密码学

密码学是研究编制密码和破译密码的技术科学。研究密码变化的客观规律,应用于编制密码以保守通信秘密的,称为编码学;应用于破译密码以获取通信情报的,称为破译学,总称密码学。

密码是通信双方按约定的法则进行信息特殊变换的一种重要保密手段。依照这些法则,变明文为密文,称为加密变换;变密文为明文,称为脱密变换。密码在早期仅对文字或数码进行加、脱密变换,随着通信技术的发展,对语音、图像、数据等都可实施加、脱密变换。

密码学是在编码与破译的斗争实践中逐步发展起来的,并随着先进科学技术的应用,已成为一门综合性的尖端技术科学。它与语言学、数学、电子学、声学、信息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。它的现实研究成果,特别是各国政府现用的密码编制及破译手段都具有高度的机密性。

进行明密变换的法则,称为密码的体制。指示这种变换的参数,称为密钥。它们是密码编制的重要组成部分。密码体制的基本类型可以分为四种:错乱——按照规定的图形和线路,改变明文字母或数码等的位置成为密文;代替——用一个或多个代替表将明文字母或数码等代替为密文;密本——用预先编定的字母或数字密码组,代替一定的词组单词等变明文为密文;加乱——用有限元素组成的一串序列作为乱数,按规定的算法,同明文序列相结合变成密文。以上四种密码体制,既可单独使用,也可混合使用 ,以编制出各种复杂度很高的实用密码。

20世纪70年代以来,一些学者提出了公开密钥体制,即运用单向函数的数学原理,以实现加、脱密密钥的分离。加密密钥是公开的,脱密密钥是保密的。这种新的密码体制,引起了密码学界的广泛注意和探讨。

利用文字和密码的规律,在一定条件下,采取各种技术手段,通过对截取密文的分析,以求得明文,还原密码编制,即破译密码。破译不同强度的密码,对条件的要求也不相同,甚至很不相同。

中国古代秘密通信的手段,已有一些近于密码的雏形。宋曾公亮、丁度等编撰《武经总要》“字验”记载,北宋前期,在作战中曾用一首五言律诗的40个汉字,分别代表40种情况或要求,这种方式已具有了密本体制的特点。

1871年,由上海大北水线电报公司选用6899个汉字,代以四码数字,成为中国最初的商用明码本,同时也设计了由明码本改编为密本及进行加乱的方法。在此基础上,逐步发展为各种比较复杂的密码。

在欧洲,公元前405年,斯巴达的将领来山得使用了原始的错乱密码;公元前一世纪,古罗马皇帝凯撒曾使用有序的单表代替密码;之后逐步发展为密本、多表代替及加乱等各种密码体制。

二十世纪初,产生了最初的可以实用的机械式和电动式密码机,同时出现了商业密码机公司和市场。60年代后,电子密码机得到较快的发展和广泛的应用,使密码的发展进入了一个新的阶段。

密码破译是随着密码的使用而逐步产生和发展的。1412年,波斯人卡勒卡尚迪所编的百科全书中载有破译简单代替密码的方法。到16世纪末期,欧洲一些国家设有专职的破译人员,以破译截获的密信。密码破译技术有了相当的发展。1863年普鲁士人卡西斯基所著《密码和破译技术》,以及1883年法国人克尔克霍夫所著《军事密码学》等著作,都对密码学的理论和方法做过一些论述和探讨。1949年美国人香农发表了《秘密体制的通信理论》一文,应用信息论的原理分析了密码学中的一些基本问题。

自19世纪以来,由于电报特别是无线电报的广泛使用,为密码通信和第三者的截收都提供了极为有利的条件。通信保密和侦收破译形成了一条斗争十分激烈的隐蔽战线。

1917年,英国破译了德国外长齐默尔曼的电报,促成了美国对德宣战。1942年,美国从破译日本海军密报中,获悉日军对中途岛地区的作战意图和兵力部署,从而能以劣势兵力击破日本海军的主力,扭转了太平洋地区的战局。在保卫英伦三岛和其他许多著名的历史事件中,密码破译的成功都起到了极其重要的作用,这些事例也从反面说明了密码保密的重要地位和意义。

当今世界各主要国家的政府都十分重视密码工作,有的设立庞大机构,拨出巨额经费,集中数以万计的专家和科技人员,投入大量高速的电子计算机和其他先进设备进行工作。与此同时,各民间企业和学术界也对密码日益重视,不少数学家、计算机学家和其他有关学科的专家也投身于密码学的研究行列,更加速了密码学的发展。

