第二章 加密介绍

一、加密目标和术语

1.1 目标

针对计算机安全中的保密性（Confidentiality）原则，防御拦截（interception）的攻击内容，发送的信息通过钥匙（key）加密使得字面无法解读。

1.2 术语

明文（plaintext）
密文（ciphertext）
加密过程（cipher）
钥（key）
加密（encrypt/encipher）
解密（decrypt/decipher）
加密学（cryptography）
密码破解（cryptanalysis）
密码学（cryptology）

二、加密的特征要求

1. 确保加密前后的信息无损
2. 扰乱明文中的频率等统计学特征
3. 雪崩特征，一个微小的密钥或者明文信息的变化，就会引起大范围的密文变化。
4. 混乱（confusion），通过替换实现统计学特征的扰乱。
5. 扩散（diffusion），通过移位实现最大化雪崩特征。
6. 从信息安全的角度需要实现无条件安全。
7. 从计算能力的角度需要实现时间安全和代价安全，即破解花费的时间和代价远远超过了收获。

三、传统密钥加密

3.1 替换加密（substitution）

凯撒加密（Ceaser Cipher）

C = E(k,P) = (P+k) mod 26
P = D(k,C) = (C-k) mod 26

凯撒加密.png

单字母映射加密

内容：一一映射，需要通信双方预先沟通好映射表。
破解：总共有26!≈4*10^26中可能，除此之外，不同字符出现的频率是不同的，通过频率攻击（单个字符、两个字符、三个字符等）可以增加破解的概率。

双字母映射加密 Playfair

内容：使用5*5的表格进行双字母映射。

1. 如果两个字母是一样的，那么在中间填充一个不一样的字母。
2. 如果两个字母是同一行的，那么依次变为右一个。
3. 如果两个字母是同一列的，那么依次变为下一个。
4. 其他情况，第一个字母转换到（行1，列2），第二个字母转换为（行2，列1）。

破解：如果给定几百个文件，依然无法抵挡频率攻击。

多字母映射加密

Vegenere加密

内容：使用一个单词，并循环重复使用这个单词，一直到延长至和明文一样的长度，然后作为密钥和明文进行凯撒式映射。
破解：可以根据重复出现的block（由Kasiski发现）判断单词的长度。然后对于单词的每个位置分别进行频率攻击。

Vegenere改进

内容：使用一个单词，延长方式为直接将明文贴在单词后面，一直延长至和明文一样的长度，然后作为密钥和明文进行凯撒式映射。
破解：通过破解一开始的字母可以获取所有的明文内容。

One-Time Pad

内容：使用完全随机的方式生成和明文一样长度的密钥，然后与明文进行凯撒是映射。
破解：每次加密都需要生成一次不一样的随机密钥。虽然香农整明了能够实现完美的保密，但需要真实随机的生成数。

3.2 移位加密（transmission/permutation）

内容：通过给字符重新排序进行字符扰乱。
破解：字符频率特征依然保留在文本当中。

Rail Fence 加密

内容：将字符顺次循环拆分成不同的行，最后一次排列行。

行移位加密

内容：将字符顺次循环拆分成不同的行，密钥此时作为不同的列的排序，根据密钥顺序进行列排列。

3.3 多重加密（product）

单独的传统替换加密或者传统移位加密都无法确保足够的保密性。
现代加密是这两者的结合。

四、加密分析（攻击）

假设在了解加密算法的情况下，通过攻击手段得出密钥。

4.1 暴力破解

尝试所有有可能的密钥。
平均每个算法需要尝试所有密钥可能的50%才能得出正确的密钥。

4.2 破解分析

根据算法的特性进行破解。
破解分析有五种方式，难度依次递减：

1. 只有密文攻击（only-cipher）
2. 密文明文对攻击（known-plaintext）
3. 选择明文攻击（chosen-plaintext）
4. 选择密文攻击（chosen-ciphertext）
5. 选择文本攻击（chosen-text）