6-3 信息加密技术

密码学基本概念

信息安全的核心是密码技术，研究数据加密的科学叫作密码学(Cryptography)。

现代密码理论的一个根本性原则Kerckhoffs原则(卡尔霍夫原则)：密码体制的安全性不依赖于算法的保密，而仅仅依赖于密钥的保密。

不论窃听者获取了多少密文，如果密文中没有足够的信息可以确定出对应的明文，则这种密码体制是无条件安全的，或称为理论上不可破解的。

在无任何限制的条件下，目前几乎所有的密码体制都不是理论上不可破解的。能否破解给定的密码，取决于使用的计算资源。

经典加密技术

经典加密技术主要有3种：

替换加密（Substitutkm）：用一个字母替换另一个字母，例如Caesar密码(D替换a，E替换b等)。这种方法保留了明文的顺序，可根据自然语言的统计特性（例如字母出现的频率）破译。
换位加密（Transposition）：按照一定的规律重排字母的顺序。
一次性填充（One-TimePad）：把明文变为位串(例如用ASCll编码)，选择一个等长的随机位串作为密钥，对二者进行按位异或得到密文。

现代加密技术

现代密码体制使用的基本方法仍然是替换和换位，但是采用更加复杂的加密算法和简单的密钥，而且增加了对付主动攻击的手段。例如加入随机的冗余信息，以防止制造假消息；加入时间控制信息，以防止旧消息重放。

替换和换位可以用简单的电路来实现即加密芯片。

对称密码

对称密码特点：加密和解密使用相同的密钥。

优点：加解密速度快、密文紧凑、使用长密钥时的难破解。
缺点：密钥分配问题、密钥管理问题、无法认证源。

常见的对称密钥加密算法如下：DES、3DES、AES、RC4/5、IDEA。

对称加密算法总结

算法	解释	特点
DES	Data Encryption Standard，数据加密标准。采用移位+替换，速度快，密钥易产生。	分组长度64位，密钥长度64位，有效密钥长度是56位
3DES	三重DES（TDEA），使用DES对明文进行“加密-解密-加密”操作。 - 加密：K1加密→K2解密→K3加密 - 解密：K3解密→K2加密→K1解密一般K1和K3是相同的密钥。	密钥长度112位(不是56x3，是56x2)
IDEA	International Data Encryption Algorithm，国际数据加密算法，分组加密算法。设计思想：混合使用来自不同代数群中的运算。	明文和密文分组都是64位，密钥长度为128位，用于PGP
AES	Advanced Encryption Standard，高级加密标准。可以通过硬件实现，速度快，像3DES一样安全。	分组长度128位，支持128、192和256位三种密钥长度(分组长度固定，秘钥长度可变)
RC4/5	流加密算法，用于WIFI。加密速度快，可达到DES的10倍。	分组和密钥长度都可变，优点是速度快，早期WiFi使用RC4/5，现在都使用AES加密了

例题

例题1

例题2

解析：3DES是K1加密-K2解密-K1加密的过程，包含三次加解密操作，两个密钥，密钥长度112位。

例题3

解析：AES（AdvancedEncryptionStandard，高级加密标准）s分组长度为128比特，支持128，192和256位三种密钥长度，可通过硬件实现。

公钥密码/非对称密码

公钥密码又称为非对称加密，就是对数据加密和解密的密钥是不同的

优点：密钥分发方便、密钥保管量少、支持数字签名。
缺点：加密速度慢（计算量大，不适合加密大数据）、数据膨胀率高。

每个实体有两个密钥：公钥公开，私钥自己保存

公钥加密，私钥解密，可实现保密通信
私钥加密，公钥解密，可实现数字签名

常见的非对称加密算法如下：(看到要能知道属于非对称密码)

RSA：512位（或1024位）密钥，计算量极大，难破解。
Elgamal、ECC（椭圆曲线算法）、背包算法、Rabin、DH等。

密码分类

记忆

例题

解析：只有RSA是大数分解问题，其他都是离散对数问题

RSA基于大整数因子分解问题
SM2算法基于椭圆曲线
Elgamal和ECC椭圆曲线密码基于离散对数问题

混合密码

混合密码：发送方用对称密钥加密需要发送的消息，再用接收方的公钥加密对称密钥，然后一起发送给接收方，接收方先用自己的私钥解密得到对称密钥，然后用对称密钥解密得到明文。

国产加密算法－SM系列

《中华人民共和国密码法》密码分为核心密码、普通密码和商用密码，实行分类管理。

核心密码、普通密码用于保护国家秘密信息，属于国家秘密，由密码管理部门依法实行严格统一管理。

商用密码用于保护不属于国家秘密的信息，公民、法人可用。国产密码算法如下(记忆)：

算法名称	算法特征描述
SM1	对称加密，分组长度和密钥长度都为128比特
SM2	非对称加密，用于公钥加密算法、密钥交换协议、数字签名算法（椭圆曲线问题）
SM3	杂凑算法（哈希），分组512位，输出杂凑值长度为256位
SM4	对称加密，分组长度和密钥长度都为128比特
SM9	标识密码算法，支持公钥加密、密钥交换、数字签名等安全功能

1、4对称；2、9非对称；3哈希
记忆各自秘钥长度

国密算法

SM2是我国自主研发的一种非对称密码算法，密钥长度为256位，包括SM2-1椭圆曲线数字签名算法、SM2-2椭圆曲线密钥交换协议和SM2-3椭圆曲线公钥加密算法，分别用于实现数字签名、密钥协商和数据加密等功能。与RSA算法相比，SM2算法的密码复杂度高、处理速度快、机器性能消耗更小，其性能更优更安全。

SM4算法是我国自主研发的分组对称密码算法，主要用于数据加密，分组长度与密钥长度均为128bit。加密算法与密钥扩展算法均采用32轮非线性迭代结构，以字(32位)为单位进行加密运算，每次选代运算均为一轮变换函数F。