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內(nèi)容簡介

本書系統(tǒng)地介紹了信息安全的基本原理和基本技術(shù)。全書共11章，包括信息安全的數(shù)學基礎(chǔ)，對稱密碼技術(shù)、公鑰密碼技術(shù)、消息認證與數(shù)字簽名、身份認證與訪問控制、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施、防火墻、入侵檢測和惡意代碼等內(nèi)容。本書體現(xiàn)以讀者為中心的思想。為了讓讀者充分理解每一章節(jié)內(nèi)容以及它們之間的聯(lián)系，每一章附有本章導讀，并用大量的實例幫助讀者理解重點知識和難點知識。本書可作為計算機、信息安全、通信等專業(yè)的本科生以及低年級的研究生的教材，也可作為從事與信息安全相關(guān)專業(yè)的教學、科研和工程技術(shù)人員的參考書。

編輯推薦

本書能夠深入淺出地讓讀者看透信息安全基本原理和技術(shù)，讀者能夠從教材的結(jié)構(gòu)明白信息安全的框架，每一章節(jié)能夠讓讀者了解信息安全需要解決什么問題，如何解決，為什么要這樣解決等。第3版在前兩版的基礎(chǔ)上潤色了部分內(nèi)容，使之更通俗易懂，并增加了國內(nèi)流行的加密標準。本書提供所有習題答案、PPT課件和期末試卷庫。

作者簡介

郭亞軍，博士，教授，獲得信息安全方向的博士學位，博士后也從事信息安全方向的研究，具有豐富的信息安全課程的教學和研究經(jīng)驗，發(fā)表了40多篇信息安全方面的論文，主持了多項信息安全方向的項目，并獲得7項信息安全方向的國家發(fā)明專利授權(quán)，20多項信息安全軟件著作權(quán)登記。從自己學習信息安全，到教學信息安全，作者能清楚教師和學生的需求。教材的其他作者也是一直從事信息安全的教學和科研工作。

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第3章對稱密碼技術(shù)

本章導讀

本章主要介紹對稱密碼技術(shù)及其相關(guān)的內(nèi)容，包括一些加密算法、密鑰的產(chǎn)生和密鑰的分配等。對稱密碼是一種加密密鑰和解密密鑰相同的密碼體制。對稱密碼分為分組密碼和流密碼。分組密碼每次操作(如加密和解密)是針對一個分組而言。流密碼則每次加密(或者解密)一位或者一個字節(jié)。對密碼的攻擊方法有基于密碼算法性質(zhì)的密碼分析和窮舉搜索攻擊。從發(fā)展階段來看，對稱密碼主要分為兩種： 20世紀70年代以前的對稱密碼(主要指計算機出現(xiàn)以前)和20世紀70年代以后的對稱密碼。我們稱20世紀70年代以前的對稱密碼為古典加密技術(shù)，主要使用代換或者置換技巧。20世紀70年代以后的對稱密碼則同時使用代換和置換技巧。古典加密技術(shù)分為兩類：一類是單字母代換密碼，它將明文的一個字符用相應(yīng)的一個密文字符代替。另一類是多字母代換密碼，它是對多于一個字母進行代換。單字母代換密碼又分為單表代換密碼和多表代換密碼。 DES是及時個加密標準，它與古典加密技術(shù)不一樣，DES同時使用了代換和置換兩種技巧。用56位密鑰加密64位明文。 AES是用來取代DES的高級加密標準，其結(jié)構(gòu)與DES不同，它是用128、192或者256位密鑰加密128位的分組。 SM4是我國官方公布的及時個商用密碼算法，它是一種分組對稱密碼算法，用128位密鑰加密128位的分組。 RC6是RSA公司提交給NIST的一個候選高級加密標準算法，其效率非常高。 RC4是被廣泛使用的一種同步流密碼。在密碼學中的很多場合下都要使用隨機數(shù)，安全的隨機數(shù)應(yīng)該滿足隨機性和不可預測性。密鑰分配為通信的雙方發(fā)送會話密鑰。

