密码学基础
一、密码学概述
1、起源：古代岩画（全世界各地岩壁上的各种小人的图形，具有故事性，展现生活和探索的过程，叙事性强）；古文字的形成（象形文字的破译）；古代影写术（消息隐藏的应用：将信息藏于头顶，用蜡封存，隐写墨水等）；古代战争密码（外交和战争是最早使用编码和密码的两个重要领域，斯巴达密码棒）；达·芬奇密码筒（独特设计可防暴力拆解，有5个转盘，每个转盘有26个字母）。
2、古典密码：（1）代换密码：单表代换-凯撒密码：将字母进行整体移位，最多25种变换（C=M+K）k是密钥k=25；多表代换-维吉尼亚密码：构造维吉尼亚表代换字母方阵（将26个字母表连续向左移位依次，由此构成26x26的字母表方阵），由“关键字”决定选择哪个代换表（关键字是密钥的雏形），在“关键字”控制下对明文加密（为提高保密性可打乱表格法方阵的逻辑顺序，引入更复杂的关键字），此加密过程可转换成模26的加法运算；多字母代换-普莱费尔密码：基本思路将明文中双字母组合作为一个单元，并将这些单元转换为密文的双子母组合，加密的三个步骤：编制密码表，整理明文，编写密文（破译须知关键字和密钥，用二合字母的频率分析法破译）（2）置换密码又称换位密码：根据一定规则重排明文；栅格换位；矩形换位：构造任意维数的矩阵将文字进行填充，在按另一种顺序读出即可，若被截获只能猜测加密矩阵的行列数。（3）费纳姆密码：假定消息长为n的比特串，密钥长也为n的比特串，一次加密一比特，用异或运算，一次一密，信息理论上是安全的，或是无条件安全的，但是如果明文过长加密十分复杂就不具有实用性。
3、机械密码：（1）ENIGMA密码机：原理：（a）操作员在键盘上按下字母键U，U键触发电流在保密机中流动；(b)在接插板上，所有转换的字母首先在这被代换加密，如U加密为L；(c)经过插接板后，L字母电脉冲直接进入1号扰码转盘；(d)L字母电脉冲穿过扰码转盘1后到达一个不同的输出点，这也是2号扰码转盘另一个字母的输出点，每输入一个字母，1号扰码转盘会旋转一格；(e)输入字母电脉冲穿过2号扰码转盘到达一个不同的输出点，这也是3号扰码转盘上另一个字母输入点；（f）输入字母电脉冲穿过3号扰码转盘到达一个不同的输出点，到达反射器；（g）反射器和转子一样，它将一个字母连在另一个字母上，但它并不像转子那样转动；（h）因在插线板上V和S相连，此时显示板上的S指示灯就会点亮。（2）其他机械密码机：Type X Mark III,SIGABA,PURPLE,……
4、现代密码学：信息论鼻祖Claude Shannon 发表“保密系统的通信理论”，开辟用信息论研究密码学的新方向。（1）保密通信系统的数学模型：Shannon以概率统计的观点对信息源，密钥源、接收和截获的消息进行数学描述和分析，用不确定性和唯一解距离来度量密码体制的保密性，阐明了密码系统、完善保密性、纯密码、理论保密性和实际保密性等概念；（2）正确区分信息隐藏和信息保密：Shannon明确区分了信息隐藏和信息保密以及模拟保密交换和数字信号加密的不同之处；（3）密码系统与通信系统的对偶性：通信系统是对抗系统中存在的干扰，实现有效、可靠的信息传输，在密码系统中对消息m的加密交换的作用类似于向消息注入噪声，这种干扰发送者是有意为之，使敌方难于从截获的密文提取有效信息，而己方可以方便的除去干扰；（4）Shannon信息论是现代密码的理论基础：DES的发布和Diffie、Hellman发表了一篇“密码学的新研究方向”的文章将密码学带入公众视野；组合、扩散、混淆的概念由Shannon提出由古典密码发展而来（5）公钥密码学的“教父”：Shannon指出好密码的设计本质是寻求一个困难问题的解，Diffie和Hellman提出的公钥（双钥）密码体制，以及后续提出的所有双钥密码算法，如RSA、Rabin、背包、ElGamal、ECC、NTRU、多变量公钥等，都基于某个数学问题求解的困难性；（6）密码技术分支和Shannon信息论：现代密码系统中增加了主动攻击者，对系统进行干扰，采用删除、增添、伪造等想系统注入假消息，达到损人利己的目的；（7)量子密钥分发与Shannon信息论
5、密码学面临挑战：（1）云计算/存储对密码学挑战：采用云计算和云存储技术：1.用户存在云上的数据会丢失，2.长时间存储在云上的数据可能会失效；3.存储在云上的数据可能会泄密；4.存储在云上的数据可能会被恶意更改；5.存放在云上的数据可能导致个人隐私泄露；；云计算对密码的新要求：密码感知数据存在；用密码确保数据的安全性；用密码确保用户的隐私；近年提出PDP,FHE等（2）大数据对密码学的新挑战（3）物联网对密码学的新要求（4）新型计算机对密码学的挑战（5）区块链技术对密码学的新挑战
二、密码学基本概念：保密学是研究信息系统安全保密的科学
1、密码体制分类：（1）单钥密码体制：加密和解密密钥相同又称对称密码体制
(2)双钥密码体制：将加密的解密能力分开
