第2章 數(shù)據(jù)加密與認(rèn)證

【項(xiàng)目要點(diǎn)】

公鑰和私鑰密碼體制。

數(shù)字簽名。

數(shù)字證書。

身份認(rèn)證。

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

掌握密碼學(xué)的有關(guān)概念。

了解常見的古典密碼加密技術(shù)。

掌握對稱加密算法和公開密鑰算法在網(wǎng)絡(luò)安全中的具體應(yīng)用。

掌握數(shù)字簽名技術(shù)、數(shù)字證書技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

掌握Hash算法的原理及應(yīng)用。

掌握PGP加密系統(tǒng)的工作原理以及各種典型應(yīng)用。

2.1 密碼學(xué)基礎(chǔ)

　　密碼學(xué)是一門既古老又新興的學(xué)科，它自古以來就在軍事和外交舞臺上擔(dān)當(dāng)著重要角色。長期以來，密碼技術(shù)作為一種保密手段，本身也處于秘密狀態(tài)，只被少數(shù)人或組織掌握。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)密碼學(xué)得到了前所未有的重視并迅速普及和發(fā)展起來，它已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域主要的研究方向。

2.1.1 加密的起源

　　早在4000多年以前，在古埃及的尼羅河畔，一位擅長書寫者在貴族的墓碑上書寫銘文時(shí)有意用變形的象形文字而不是普通的象形文字來撰寫銘文，這是史載的最早的密碼形式。

　　羅馬“歷史之父”希羅多德以編年史的形式記載了公元前5世紀(jì)希臘和波斯間的沖突，其中介紹到正是由一種叫隱寫術(shù)的技術(shù)才使希臘免遭波斯暴君薛西斯一世征服的厄運(yùn)。薛西斯做了足足5年的戰(zhàn)爭準(zhǔn)備，計(jì)劃于公元前480年對希臘發(fā)動(dòng)一場出其不意的進(jìn)攻。但是波斯的蠢蠢野心被一名逃亡在外的希臘人德馬拉圖斯注意到了，他決定給斯巴達(dá)帶去消息以告誡他們薛西斯的侵犯企圖�？蓡栴}是消息該怎樣送出而不被波斯士兵發(fā)現(xiàn)。他利用一副已上蠟的可折疊刻寫板，先將消息刻寫在木板的背面，再涂上蠟蓋住消息，這樣刻寫板看上去沒寫任何字。最終希臘人得到了消息，并提前做好了戰(zhàn)爭準(zhǔn)備，致使薛西斯的侵略妄想破滅。德馬拉圖斯的保密做法與中國古人有異曲同工之妙。中國古人將信息寫在小塊絲綢上，塞進(jìn)一個(gè)小球，再用蠟封上，然后再讓信使吞下這個(gè)蠟球以保證消息安全。

　　最早將現(xiàn)代密碼學(xué)概念運(yùn)用于實(shí)際的人是愷撒大帝(尤利烏斯·愷撒，公元前100年－前44年)。他不相信負(fù)責(zé)他和他手下將領(lǐng)通信的傳令官，因此他發(fā)明了一種簡單的加密算法將信件加密，后來被稱為“愷撒密碼(也稱凱撒密碼)”。當(dāng)愷撒說：“Hw wx，Euxwh！”而不是“Et tu，Brute！”(“你這畜生！”)時(shí)，他的心腹會(huì)懂得他的意思。值得注意的是，大約2000年后，聯(lián)邦將軍A.S.約翰遜和皮埃爾·博雷加德在希洛戰(zhàn)斗中再次使用過這種簡易密碼。愷撒密碼是將字母按字母表的順序排列，并且最后一個(gè)字母與第一個(gè)字母相連。加密方法是將明文中的每個(gè)字母用其后面的第3個(gè)字母代替，就變成了密文。一般，明文使用小寫字母，密文使用大寫字母。例如：