密碼技術(shù)是信息系統(tǒng)最重要的安全機制。密碼技術(shù)主要分為對稱密碼技術(shù)(也稱單鑰或者傳統(tǒng)密碼技術(shù))和非對稱密碼技術(shù)(也稱雙鑰或者公鑰密碼技術(shù))。在對稱密碼技術(shù)中，加密密鑰和解密密鑰相同，或者一個密鑰可以從另一個密鑰導出。而非對稱密碼技術(shù)則使用兩個密鑰，加密密鑰和解密密鑰不相同。對稱密碼技術(shù)主要使用兩種技巧：代換和置換。代換是將明文中的每個元素映射成另一個元素。置換是將明文中的元素重新排列。在20世紀70年代以前的加密技術(shù)都是對稱加密技術(shù)，并且在這些加密技術(shù)中只使用了代換或者置換技巧。這個時期的加密技術(shù)也稱為古典加密技術(shù)。在20世紀70年代以后出現(xiàn)的對稱加密技術(shù)則同時使用了代換和置換兩種技巧。這兩個階段的加密技術(shù)還有一個典型區(qū)別：古典加密技術(shù)一般將加密算法保密，而現(xiàn)代的對稱加密技術(shù)則公開加密算法，加密算法的安全性只取決于密鑰，不依賴于算法。非對稱密碼技術(shù)則產(chǎn)生于20世紀70年代。

3.1基本概念

密碼學(Cryptology)是以研究秘密通信為目的，即對所要傳送的信息采取一種秘密保護，以防止第三者對信息進行竊取的一門學科。密碼學作為數(shù)學的一個分支，包括密碼編碼學(Cryptography)和密碼分析學(Cryptanalysis)兩部分。密碼編碼學是研究加密原理與方法，使消息保密的技術(shù)和科學，它的目的是掩蓋消息內(nèi)容。密碼分析學則是研究破解密文的原理與方法。密碼分析者(Cryptanalyst)是從事密碼分析的專業(yè)人員。采用加密的方法偽裝消息，使得未授權(quán)者不可理解被偽裝的消息。被偽裝的原始消息(Message)稱為明文(Plaintext)。將明文轉(zhuǎn)換為密文的過程稱為加密(Encryption)，加了密的消息稱為密文(Ciphertext)，

圖3.1加密解密過程

而把密文轉(zhuǎn)變?yōu)槊魑牡倪^程稱為解密(Decryption)。加密解密過程如圖3.1所示。將明文轉(zhuǎn)換為密文的算法稱為密碼(Cipher)。一個加密系統(tǒng)采用的基本工作方式叫做密碼體制(Cryptosystem)。實際上在密碼學中的“系統(tǒng)或體制(System)”、“方案(Scheme)”和“算法(Algorithm)”等術(shù)語本質(zhì)上是一回事，在本書中我們也將使用這些術(shù)語。加密和解密算法通常是在一組密鑰(Key)控制下進行的，分別稱為加密密鑰和解密密鑰。如果加密密鑰和解密密鑰相同，則密碼系統(tǒng)為對稱密碼系統(tǒng)。

3.2對稱密碼模型

對稱密碼也稱傳統(tǒng)密碼，它的特點是發(fā)送方和接收方共享一個密鑰。對稱密碼分為兩類：分組密碼(Block Ciphers)和流密碼(Stream Ciphers)。分組密碼也稱為塊密碼，它是將信息分成一塊(組)，每次操作(如加密和解密)是針對一組而言。流密碼也稱序列密碼，它每次加密(或者解密)一位或者一個字節(jié)。

一個對稱密碼系統(tǒng)(也稱密碼體制)由5個部分組成。用數(shù)學符號描述為S={M，C，K，E，D}，如圖3.2所示。

圖3.2對稱密碼系統(tǒng)模型

(1) 明文空間M，表示全體明文的集合。(2) 密文空間C，表示全體密文的集合。(3) 密鑰空間K，表示全體密鑰的集合，包括加密密鑰和解密密鑰。(4) 加密算法E，表示由明文到密文的變換。(5) 解密算法D，表示由密文到明文的變換。

