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卷积内核

帅哥哟，离线，有人找我吗？

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密码技术（连载）

2.1 对称密码
对称密码技术也叫做单钥或常规密码技术，其包括分组密码技术和流密码技术这两个重要的分支。在公钥密码技术出现之前，它是惟一的加密类型。
2.1.1 基本原理
前不久，美国计算机安全专家又提出了一种新的安全框架，除机密性、完整性、可用性、真实性之外，又增加了实用性和占有性，认为这样才能解释各种网络安全问题。实用性是指信息加密密钥不可丢失（不是泄密），丢失了密钥的信息也就丢失了信息的实用性，成为垃圾。占有性是指存储信息的节点、磁盘等信息载体不被盗用，即对信息的占用权不能丧失。保护信息占有性的方法有使用版权、专利、商业秘密性，提供物理和逻辑的存取限制方法；维护和检查有关盗窃文件的审计记录、使用标签等。
[全屏欣赏]
对于分析者来说，可以得到加密、解密算法和从不安全的信道上得到密文C，而不能得到的是通过安全信道传输的密钥K。这样，对称密码必须满足如下要求：
● 算法要足够强大。就是说，从截获的密文或某些已知明文密文对时，计算出密钥或明文是不可行的。
● 不依赖于算法的保密，而依赖于密钥。这就是著名的Kerckhoff原则。
● 密钥空间要足够大，且加密和解密算法适用于密钥空间所有的元素。
这也是非对称密码技术必须满足的条件。除此之外，在实际运用中，发送方和接收方必须保证用安全的方法获得密钥的副本。

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事业是国家的，荣誉是单位的，成绩是领导的，工资是老婆的，财产是孩子的，错误是自己的。

2008/11/6 15:55:00

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	第2楼

2.1.2 分组密码
分组密码(BlockCipher)是一个明文分组被作为一个整体来产生一个等长的密文分组密码，通常使用的是64bit的分组大小。当前使用的许多分组加密算法几乎都基于Feistel分组密码结构。
2.1.2.1 基本原理

扩散(Diffusion)和扰乱(Confusion)是由香农引进描述任意密码系统的两个基本组成模块时提出的两个术语。这两种方法是为了挫败基于统计分析的密码破译。
扩散，就是把明文的统计结构扩散消失到密文的长程统计特性中。做到这一点的方法是让明文的每个数字影响许多密文数字的取值，也就是说，每个密文数字被许多明文数字影响。其结果是在密文中各种字母的出现频率比在明文中更接近平均；双字母组合的出现频率也更接近平均。所有分组密码都包含从明文分组到密文分组的变换，具体如何变换则依赖于密钥。扩散机制使得明文和密文之间的统计关系尽量复杂，以便挫败推测密钥的尝试。
扰乱试图使得密文的统计特性与加密密钥取值之间的关系尽量复杂，同样是为了挫败发现密钥的尝试。这样一来，即使攻击者掌握了密文的某些统计特性，由于密钥产生密文的方式非常复杂，攻击者也难于从中推测出密钥。要实现这个目的，可以使用一个复杂的替代算法，而一个简单的线性函数就起不到多少作用。
2.1.2.2 常见的分组加密算法
本节介绍经典的 “数据加密标准”(DataEncryptionStandard，DES)和抛弃了Feistel网络结构的 “高级加密算法”(AES)，同时也简要介绍了其他常见的分组加密算法。
1.数据加密标准DES
1973年5月15日，美国国家标准局NBS(NationalBureauOfStandard，现在的美国国家标准与技术局——NIST)在联邦记录(Federal Register)上发布了一条通知，征求密码算法，用于在传输和存储期间保护数据。IBM提交了一个候选算法，它是由IBM内部开发的，名为LUCIFER。在美国国家安全局NSA (NationalSecurityAgency)的协助下完成了算法评估之后，1977年7月15日，NBS采纳了LUCIFER算法的修正版作为数据加密标准DES。1994年，NIST把联邦政府使用DES的有效期延长了5年，还建议把DES用于政府或军事机密信息防护以外的其他应用。
DES是一种对二元数据进行加密的算法，将明文消息分成64bit(8B)一组进行加密。密文分组的长度也是64bit，没有数据扩展。DES使用“密钥”进行加密，从符号的角度来看，“密钥”的长度是8B(或64bit)。但是，由于某些原因，DES算法中每逢第8bit就被忽略，这造成密钥的实际大小变成56bit。DES的整个体制是公开的，系统的安全性完全依赖密钥的保密。DES算法主要包括：初始置换p，16轮迭代的乘积变换，逆初始置换ip-1以及16个密钥产生器。
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2008/11/6 16:00:00