m e e t a t t o n i g h t

愷撒密碼是

P H H W D W W R Q L J K W

　　以英文為例，愷撒密碼的代替表如表2-1所示。

表2-1 愷撒密碼代替表

　　千百年來，人們運(yùn)用自己的智慧創(chuàng)造出形形色色的編寫密碼的方法，下面介紹幾種簡易的密碼方案。

　　例如，給出密文

KCATTA WON

你能猜出它是什么意思嗎？我們只要將每個(gè)單詞倒過來讀，就會(huì)迅速恢復(fù)明文

attack now

　　在美國南北戰(zhàn)爭時(shí)期，軍隊(duì)中曾經(jīng)使用過下述“雙軌”式密碼，加密時(shí)先將明文寫成雙軌的形式，例如將attack now寫成

a t c n w

t a k o

　　然后按行的順序書寫即可得出密文

ATCNWTAKO

　　解密時(shí)，先計(jì)算密文中字母的總數(shù)，然后將密文分成兩半，排列成雙軌形式后按列的順序讀出即可恢復(fù)明文。

　　在第一次世界大戰(zhàn)期間，德國間諜曾經(jīng)依靠字典編寫密碼。例如100-3-16表示某字典的第100頁第3段的第16個(gè)單詞。但是，這種加密方法并不可靠，美國情報(bào)部門搜集了所有德文字典，只用了幾天時(shí)間就找出了德方所用的那一本，從而破譯了這種密碼，給德軍造成了巨大損失。

　　上面介紹了幾種簡易的密碼形式，這些早期的密碼多數(shù)應(yīng)用于軍事、外交、情報(bào)等敏感的領(lǐng)域。由于軍事、外交和情報(bào)等方面的需要，刺激了密碼學(xué)的發(fā)展。密碼編寫得好與壞，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生重大的、甚至決定性的影響。例如，第二次世界大戰(zhàn)期間，英國情報(bào)部門在一些波蘭人的幫助下，于1940年破譯了德國直至1944年還自認(rèn)為是可靠的Enigma密碼系統(tǒng)，使德方遭受重大損失。

　　計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，大大地促進(jìn)了密碼學(xué)的變革，正如德國學(xué)者T.Beth所說：“突然，現(xiàn)代密碼學(xué)從半軍事性的角落里解脫出來，一躍成為通信科學(xué)一切領(lǐng)域中的中心研究課題�！庇捎谏虡I(yè)應(yīng)用和大量計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的需要，人們對數(shù)據(jù)保護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩�性越來越重視，這更大地促進(jìn)了密碼學(xué)的發(fā)展與普及。

　　密碼學(xué)的發(fā)展大致可分以下幾個(gè)階段：

　　第一階段：從古代到1949年。這一時(shí)期，密碼學(xué)家往往憑直覺設(shè)計(jì)密碼，缺少嚴(yán)格的推理證明。這一階段設(shè)計(jì)的密碼稱為古典密碼。

　　第二階段：從1949—1975年。這一時(shí)期發(fā)生了兩個(gè)比較大的事件：1949年信息論大師香農(nóng)(C. E. Shannon)發(fā)表了《保密系統(tǒng)的信息理論》一文，為密碼學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)，使密碼學(xué)成為一門真正的科學(xué)；1970年由IBM研究的密碼算法DES被美國國家標(biāo)準(zhǔn)局宣布為數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，這打破了對密碼學(xué)研究和應(yīng)用的限制，極大地推動(dòng)了現(xiàn)代密碼學(xué)的發(fā)展。

　　第三階段：從1976年至今。1976年Diffie和Hellman發(fā)表的《密碼學(xué)的新方向》一文開創(chuàng)了公鑰密碼學(xué)的新紀(jì)元，在密碼學(xué)的發(fā)展史上具有里程碑的意義。