在發(fā)送方，對于明文空間的每個明文，加密算法在密鑰的作用下生成對應(yīng)的密文。接收方將接收的密文，用解密算法在解密密鑰的控制下變換成明文。我們可以看到加密算法有兩個輸入，一個是明文；另一個是密鑰。加密算法的輸出是密文。解密算法本質(zhì)上是加密算法的逆運行，解密算法的輸入是密文和密鑰，輸出是明文。

對明文M用密鑰K，使用加密算法E進行加密，常常表示為Ek(M)，同樣用密鑰K使用解密算法D對密文C進行解密，表示為Dk(C)。在對稱加密體制中，解密密鑰相同，有：

C=Ek(M)

M=Dk(C)=Dk(Ek(M))

從對稱密碼模型可以看到，發(fā)送方和接收方主要進行加密和解密運算，我們希望這個運算越容易越好，對于攻擊者而言，我們希望他們破譯密文的計算越難越好。因此一個好的密碼體制至少要滿足下面幾個條件。

(1) 已知明文M和加密密鑰K時，易于計算C=Ek(M)。(2) 加密算法必須足夠強大，使破譯者不能僅根據(jù)密文破譯消息，即在不知道解密密鑰K時，由密文C計算出明文M是不可行的。(3) 由于對稱密碼系統(tǒng)雙方使用相同的密鑰，因此還必須保障能夠安全地產(chǎn)生密鑰，并且能夠以安全的形式將密鑰分發(fā)給雙方。(4) 對稱密碼系統(tǒng)的安全只依賴于密鑰的保密，不依賴于加密和解密算法的保密。

3.3密碼攻擊

分析一個密碼系統(tǒng)是否安全，一般是在假定攻擊者知道所使用的密碼系統(tǒng)情況下進行分析的。一般情況下，密碼分析者可以得到密文，知道明文的統(tǒng)計特性、加密體制、密鑰空間及其統(tǒng)計特性，但不知道加密截獲的密文所用的特定密鑰。這個假設(shè)稱為Kerckhoff假設(shè)。分析一個密碼系統(tǒng)的安全性一般是建立在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上。當然，如果攻擊者不知道所使用的密碼體制，那么破譯是更難的。但是，不應(yīng)當把密碼系統(tǒng)的安全性建立在攻擊者不知道所使用的密碼體制這個前提之下。因此，在設(shè)計一個密碼系統(tǒng)時，其目的應(yīng)當是在Kerckhoff假設(shè)下達到一定的安全程度。攻擊對稱密碼體制有兩種方法：密碼分析和窮舉攻擊(Brute Force Search)。密碼分析是依賴加密算法的性質(zhì)和明文的一般特征等，試圖破譯密文得到明文或試圖獲得密鑰的過程。窮舉攻擊則是試遍所有可能的密鑰對所獲密文進行解密，直至得到正確的明文；或者用一個確定的密鑰對所有可能的明文進行加密，直到得到與所獲得的密文一致。

3.3.1窮舉攻擊窮舉攻擊是最基本的，也是比較有效的一種攻擊方法。從理論上講，可以嘗試所有的密鑰。因此只要有足夠的資源，任何密碼體制都可以用窮舉攻擊將其攻破。幸運的是，攻擊者不可能有無窮的可用的資源。窮舉攻擊的代價與密鑰大小成正比。窮舉攻擊所花費的時間等于嘗試次數(shù)乘以一次解密(加密)所需的時間。顯然可以通過增大密鑰位數(shù)或加大解密(加密)算法的復雜性來對抗窮舉攻擊。當密鑰位數(shù)增大時，嘗試的次數(shù)必然增大。當解密(加密)算法的復雜性增大時，完成一次解密(加密)所需的時間增大。從而使窮舉攻擊在實際上不能實現(xiàn)。表3.1是窮盡密鑰空間所需的時間。從表3.1中我們可以發(fā)現(xiàn)，當密鑰長度達到128位以上時，以目前的資源來說，窮舉攻擊將不會成功。