现在密码已经成为单独的学科,从传统意义上来说,密码学是研究如何把信息转换成一种隐蔽的方式并阻止其他人得到它。
密码学是一门跨学科科目,从很多领域衍生而来:它可以被看做是信息理论,却使用了大量的数学领域的工具,众所周知的如数论和有限数学。
原始的信息,也就是需要被密码保护的信息,被称为明文。加密是把原始信息转换成不可读形式,也就是密码的过程。解密是加密的逆过程,从加密过的信息中得到原始信息。cipher是加密和解密时使用的算法。
最早的隐写术只需纸笔,现在称为经典密码学。其两大类别为置换加密法,将字母的顺序重新排列;替换加密法,将一组字母换成其他字母或符号。经典加密法的资讯易受统计的攻破,资料越多,破解就更容易,使用分析频率就是好办法。经典密码学现在仍未消失,经常出现在智力游戏之中。在二十世纪早期,包括转轮机在内的一些机械设备被发明出来用于加密,其中最著名的是用于第二次世界大战的密码机Enigma。这些机器产生的密码相当大地增加了密码分析的难度。比如针对Enigma各种各样的攻击,在付出了相当大的努力后才得以成功。

传统密码学

Autokey密码
置换密码
二字母组代替密码 (by Charles Wheatstone)
多字母替换密码
希尔密码
维吉尼亚密码
替换密码
凯撒密码
ROT13
仿射密码
Atbash密码
换位密码
Scytale
Grille密码
VIC密码 (一种复杂的手工密码,在五十年代早期被至少一名苏联间谍使用过,在当时是十分安全的)

对传统密码学的攻击

频率分析
重合指数

现代算法,方法评估与选择工程

标准机构

the Federal Information Processing Standards Publication program (run by NIST to produce standards in many areas to guide operations of the US Federal government; many FIPS Pubs are cryptography related, ongoing)
the ANSI standardization process (produces many standards in many areas; some are cryptography related, ongoing)
ISO standardization process (produces many standards in many areas; some are cryptography related, ongoing)
IEEE standardization process (produces many standards in many areas; some are cryptography related, ongoing)
IETF standardization process (produces many standards (called RFCs) in many areas; some are cryptography related, ongoing)
See Cryptography standards

加密组织

NSA internal evaluation/selections (surely extensive, nothing is publicly known of the process or its results for internal use; NSA is charged with assisting NIST in its cryptographic responsibilities)
GCHQ internal evaluation/selections (surely extensive, nothing is publicly known of the process or its results for GCHQ use; a pision of GCHQ is charged with developing and recommending cryptographic standards for the UK government)
DSD Australian SIGINT agency - part of ECHELON
Communications Security Establishment (CSE) — Canadian intelligence agency.

公开的努力成果

the DES selection (NBS selection process, ended 1976)
the RIPE pision of the RACE project (sponsored by the European Union, ended mid-''80s)
the AES competition (a ''break-off'' sponsored by NIST; ended 2001)
the NESSIE Project (evaluation/selection program sponsored by the European Union; ended 2002)
the CRYPTREC program (Japanese government sponsored evaluation/recommendation project; draft recommendations published 2003)
the Internet Engineering Task Force (technical body responsible for Internet standards -- the Request for Comment series: ongoing)
the CrypTool project (eLearning programme in English and German; freeware; exhaustive educational tool about cryptography and cryptanalysis)

加密散列函数 (消息摘要算法,MD算法)

加密散列函数
消息认证码
Keyed-hash message authentication code
EMAC (NESSIE selection MAC)
HMAC (NESSIE selection MAC; ISO/IEC 9797-1, FIPS and IETF RFC)
TTMAC 也称 Two-Track-MAC (NESSIE selection MAC; K.U.Leuven (Belgium) & debis AG (Germany))
UMAC (NESSIE selection MAC; Intel, UNevada Reno, IBM, Technion, & UCal Davis)
MD5 (系列消息摘要算法之一,由MIT的Ron Rivest教授提出; 128位摘要)
SHA-1 (NSA开发的160位摘要,FIPS标准之一;第一个发行发行版本被发现有缺陷而被该版本代替; NIST/NSA 已经发布了几个具有更长''摘要''长度的变种; CRYPTREC推荐 (limited))
SHA-256 (NESSIE 系列消息摘要算法, FIPS标准之一180-2,摘要长度256位 CRYPTREC recommendation)
SHA-384 (NESSIE 列消息摘要算法, FIPS标准之一180-2,摘要长度384位; CRYPTREC recommendation)
SHA-512 (NESSIE 列消息摘要算法, FIPS标准之一180-2,摘要长度512位; CRYPTREC recommendation)
RIPEMD-160 (在欧洲为 RIPE 项目开发, 160位摘要;CRYPTREC 推荐 (limited))
Tiger (by Ross Anderson et al)
Snefru
Whirlpool (NESSIE selection hash function, Scopus Tecnologia S.A. (Brazil) & K.U.Leuven (Belgium))