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	第3楼

如下动画所示，在DES加密算法的一般描述的左边部分，可以看到明文的处理经过了3个阶段：第一个阶段，64bit的明文经过一个初始置换Ⅲ后，比特重排产生经过置换的输出。第二个阶段，由同一个函数的16次循环构成，这个函数本身既有置换又有替代功能。最后一个循环(第16个)的输出由64bit组成，其输出的左边和右边两个部分经过交换后就得到预输出。最后，在第三阶段，预输出通过逆初始置换ip-l生成64bit的密文。除了初始置换和逆初始置换之外，DES具有严格的Feistel密码结构。

[全屏欣赏]

动画的右半部分给出了56bit密钥的使用方式。密钥首先通过一个置换函数，接着于16个循环的每一个，都通过一个循环左移操作和一个置换操作的组合产生一个子密钥KI。对于每一个循环来说，置换函数是相同的，但由于密钥比特的重复移动，产生的子密钥并不相同。
DES的解密和加密使用相同的算法，只是将子密钥的使用次序反过来。
DES具有雪崩效应：明文或密钥的lbit的改变引起密文许多Bit的改变。如果密文的变化太小，就可能找到一种方法减小要搜索的明文和密钥空间。当密钥不变，明文产生lbit变化，在3次循环后，两个分组有21bit不同，而整个加密过程结束后，两个密文有34个位置不同。作为对比，明文不变，密钥发生lbit变化时，密文中有大约一半的Bit不同。因此，DES具有一种很强的雪崩效应，这是一个非常好的特性。
DES的强度依赖于算法自身和其使用的56bit密钥。一种攻击利用DES算法的特点使分析密码成为可能。多年来，DES已经经历了无数次寻找和利用算法弱点的尝试，成了当今研究得最多的加密算法。即使这样，仍然没有人公开宣称成功地发现了DES的致命弱点。
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2008/11/6 16:01:00

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	第4楼

然而，密钥长度是更严峻的问题。DES的密钥空间为256，如假设仅一半的密钥空间需要搜索，则一台1us完成一次DES加密的机器需要1000年才能破译DES密钥。事实却没有这么乐观，早在1977年，Diffie和Hellman就设想有一种技术可以制造出具有100万个加密设备的并行机，其中的每一个设备都可以在1lls之内完成一次加密。这样平均搜索时间就减少到lOh。在1977年，这两位作者估计这种机器在当时约价值2000万美元。到1998年7月，EFF(Electronic FrontierFoundation)宣布攻破了DES算法，他们使用的是不到25万美元的特殊“DES破译机”，这种攻击只需要不到3天的时间。
在已知密文／明文对时，密钥搜索攻击就是简单地搜索所有可能的密钥；如果没有已知的密文／明文对时，攻击者必须自己识别明文。这是一个有相当难度的工作。如果报文是以普通英语写成的，可以使用程序自动完成英语的识别。如果明文报文在加密之前做过压缩，那么识别工作就更加困难。如果报文是某种更一般的类型，如二进制文件，那么问题就更加难以自动化。因此，穷举搜索还需要一些辅助信息，这包括对预期明文的某种程度的了解和自动区分明文与乱码的某种手段。
2.三重DES
    三重DES(Triple-DES)是人们在发现DES密钥过短，易于受到蛮力攻击而提出的一种替代加密算法。三重DES最初由Tuchman提出，在1985年的ASNI标准X9.17中第一次针对金融应用进行了标准化。在1999年，三重DES合并入数据加密标准中。

    三重DES使用3个密钥，执行3次DES算法，如下动画所示。加密过程为加密一解密一加密(EDE)，可表述为如下的公式：

C ＝ EK3（DK2（EK1（M）））

解密时按密钥相反次序进行同样的操作，表述为：

M ＝ DK1（EK2（DK3（C）））

    其中，C表示密文，M表示明文，EK(X)表示使用密钥K对X进行加密，DK(X)表示使用密钥K对X进行解密。
    为了避免三重DES使用3个密钥进行三阶段加密带来的密钥过长的缺点(56X3=168bit)，Tuchman提出使用两个密钥的三重加密方法，这个方法只要求112bit密钥，即令其K1=K3：C = EK1(DK2(EK1(M)))
    三重DES的第二阶段的解密并没有密码编码学上的意义。它的惟一优点是可以使用三重DES解密原来的单次DES加密的数据，即：K1=K2=K3。