2、密码分析：研究分析解密规律的科学，唯密文破译，已知明文破译，选择明文破译，选择密文破译；（1）穷举攻击法；（2）数学攻击法；（3）物理攻击
3、密码学理论基础:(1)整数分解又称素因数分解：任意一个大于1的自然数都可以写成素数乘积的形式（RSA）(2)模运算（3）有限域（4）欧几里得（5）中国剩余定理（6）椭圆曲线
4、国内外密码算法概览：（1）序列密码：流密码，对称密码体系，简单、低错误传播的特点（2）分组密码：将明文消息编码后的序列划分成长度为n的分组，通过密钥和算法对其进行加密运算，输出等长的密文分组，代替--置换网络，Feistel网络等结构（3）公钥密码：加密和解密使用不同的密钥，RSA公钥密码算法，Rabin公钥密码算法，ElGamal公钥密码算法椭圆曲线公钥密码算法（4）国产密码：SSF33,SM1(SCB2),SM2,SM3,SM4,SM7,SM9,祖冲之序列密码算法。
三、密码学新进展
1、身份基公钥密码：（1）身份基公钥密码：公钥密码体制，用户公钥可以为任意的比特串，用户私钥可通过可信的第三方，私钥生成中心生成（2）身份基加密：系统建立算法，密钥提取算法，加密算法，解密算法（3）身份基签名：系统建立算法，密钥提取算法，签名算法，验证算法（4）身份基公钥密码优缺点：优点：无需公钥证书，用户身份作为唯一识别其身份的公钥，加密或签名验证不需要知道除身份外的其他信息，无需证书机构，存在可信的第三方私钥生成中心向用户提供服务；缺点：私钥生成过程中用户将身份ID提交给PKG，PKG生成并颁发用户ID的私钥，恶意的PKG可能存储用户私钥的副本。
2、属性基公钥密码：（1）属性基加密：密钥和密文都与一组属性相关联，加密者根据将要加密的消息和接受者的属性构造一个加密策略，解密者才能够解密，系统中存在一个属性权威对每个用户的属性进行验证，并颁发密钥，密文生成过程可分为：密钥策略属性基加密：初始化，密钥生成，加密，解密，密文策略属性基加密：初始化，密钥生成，加密，解密（2）属性基签名：密钥策略属性基签名，签名策略属性基签名（3）属性基公钥密码的相关研究：支持属性撤销的属性基加密，访问结构隐藏的属性基加密，多权威属性基加密
3、同态密码：（1）同态密码技术的应用：安全云计算与委托计算，远程文件存储（2）优缺点：优点：密文计算无需经过密钥方，减少通信代价，又可避免每一个密文解密后再计算而花费高昂的计算费，对密文计算后解密的结果与明文进行同样运算的结果一致，保证运算的正确性；缺点：只能实现单比特加密，效率较低，大多数同态密码技术基于未论证的困难性假设，同态密码技术需要额外的消噪音算法。
4、抗量子密码:基于量子物理学的量子密码、基于生物学的DNA密码是随着基因工程和生物计算的发展而诞生、基于格的密码算法构造是建立在格的困难问题、基于量子计算机不太擅长计算的数学问题构造的密码。
5、轻量级密码：（1）轻量级密码的特性：实现的资源消耗及实现效率（2）轻量密码设计：两种方法：在现有的密码方案上进行轻量化改造，或设计一个全新轻量密码方案（3）轻量密码的性能评估：软件开销主要评估寄存器、RAM、ROM的空间使用，硬件开销则通常用等效门电路的数量显示（4）轻量密码的研究现状
四、密码学主要研究方向
1、密码理论：（1）基础：密码理论研究理论领域所基于或涉及的科学理论体系（2）对称密码设计与分析：指加、解密使用相同密钥的加密算法、认证算法（3）公钥密码设计与分析：由公开密钥不能有效求出保密密钥的密码算法（4）密码协议设计与分析：使用密码学手段、完成某项特定的任务并满足安全需求的协议（5）新型密码设计和分析
2、密码工程与应用：（1）密码芯片设计：密码芯片是具有独立密码处理功能的集成电路单元，设计内容：针对分组密码、序列密码、杂凑算法及非对称密码等不同密码体系的结构特点、密码服务器性能差异化需求、密码算法灵活应用需求、密钥实时生成需求研究；（2）密码模块设计：密码模块：实现密码运算、密码数据处理，系统配置等功能硬件、软件、固件、或他们之间组合的系统（3）密码技术应用：如何用密码技术实现对信息系统、网络通信环境和新兴信息技术应用的安全防护
3、密码安全防护：（1）密码系统安全防护：对密码系统的软硬件可能受到安全威胁，计算机环境安全问题，关键密码数据、密码资源的防护问题（2）抗攻击安全防护：研究密码芯片、密码模块、密码设备、面临的安全威胁及密码自身安全防护技术（3）密码系统测评：密码模块、软件、系统的安全分析、测试与评价技术
4、量子密码：（1）量子计算：遵循量子力学规律调控量子信息单元进行新型计算模式（2）量子密钥分配：以量子为载体，基于光纤或自由空间信道，以量子态随机调制方式在通信双方协同生成共享密钥（3）量子密码协议：利用量子纠缠、不可克隆、测不准等特性，融合各类密码应用和安全服务需求，设计基于量子物理安全的密码协议
5、密码管理：（1）密码管理理论与方法（2）密码管理工程与技术（3）密码管理政策与法治

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