；数字签名
可鉴别性（Authentication）	1.冒名	口令和共享秘密、数字证书和数字签名
不可否认性（Non-repudiation）	1.否认已收到资料；2.否认已送资料	数字签名、证据储存
授权与访问控制（Authorization $ Access Control）	1.非法存取资料；2.越权访问	属性证书、访问控制

密码学图解

在网络上通讯时，始终假设有第三人对信息进行窃取或者篡改。

alice和Bob是密码学中通讯的双方，Oscar是想窃听或者篡改信息的家伙。

在Alice和Bob通讯中，需要保证信息的安全，首先要解决的是怎么证明信息一定是Alice发的。为了实现这一目的，Alice会在消息上附上自己的数字签名。

数字签名通过非对称加密算法实现，它是用Alice私钥进行加密的某些特定信息，并且由Bob拿到的Alice的公钥对这个已加密信息进行解密。
由于数字签名附在消息上，数签又是由Alice的密钥对其进行处理，因此能证明这个信息是Alice发出的。

证明了发信人以后，还要保证信息不被窃听。于是Alice和Bob会选择通过对称加密的方式对消息进行加密。

对称密钥加密：双方共享一个密钥，并使用相同的加密方法和解密方法。
对称加密的效率比非对称加密的效率高100~1000倍，所以一般使用对称加密。

Alice和Bob共享一个密钥，Alice加密完成后还需要通过网络将密钥传递给Bob，这会导致信息很容易被窃听。所以还需要使用非对称加密对密钥（加密信息所产生的密钥）再次进行加密。

非对称加密：Whitfield Diffie,Martin Hellman,Ralph Merkle在1976年提出的密码类型。
非对称加密：与对称密码学一样，在公钥密码学中用户也有一个密钥（也叫私钥）；但不同的是，他同时还拥有一个公钥。

解决了密钥传递的问题，还需要确定传递过来的信息没有被篡改（篡改了加密后的消息会使得密文跟着改变）。因此我们需要在对信息加密前进行摘要提取，如图由Alice对信息提取摘要并公布摘要，由Bob验证摘要。

摘要提取主要通过摘要提取算法进行。

所以，Alice和Bob通讯的整个流程如图所示：

密码算法特性

凯撒密码

凯撒密码的思路：将字表中的一个字符用另一个字符进行替换。
凯撒密码的加密方法：通过将当前字母替换为常规字母表中第n个位置后的字母。
这种密码非常容易被破解（例如：蛮力攻击和穷尽密码搜索）。

序列密码

序列密码：将明文和密钥进行异或运算。
序列密码就是对密文进行逐一的加密或者解密。
序列密码用于单独加密每个位。他是通过将密钥序列中的每个位与每个明文位相加实现的。
序列密码也称为流密码（Stream Cipher），它是对称密码算法的一种。序列密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用领域包括无线通信、外交通信。
序列密码的安全性能主要取决于密钥流或者密钥流产生器的特性。
优点：实现简单、加密和解密速度快、安全性能较好、没有或少有差错传播
缺点：1.密钥长度与明文长度一致；2.序列密码容易被篡改。
序列密码通常用于传输协议中。如：RC4（最常用的流密码之一），它的密钥长度可变，用于SSL协议，以前曾被应用在802.11WEP协议标准中。

序列密码的分类

同步序列密码

1. 同步序列密码的原理：
   种子密钥k经过由安全信道传送给收、发双方后，由密钥流产生器生成加密和解密所需要的密钥流，而加、解密本身就是简单的模2加法运算。
2. 同步序列密码的特点：
   ① 密钥流仅仅依赖于种子密钥和密钥流产生器的结构，而与明文流（或密文流）无关。
   ② 如果密钥流完全随机产生且长度至少和明文流一样长，则可实现绝对安全的“一次一密”。但实际上，这很难做到。
   ③ 无差错传播。因为密钥流独立于密文流，所以一个密文的传输错误不会影响下一个密文的解密。
   ④ 为了保障接收端能够正确解密，要求收、发双方必须严格同步。

自同步序列密码

1. 自同步序列密码的简介：
   与同步序列密码需要收、发双方严格同步不同，自同步序列密码能够依靠自身的能力“自动地”实现收、发双方的同步，因而是一种不需要外部同步的序列密码系统。
2. 自同步序列密码的特点：
   ①密钥流不仅依赖于种子密钥和密钥流产生器的结构，还与密文流（或明文流）有关。初始向量IV在这里相当于初始密文的作用，要求收、发双方必须相同。
   ②自同步。解密只取决于先前特定数量的密文字符，因此，即使出现删除、插入等非法攻击，收方最终都能够自动重建同步解密，因而收、发双方不再需要外部同步。
   ③ 有差错传播。因为密钥流与密文流有关，所以一个密文的传输错误会影响下面有限个密文的解密。