C=EK1(DKl(EKl(M)))=EKl(M)
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2008/11/6 16:03:00

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	第5楼

3.国际数据加密算法IDEA
国际数据加密算法IDEA(InternationalDataEncryptionAlgorithm)是由瑞士联邦理工学院的Xuejia Lai和James Massey开发出来的一个对称分组密码。IDEA使用的是128bit密钥。IDEA与DES的明显区别在于循环函数和子密钥生成函数的不同。对循环函数来说，IDEA不使用S盒子，而且IDEA依赖于3种不同的数学运算：XOR、16位整数的二进制加法、16位整数的二进制乘法。这些函数结合起来可以产生复杂的转换，这些转换很难分析，因此也很难进行密码分析。子密钥生成算法完全依赖于循环移位的使用，但使用方式复杂，对IDEA的8个循环中的每一个都会生成6个子密钥。
IDEA是DES最早的128bit替换中的一个，已经经历了大量的详细的审查，其安全性主要体现在：
穷举搜索破译，要求进行2128约为1038次尝试，对每秒完成100万次加密的机器，需要1013年；能抗差分分析和相关分析攻击；没有DES意义下的弱密钥。
有关对IDEA的分析有：Daeman识别了IDEA的几类弱密钥；Meier分析IDEA后认为没有捷径破译8轮IDEA；Harpes等的分析也表明IDEA在线性和差分攻击下是安全的。
4.高级加密标准AES
1997年4月15日美国国家标准技术研究所(NIST)发起征集AES(Advanced Encrypfion Standard)算法的活动，并专门成立了AES工作组，目的是为了确定一个非保密的、公开披露的、全球免费使用的分组密码算法，用于保护21世纪政府的敏感信息，也希望能够成为秘密和公开部门的数据加密标准(DES)。1997年9月12日在联邦登记处公布了征集AES候选算法的通告。AES的基本要求是，比三重DES快而且至少和三重DES一样安全。AES分组长度为128bit，密钥长度为128／192／256bit。1998年8月20日NIST召开了第一次AES候选会议，并公布了15个AES候选算法。经过一年的考察，MARS，RC6，Riindael，Serpent，Twofish共5种算法通过了第二轮的选拔。2000年10月，NIST选择由两位比利时科学家JoanDaemen和VincentRiimen提出的Riindael作为AES的算法。
Riindael算法是一种分组长度和密钥长度均可变的分组密码算法。其分组长度和密钥长度都分别可为128，192或256bit。
数据块要经过多次数据变换操作，每一次变换操作产生一个中间结果，这个中间结果叫做状态。状态可表示为二维字节数组，它有4行、片6列，其中Nb等于数据块长除以32，即Nb的可能取值为4，6或8， Nb＝6的状态分配如表2.1所示。
表2.1 Nb=6的状态分配表
a0,0 a0,1 a0,2 a0,3 a0,4 a0,5
    a1,0 a1,1 a1,2 a1,3 a1,4 a1,5
    a2,0 a2,1 a2,2 a2,3 a2,4 a2,5
    a3,0 a3,1 a3,2 a3,3 a3,4 a3,5
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2008/11/6 16:04:00

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	第6楼

数据块按…的顺序映射为状态中的字节，a0,0，a1,0，a2,0，a3,0，a0,1，a1,1，a2,1，a3,1，a0,2……即以列方式映射。在加密操作结束时，密文按同样的顺序从状态中抽取。
密钥也可类似地表示为二维字节数组，它有4行，Nk列，且Nk等于密钥块长除以32。即Nk的可能取值为4，6或8。
D算法变换的圈数Nr由付D和Nl共同决定，具体值如表2.2所示：
表2.1 Nb=6的状态分配表
a0,0 a0,1 a0,2 a0,3 a0,4 a0,5
    a1,0 a1,1 a1,2 a1,3 a1,4 a1,5
    a2,0 a2,1 a2,2 a2,3 a2,4 a2,5
    a3,0 a3,1 a3,2 a3,3 a3,4 a3,5