公/私钥加密算法(也称 非对称性密钥算法)

ACE-KEM (NESSIE selection asymmetric encryption scheme; IBM Zurich Research)
ACE Encrypt
Chor-Rivest
Diffie-Hellman (key agreement; CRYPTREC 推荐)
El Gamal (离散对数)
ECC(椭圆曲线密码算法) (离散对数变种)
PSEC-KEM (NESSIE selection asymmetric encryption scheme; NTT (Japan); CRYPTREC recommendation only in DEM construction w/SEC1 parameters) )
ECIES (Elliptic Curve Integrated Encryption System; Certicom Corp)
ECIES-KEM
ECDH (椭圆曲线Diffie-Hellman 密钥协议; CRYPTREC推荐)
EPOC
Merkle-Hellman (knapsack scheme)
McEliece
NTRUEncrypt
RSA (因数分解)
RSA-KEM (NESSIE selection asymmetric encryption scheme; ISO/IEC 18033-2 draft)
RSA-OAEP (CRYPTREC 推荐)
Rabin cryptosystem (因数分解)
Rabin-SAEP
HIME(R)
XTR

公/私钥签名算法

DSA(zh:数字签名;zh-tw:数位签章算法) (来自NSA,zh:数字签名;zh-tw:数位签章标准(DSS)的一部分; CRYPTREC 推荐)
Elliptic Curve DSA (NESSIE selection digital signature scheme; Certicom Corp); CRYPTREC recommendation as ANSI X9.62, SEC1)
Schnorr signatures
RSA签名
RSA-PSS (NESSIE selection digital signature scheme; RSA Laboratories); CRYPTREC recommendation)
RSASSA-PKCS1 v1.5 (CRYPTREC recommendation)
Nyberg-Rueppel signatures
MQV protocol
Gennaro-Halevi-Rabin signature scheme
Cramer-Shoup signature scheme
One-time signatures
Lamport signature scheme
Bos-Chaum signature scheme
Undeniable signatures
Chaum-van Antwerpen signature scheme
Fail-stop signatures
Ong-Schnorr-Shamir signature scheme
Birational permutation scheme
ESIGN
ESIGN-D
ESIGN-R
Direct anonymous attestation
NTRUSign用于移动设备的公钥加密算法, 密钥比较短小但也能达到高密钥ECC的加密效果
SFLASH (NESSIE selection digital signature scheme (esp for smartcard applications and similar); Schlumberger (France))
Quartz

密码鉴定

Key authentication
Public Key Infrastructure (PKI)
Identity-Based Cryptograph (IBC)
X.509
Public key certificate
Certificate authority
Certificate revocation list
ID-based cryptography
Certificate-based encryption
Secure key issuing cryptography
Certificateless cryptography

匿名认证系统

GPS (NESSIE selection anonymous identification scheme; Ecole Normale Supérieure, France Télécom, & La Poste)

秘密钥算法 (也称 对称性密钥算法)