【知識拓展——比爾密碼之謎】

　　1820年1月，一陌生人騎馬來到弗吉尼亞林奇堡的華盛頓旅館。陌生人自我介紹說他叫托馬斯·杰弗遜·比爾。那年的3月底，他一聲不響地離開了這家旅館，給旅館老板莫里斯留下了一個(gè)鎖著的鐵盒。

　　莫里斯直到1845年才打開那個(gè)盒子。他在里面發(fā)現(xiàn)了兩封寫給他的信和3張寫滿數(shù)字的紙。在信中，比爾詳細(xì)敘述了他與他的伙伴在冒險(xiǎn)活動(dòng)中所發(fā)現(xiàn)的巨量黃金，并把它們藏在貝德福德縣的布法德酒館附近的一個(gè)山洞里。信中寫道，那3張難以理解的文件如用特定的密鑰破譯出，就會(huì)揭示出隱藏處的確切地點(diǎn)、貯藏處具體所藏之物以及30個(gè)冒險(xiǎn)家的姓名和地址。

　　盒子中的東西無疑勾起了莫里斯的好奇心。莫里斯在其一生余下的 19年中致力于發(fā)現(xiàn)財(cái)寶，但由于沒有那份神秘文件的密鑰而不能有任何進(jìn)展。在他臨終前的1863年，他把那只盒子的事告訴了詹姆斯·沃德。沃德起初同樣對密碼一籌莫展，直到他靈光一現(xiàn)，想到要用《獨(dú)立宣言》作為密鑰，從而破譯了比爾密碼的第二頁，推斷出下列一段文字：“我在離布法德約4英里處的貝德福德縣里的一個(gè)離地面6英尺深的洞穴或地窖中貯藏了下列物品，這些物品為各隊(duì)員——他們的名字在后面第三張紙上——公有。第一窖藏有1014磅金子，3812磅銀子，藏于1819年11月。第二窖藏有1907磅金子，1288磅銀子，另有在圣路易為確保運(yùn)輸而換得的珠寶……”

　　這段文字極大地激發(fā)起沃德的興趣，他耗盡終生去破譯其余密碼，卻一無所獲。

　　20世紀(jì)60年代，一些密碼分析界最富智慧的人組成了一個(gè)秘密協(xié)會(huì)——比爾密碼協(xié)會(huì)，他們傾其知識和才智去發(fā)現(xiàn)那堆難以捉摸的財(cái)富。計(jì)算機(jī)科學(xué)家、電腦密碼統(tǒng)計(jì)性分析的先驅(qū)卡爾·哈默就是該協(xié)會(huì)的一位著名成員，他對比爾文件中的數(shù)字的分布做了大量統(tǒng)計(jì)、試驗(yàn)，總結(jié)得出：這些數(shù)字并不是隨意寫出的，它一定隱含著一段英文信息。

　　雖然越來越多的數(shù)學(xué)家從事密碼學(xué)研究，越來越多的巨型計(jì)算機(jī)被用來編制和破譯密碼，但一個(gè)半世紀(jì)前寫成的比爾密碼——它暗示在某個(gè)地方藏有1700萬美元的財(cái)富，依然耗去了“美國最有能耐的密碼分析家至少10%的精力”。時(shí)至今日，比爾密碼仍然是一個(gè)謎。

【知識拓展——摩斯密碼】

　　摩爾斯電碼(又譯為摩斯密碼，Morse code)是一種時(shí)通時(shí)斷的信號代碼，通過不同的排列順序來表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號。它由美國人艾爾菲德·維爾于1837年發(fā)明。摩爾斯電碼是一種早期的數(shù)字化通信形式，但是它不同于現(xiàn)代只使用0和1兩種狀態(tài)的二進(jìn)制代碼，它的代碼包括5種：點(diǎn)、劃、點(diǎn)和劃之間的停頓、每個(gè)字符間短的停頓(在點(diǎn)和劃之間)、每個(gè)詞之間中等的停頓以及句子之間長的停頓。