图2.4是AES加密算法流程图。AES加密算法包括以下几步：
● 对圈密钥的初始化
    ● Nr-1圈变换
    ● 最后一圈变换

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2008/11/6 16:05:00

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	第7楼

算法描述为：
    Rijndael(State,CipherKey){
    KeyExpansion(CipherKey,ExpandKey);
    AddRoundKey(State,ExpandedKey);
    for(i=1; i <N; i ++) Round(State,ExpandedKey + Nb*i);
    FinalRound(State,ExpandedKey + Nb * Nr); }
密钥扩展KeyExpansion：利用外部输入密钥K(密钥串的字数为Nk)，通过密钥扩展程序得到共4×(Nr+1)字的扩展密钥w[4×(Nr+1)]。
圈密钥加法AddRoundKey：圈密钥被简单地使用异或操作按位应用到状态中。圈密钥通过密钥编制得到，圈密钥长等于分组长度。
密钥编制：圈密钥通过密钥编制得到，密钥编制有两部分：密钥选择和圈密钥选择。
2.1.2.3 分组加密算法对比
表2.4列出了上一节中提到的4种算法的对比情况。
表2.4 性能对比
算法         密钥长度                 分组长度                        循环次数
DES          56                                64                                 6
三重DES    112、168                      64                                48
IDEA         128 64 8
AES         128、192、256              128                            10、12、14
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2008/11/6 16:09:00

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	第8楼

2.1.3 流密码
流密码是密码体制中一个重要分支。20世纪50年代，数字电子技术的发展使密钥可以方便地利用以移位寄存器为基础的电路来产生，这促使线性和非线性移位寄存器理论迅速发展。有效的数学工具，如代数和谱分析理论的引入，使得流密码理论迅速发展和走向较成熟的阶段。同时，由于实现简单、速度快、没有或只有有限的错误传播，使流密码在实际应用，特别是在专用和机密机构中仍保持着优势。目前，已提出多种类型的流密码，但大多是以硬件实现的专用算法，尚无标准化的流密码算法。
2.1.3.1 基本概念
流密码是将明文划分成字符(如单个字母)，或其编码的基本单元(如0、1数字)，字符分别与密钥流作用，进行加密，解密时以同步产生相同的密钥流实现，’其基本框图如下动画所示。图中，KG为密钥流生成器，A／为初始密钥。流密码强度完全依赖于密钥流产生器生成序列的随机性和不可预测性，其核心问题是密钥流生成器的设计。保持收发两端密钥的精确同步是实现可靠解密的关键技术。
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	第9楼

2.2 公钥密码
公钥密码技术是在试图解决常规加密面临的两个最突出的问题：密钥分配和数字签名的过程中发展起来的，它的发展是整个密码学历史上最大的而且也许是惟一真正的革命。
1976年，WDJf-fie和M.Heliman创造性地提出了公开密码体制。这一体制的最大特点是采用两个密钥将加密和解密分开：一个公开作为加密密钥，叫做公钥(Public Key)；一个为用户专用，作为解密密钥，叫做私钥(PrivateKey)，通信双方无须事先交换密钥就可进行保密通信。要从公钥或密文分析出明文或私钥，在计算上是不可行的。若以公钥作为加密密钥，私钥作为解密密钥，则可实现多个用户加密的消息只能由一个用户解读；反之，以私钥作为加密密钥，而以公钥作为解密密钥，则可实现由一个用户加密的消息可使多个用户解读。前者可用于保密通信，后者可用于数字签名。
公钥密码体制提出以后，人们基于不同的计算问题，提出了大量的公钥密码算法。最具代表意义的有RSA算法、DH算法、EIGammal算法和目前被视为可以代替RSA算法的椭圆曲线算法(ECC)。本节将介绍Diffie-Hellman密钥交换、RSA算法和椭圆曲线算法。
2.2.2 基本原理
公开密钥密码系统的理论基础是数论。在公开密钥算法中，加密/解密是整个算法方案的核心。Diffie和Hellman设想出了这个系统，但是却没有表明这种算法的存在性。他们给出了一个公开密钥密码系统必须满足的条件：
通信双方A和B容易通过计算产生出一对密钥(公钥KU，私钥KR)。
在知道公钥KU和待加密报文M的情况下，对于发送方A，很容易通过计算产生对应的密文：
C = EKU(M)
接收方B使用私有密钥容易通过计算解密所得的密文，以便恢复原来的报文：
M＝DKR(C)＝DKR[EKU(M)]
除A和B以外的其他人即使知道公钥KU，要确定私钥KR在计算上也是不可行的。
除A和B以外的其他人即使知道公钥KU和密文巴要想恢复原来的明文M在计算上
也是不可行的。
这些要求最终可以归结到设计一个单向陷门函数(Trapdoor One-way Function)。
单向函数·(Onc-Way Function)是满足下列条件的函数：它将一个定义域映射到值域，使得每个函数值有一个惟一的原像，同时还要满足下列条件；函数值计算很容易，而逆计算是不可行的。
在密码学中，“容易”是指一个问题可以在多项式函数时间内解决，这个多项式函数是输入长度的函数。不可行是指将一个问题的土作量作为一个函数的输入，函数值的增长速度超过多项式时间。
单项陷门函数，即除非知道某种附加的信息，否则这样的函数在一个方向上容易计算，而在另外的方向上的计算是不可行的。有了附加的信息，函数的逆就可以在多项式时间内计算出来，即有如下式子：
                     Y =fk(X) 容易，知道了K和X
                     X =f-1k(Y) 容易，知道了K和Y
                     X =f-1k(Y) 不可行，如果知道y而不知道K
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2008/11/6 16:10:00

