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物联网信息安全
（第3章）
桂小林
西安交通大学电子与信息工程学院
计算机科学与技术系
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第3章 数据安全
桂小林
西安交通大学
2014-09-13
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基本概念
简单介绍密码学的知识
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密码学的基本概念
密码学（Cryptology）是一门古老的科学，大概
自人类社会出现战争便产生了密码，以后逐渐形成
一门独立的学科。第二次世界大战的爆发促进了密
码学的飞速发展，在战争期间德国人共生产了大约
10多万部“ENIGMA”密码机。
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密码学的发展历史大致可以分为三个阶段：
1）在1949年之前，是密码发展的第一阶段——古典密码体制。
古典密码体制是通过某种方式的文字置换进行，这种置换一般是通过某种
手工或机械变换方式进行转换，同时简单地使用了数学运算。虽然在古代
加密方法中已体现了密码学的若干要素，但它只是一门艺术，而不是一门
科学。
2）从1949年到1975年，是密码学发展的第二阶段。
1949年Shannon发表了题为《保密通信的信息理论》的著名论文，把密
码学置于坚实的数学基础之上，标志着密码学作为一门学科的形成，这是
密码学的第一次飞跃
3）1976年至今，W．Diffie和M．Hellman在《密码编码学新方向
》一文中提出了公开密钥的思想，这是密码学的第二次飞跃。
1977年美国数据加密标准（DES）的公布使密码学的研究公开，密码学得
到了迅速地发展。1994年美国联邦政府颁布的密钥托管加密标准（EES）
和数字签名标准（DSS）以及2001年颁布的高级数据加密标准（AES），
都是密码学发展史上一个个重要的里程碑。
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密码模型
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经典密码体制
经典密码体制（或称古典密码体制）采用手工或者
机械操作实现加解密，相对简单。回顾和研究这些
密码体制的原理和技术，对于理解、设计和分析现
代密码学仍然有借鉴意义。
变换和置换（transposition and
substitution ciphers）是两种主要的古典数据
编码方法，是组成简单密码的基础。
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1）基于变换的加密方法
变换密码是将明文字母互相换位，明文的字母保持
相同，但顺序被打乱了。
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2）基于置换的加密方法
置换密码就是明文中每一个字符被替换成密文中的另外一个字符，代替
后的各字母保持原来位置。对密文进行逆替换就可恢复出明文。有四种
类型的置换密码：
1）单表置换密码：就是明文的一个字符用相应的一个密文字符代替。
加密过程中是从明文字母表到密文字母表的一一映射。
2）同音置换密码：它与简单置换密码系统相似，唯一的不同是单个字
符明文可以映射成密文的几个字符之一，例如A可能对应于5、13、25
或56，“B”可能对应于7、19、31或42，所以，同音代替的密文并
不唯一。
3）多字母组置换密码：字符块被成组加密，例如“ABA”可能对应于
“RTQ”，ABB可能对应于“SLL”等。多字母置换密码是字母成组加
密，在第一次世界大战中英国人就采用这种密码。
4）多表置换密码：由多个简单的置换密码构成，例如，可能有5个被
使用的不同的简单置换密码，单独的一个字符用来改变明文的每个字符
的位置。
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在置换密码中，数据本身并没有改变，它只是被安排成另一
种不同的格式，有许多种不同的置换密码，有一种是用凯撒
大帝的名字Julias Caesar命名的，即凯撒密码。它的原
理是每一个字母都用其前面的第三个字母代替，如果到了最
后那个字母，则又从头开始算。字母可以被在它前面的第n
个字母所代替，在凯撒的密码中n就是3。例如：
明文：meet me after the toga party
密文：PHHW PH DIWHU WKH WRJD SDUWB
如果已知某给定密文是Caesar密码，穷举攻击是很容易实
现的，因为只要简单地测试所有25种可能的密钥即可。
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20世纪早期密码机
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现代密码学
现代密码技术的主要是指用电子技术、计算机技术等实现。
现代密码学的最重要的原则之一是“一切秘密寓于密钥之中
”，也就是说算法和其他所有参数都是可以公开的，只有密
钥匙保密的。
一个好的密码体制只通过保密密钥就能保证加密消息的安全。
加密完成后，只有知道密钥的人才能正解密。
任何人只要能够获得密钥就能解密消息，隐私密钥对于密码
系统至关重要。
密钥的传递必须通过安全的信道进行。
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1）流密码
流密码（Stream Cipher）也称序列密码，是对称密码算
法的一种。流密码具有实现简单、便于硬件实施、加解密处
理速度快、没有或只有有限的错误传播等特点，因此在实际
应用中，特别是专用或机密机构中保持着优势，典型的应用
领域包括无线通信、外交通信。
密钥流
产生器
密钥k
明文m 密文c
异或运算
