【探寻密码的奥秘】-001：解开密码的神秘面纱

1、密码学概述

1949 年香农（Shannon）发表《保密系统的通信理论》，通过将信息论引入密码学中，正式开启了密码学的大门，形成密码学科。

1.1、概念

概念：密码学是研究密码与密码活动本质和规律，以及指导密码实践的科学，主要探索密码编码和密码分析的一般规律，它是一门结合数学、计算机科学、信息通信系统等多门学科为一体的综合性学科。其主要是研究编制密码和破译密码的学科。

1.2、目的

目的：研究如何隐藏信息并把信息传递出去。
密码学是网络安全、信息安全、区块链等学科的基础。

1.3、应用场景

密码学的常见应用场景：信息通信加密解密、身份认证、消息认证、数字签名，是网络空间安全的核心技术。

2、密码学的历史

密码学是一门既年轻又古老的学科，它有着悠久而奇妙的历史。又被称为密码术或隐藏术。

2.1、第一时期：古代密码时代

从远古到第一次世界大战，这期间的密码称为古代密码。
使用的密码体制为古典密码体制，主要原理是文字内容的代替、移位和隐藏等技巧，主要应用于军事、政治和外交，通信是由信使来传递的，加密的手段是使用手工。

2.2、第二时期：机械密码时代

两次世界大战期间加密所使用的是机械密码机，因此这一时期的密码也称为机械密码。期间，研制和采用先进的密码设备，建立最严密的密码安全体系。

2.3、第三时期：信息密码时代

由于计算机的出现、信息论的产生和计算机通信网络的发展，密码学经历了一场彻底的革命，也进入信息密码时代。
将电子形式的文件转换成数字或数值符号，施以复杂的数学运算，达到数字符号的混淆、扩散和置换，实现加密、解密等各种控制的目的。传递信息的方法有无线通信、计算机网络等多种信息时代的传递方式。

2.4、第四时期：现代密码时代

1976年，美国斯坦福大学的密码专家Diffie和 Hellman发表划时代的论文——《密码学的新方向》（New Directions in Cryptography），提出密码学新的思想。该思想中不仅加密算法本身可以公开，同时用于加密消息的密钥也可以公开，这就是公钥加密。公钥密码的思想是密码发展的里程碑，实现了密码学发展史上的第二次飞跃。
随着科学的发展出现了很多新的密码技术： DNA 密码、混沌密码和量子密码等

3、密码学的基本概念

3.1、一般通信系统

在一般通信系统中，信号经过发信机的编码调制处理之后，经公开的信道传至收信机进行译码解码操作，最终将消息送至信宿。如下图所示：

缺点：在公开的信道中，信息的存储、传递与处理都是以明文形式进行运算的，很容易受到窃听、截取、篡改、伪造、假冒、重放等手段的攻击。

3.2、保密通信系统

保密通信系统是在一般通信系统中加入加密器与解密器，保证信息在传输过程中无法被其他人解读，从而有效解决信息安全问题。

3.3、加解密体制五元组

明文（Plaintext/Message）：未加密的数据或解密还原后的数据。
密文（Ciphertext）：加密后的数据。
加密（Encryption）：对数据进行密码变换以产生密文的过程。
解密（Decryption）：加密过程对应的逆过程。
加密算法（Encryption Algorithm）：对明文进行加密时所采用的一组规则。
解密算法（Decryption Algorithm）：对密文进进行解密时所采用的一组规则。
加密和解密算法的操作通常是在一组密钥控制下进行的，分别称为加密密钥和解密密钥。
一个密码体制可以描述为一个五元组(M,C,K,E,D) 它必须满足下述条件。

• (1)M是可能明文的有限集。
• (2)C是可能密文的有限集。
• (3)K是可能密钥的有限集。
• (4)E是加密有限空间集合。
• (5)D是解密有限空间集合。

实例说明：
密钥为k∈K，此时密钥需要经过安全的密钥信道由发送方传给接收方。
加密变换E_K：M→C，由加密器完成。
解密变换D_K：C→M，由解密器完成。
对于明文m∈M，发送方加密c=E_K（m），m∈M，k∈K
接收方解密m=D_K（c），c∈C，k∈K。
对于攻击者或密码分析者而言，由于不知道密钥k，无法对截获的密文c进行解密。

4、密码学基本属性

4.1、信息的机密性

信息的机密性是指保证信息不被泄露给非授权的个人、进程等实体的性质。

4.2、信息的真实性

信息的真实性是指保证信息来源可靠、没有被伪造和篡改的性质。

4.3、信息的完整性

数据的完整性是指数据没有受到非授权的篡改或破坏的性质。

4.4、抗抵赖性

行为的不可否认性也称抗抵赖性，是指一个已经发生的操作行为无法否认的性质。

5、密码体制分类

密码体制主要分为对称密码体制和非对称密码体制。

5.1、对称密码体制

对称密码体制又称单钥体制，是加密和解密使用相同密钥的密码算法。采用单钥体制的系统的保密性主要取决于密钥的保密性，与算法的保密性无关。
对称密码体制加解密过程如下图所示：

密钥可由发送方产生然后经过一个安全可靠的途径（如信使递送）送至接收方，或由第三方产生后安全可靠地分配给通信双方。

5.2、非对称密码体制

非对称密码体制也称公钥密码体制，在加密和解密过程中使用不同的方法。其中一个密钥可以公开，称为公钥，另一个密钥必须保密，称为私钥。
非对称密码体制加解密过程如下图所示：

非对称密码体制的主要特点是将加密和解密分开，因而可以实现多个用户加密的消息只能由一个用户解读，或由一个用户加密的消息而使多个用户可以解读。
非对称密码体制的另一个重要用途是数字签名。非对称密码体制不仅可以保障信息的机密性，还具有认证和不可否认性等功能。