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	第10楼

2.3 消息验证和数字签名
如果说密码技术在信息系统安全中的作用是防止对手破译系统中的机密信息，抵抗对手的被动攻击：那么，信息系统安全的另一重要方面是防止对手对系统主动攻击，如伪装、纂改、抵赖等，其中包括对消息内容、顺序和时间的伪装、篡改以及重发等。消息验证和数字签名技术是防止主动攻击的重要技术，它对于开放环境中的各种信息系统的安全性有重要作用。消息验证和数字签名技术的主要目的是：第一，验证信息的完整性，信息在传送或存储过程中未被篡改、重放或延迟等；第二，验证信息的发送者的真实性，而不是冒充的，此为实体验证，使用的主要技术为数字签名，包括信源、信宿等的认证和识别等。本节介绍消息验证和数字签名技术。
2.3.1 消息验证
可以使用如下的技术来实现消息验证技术：
● 消息加密：以整个消息的密文作为它的验证码。
● 消息验证码(MAC)：以一个消息的公共函数和一个密钥作用于消息，产生一个定长数据分组，即消息验证码，并将其附加在报文中。
● 散列函数：一个将任意长度的消息映射为定长的散列值的公共函数，以散列值作为验证码。
2.3.2 数字签名
消息验证用来保护通信双方免受第三方的攻击。然而，它无法防止通信双方的互相攻击。通信双方可能存在欺骗和抵赖。最吸引人的解决方案是数字签名。数字签名是笔迹签名的模拟。它具有如下性质：
(1)必须能够证实是作者本人的签名以及签名的日：期和时间
(2)在签名时必须能对内容进行鉴别
(3)签名必须能被第三方证实以便解决争端
数字签名有两种：一种是对整体消息的签名，它是消息经过密码变换后被签名的消息整体；另一种是对压缩消息的签名，它是附加在被签名消息之后或某一特定位置上的一段. 签名信息。若按明文和密文的对应关系划分，以上每一种中又可以分为两个子类：—类是确定性(Deterministic)数字签名，其明文与密文一一对应，对一个特定消息的签名，签名保持不变，如RSA，Rabin签名；另一类是随机化(Randomized)的或概率式数字签名，它对同一消息的签名是随机变化的，取决于签名算法中的随机参数的取值。—个明文可能有多个合法数字签名，如E1Gamal签名。一个签名体制一般包含两个组成部分，即签名算法(SignatureAlgorithm)和验证算法(VerificationAleorithm)。
数字签名和消息加密有所不同，消息加密和解密可能是一次性的，它要求在解密之前是安全的；而一个签名的消息可能会作为一个法律上的文件，如合同等，很可能在对消息签署多年之后才验证其签名，且可能需要多次验证此签名。因此，对签名的安全性和防伪造要求更高，并且要求验证速度比签名速度要快，特别是联机在线实时验证。
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2008/11/6 16:11:00

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