密钥流产生器

密钥流产生器是决定序列密码安全性能的主要因素，因而线性反馈寄存器是密钥流产生器最基本也是最重要的部件。

1.线性反馈移位器

1. 定义：如果将移位寄存器的某些级的输出通过异或（模2加）运算函数运算后反馈回它的第一级输入端，便构成了线性反馈移位寄存器。
2. 该式为用右移方式的n级线性反馈移位寄存器的反馈函数，其中如果n级线性反馈移位寄存器产生的输出序列的周期为2^n-1，则称为m序列产生器。m序列不仅周期长，而且伪随机特性好，这正是序列密码的密钥流所需要的特性。

2.基于LFSR的密钥流产生器

分组密码

1. 分组密码(blockcipher)的数学模型是将明文消息编码表示后的数字（简称明文数字）序列，划分成长度为n的组（可看成长度为n的矢量），每个组有m个字节，每组分别在密钥的控制下变换成等长的输出数字（简称密文数字）序列。
2. 分组密码只能加密固定长度的分组，需要加密的明文长度可能超过分组密码的分组长度，此时就需要对分组密码算法进行迭代，以便将长明文进行加密，迭代的方法就称为分组密码的模式。注：当需要加密的分组短于分组密码的长度时，需要在明文中添加相应长度的特定数据进行填充

ECB（电子密码本模式）

1. 将明文分组加密后结果直接成为密文分组。
2. 明文分组与密文分组是一一对应的关系；且每个明文分组各自独立地进行加密和解密。
3. 这种加密攻击者无需破译密码就能操纵明文。
   

CBC（密码分组链接模式）

1. 先将明文与前一个密文分组进行异或（XOR）运算，再进行加解密。
2. 初始化向量（IV）：在加密第一个明文分组时，需要事先准备一个长度为一个分组的比特序列代替；每次加密时，都会随机产生一个不同的比特序列作为初始化向量。
3. 无法对单独一个中间的明文分组加密；对初始化向量没有加密。
4. 当CBC模式中的密文分组有一个分组损坏，只要密文分组的长度没有发生变化，解密时最多会有两个分组受到数据损坏的影响。
5. 当CBC的密文分组中有一些比特缺失了，导致密码分组的长度发生变化，此分组发生错位，在缺失比特位置之后的密文分组也就无法全部解密了。
6. 这种加密攻击者一般只能攻击初始化向量。
   

CFB（密文反馈模式）

1. 前一个密文分组会被送回到密码算法的输入端。
2. 密文分组与明文分组之间只有XOR（而CBC中，明文分组与密文分组之间有XOR和密码算法两个步骤）。
3. CFB模式中有密码算法产生的比特序列成为密钥流（在CFB中密码算法相当于伪随机数生成器）。
4. 在CFB中分组密码算法在解密时仍执行加密操作（因为密钥流通过加密生成）。
5. 对CFB模式可实施重放攻击。
   

OFB（输出反馈模式）

1. 密码算法的输出会反馈到密码算法的输入中
2. 并非通过密码算法加密明文分组的，而通过将明文分组和密码算法的输出进行XOR来产生密文分组（与CFB的区别在于密码算法的输入）
3. CFB是对密文分组进行反馈，必须按顺序进行加密；OFB是对密钥流进行加密（生成密钥流与XOR运算可以并行）
   

CTR（计数器模式）

1. 通过将逐次累加的计数器进行加密来生成密钥流
2. 每个分组对应一个逐次累加的计数器
3. 每次加密都会生成一个不同的值（ｎｏｎｃｅ）作为计数器的初始值，且在每次加密时都必须不同
4. 在初始值之后为分组序列号，会逐次累加
5. 在CTR中如果密文分组有１ｂｉｔ被反转，解密后的铭文中所对应的比特会被反转，该错误不会放大
   

分组密码模式的比较

序列密码与分组密码的对比

1. 分组密码以一定大小作为每次处理的基本单元，而序列密码则是以一个元素（一个字母或一个比特）作为基本的处理单元。
2. 序列密码是一个随时间变化的加密变换，具有转换速度快、低错误传播的优点，硬件实现电路更简单；其缺点是：低扩散（意味着混乱不够）、插入及修改的不敏感性。
3. 分组密码使用的是一个不随时间变化的固定变换，具有扩散性好、插入敏感等优点；其缺点是：加解密处理速度慢、存在错误传播。