流密码
A5/1, A5/2 (GSM移动电话标准中指定的密码标准)
BMGL
Chameleon
FISH (by Siemens AG)
二战''Fish''密码
Geheimfernschreiber (二战时期Siemens AG的机械式一次一密密码, 被布莱奇利(Bletchley)庄园称为STURGEON)
Schlusselzusatz (二战时期 Lorenz的机械式一次一密密码, 被布莱奇利(Bletchley)庄园称为[[tunny)
HELIX
ISAAC (作为伪随机数发生器使用)
Leviathan (cipher)
LILI-128
MUG1 (CRYPTREC 推荐使用)
MULTI-S01 (CRYPTREC 推荐使用)
一次一密 (Vernam and Mauborgne, patented mid-''20s; an extreme stream cypher)
Panama
Pike (improvement on FISH by Ross Anderson)
RC4 (ARCFOUR) (one of a series by Prof Ron Rivest of MIT; CRYPTREC 推荐使用 (limited to 128-bit key))
CipherSaber (RC4 variant with 10 byte random IV, 易于实现)
SEAL
SNOW
SOBER
SOBER-t16
SOBER-t32
WAKE
分组密码
分组密码操作模式
乘积密码
Feistel cipher (由Horst Feistel提出的分组密码设计模式)
Advanced Encryption Standard (分组长度为128位; NIST selection for the AES, FIPS 197, 2001 -- by Joan Daemen and Vincent Rijmen; NESSIE selection; CRYPTREC 推荐使用)
Anubis (128-bit block)
BEAR (由流密码和Hash函数构造的分组密码, by Ross Anderson)
Blowfish (分组长度为128位; by Bruce Schneier, et al)
Camellia (分组长度为128位; NESSIE selection (NTT & Mitsubishi Electric); CRYPTREC 推荐使用)
CAST-128 (CAST5) (64 bit block; one of a series of algorithms by Carlisle Adams and Stafford Tavares, who are insistent (indeed, adamant) that the name is not due to their initials)
CAST-256 (CAST6) (128位分组长度; CAST-128的后继者,AES的竞争者之一)
CIPHERUNICORN-A (分组长度为128位; CRYPTREC 推荐使用)
CIPHERUNICORN-E (64 bit block; CRYPTREC 推荐使用 (limited))
CMEA — 在美国移动电话中使用的密码,被发现有弱点.
CS-Cipher (64位分组长度)
DESzh:数字;zh-tw:数位加密标准(64位分组长度; FIPS 46-3, 1976)
DEAL — 由DES演变来的一种AES候选算法
DES-X 一种DES变种,增加了密钥长度.
FEAL
GDES —一个DES派生,被设计用来提高加密速度.
Grand Cru (128位分组长度)
Hierocrypt-3 (128位分组长度; CRYPTREC 推荐使用))
Hierocrypt-L1 (64位分组长度; CRYPTREC 推荐使用 (limited))
International Data Encryption Algorithm (IDEA) (64位分组长度-- 苏黎世ETH的James Massey & X Lai)
Iraqi Block Cipher (IBC)
KASUMI (64位分组长度; 基于MISTY1, 被用于下一代W-CDMA cellular phone 保密)
KHAZAD (64-bit block designed by Barretto and Rijmen)
Khufu and Khafre (64位分组密码)
LION (由流密码和Hash函数构造的分组密码, by Ross Anderson)
LOKI89/91 (64位分组密码)
LOKI97 (128位分组长度的密码, AES候选者)
Lucifer (by Tuchman et al of IBM, early 1970s; modified by NSA/NBS and released as DES)
MAGENTA (AES 候选者)
Mars (AES finalist, by Don Coppersmith et al)
MISTY1 (NESSIE selection 64-bit block; Mitsubishi Electric (Japan); CRYPTREC 推荐使用 (limited))
MISTY2 (分组长度为128位: Mitsubishi Electric (Japan))
Nimbus (64位分组)
Noekeon (分组长度为128位)
NUSH (可变分组长度(64 - 256位))
Q (分组长度为128位)
RC2 64位分组,密钥长度可变.
RC6 (可变分组长度; AES finalist, by Ron Rivest et al)
RC5 (by Ron Rivest)
SAFER (可变分组长度)
SC2000 (分组长度为128位; CRYPTREC 推荐使用)
Serpent (分组长度为128位; AES finalist by Ross Anderson, Eli Biham, Lars Knudsen)
SHACAL-1 (256-bit block)
SHACAL-2 (256-bit block cypher; NESSIE selection Gemplus (France))
Shark (grandfather of Rijndael/AES, by Daemen and Rijmen)
Square (father of Rijndael/AES, by Daemen and Rijmen)
3-Way (96 bit block by Joan Daemen)
TEA(小型加密算法)(by David Wheeler & Roger Needham)
Triple DES (by Walter Tuchman, leader of the Lucifer design team -- not all triple uses of DES increase security, Tuchman''s does; CRYPTREC 推荐使用 (limited), only when used as in FIPS Pub 46-3)
Twofish (分组长度为128位; AES finalist by Bruce Schneier, et al)
XTEA (by David Wheeler & Roger Needham)
多表代替密码机密码
Enigma (二战德国转轮密码机--有很多变种,多数变种有很大的用户网络)
紫密(Purple) (二战日本外交最高等级密码机;日本海军设计)
SIGABA (二战美国密码机,由William Friedman, Frank Rowlett, 等人设计)
TypeX (二战英国密码机)
Hybrid code/cypher combinations
JN-25 (二战日本海军的高级密码; 有很多变种)
Naval Cypher 3 (30年代和二战时期英国皇家海军的高级密码)
可视密码

有密级的 密码 (美国)

EKMS NSA的电子密钥管理系统
FNBDT NSA的加密窄带话音标准
Fortezza encryption based on portable crypto token in PC Card format
KW-26 ROMULUS 电传加密机(1960s - 1980s)
KY-57 VINSON 战术电台语音加密
SINCGARS 密码控制跳频的战术电台
STE 加密电话
STU-III 较老的加密电话
TEMPEST prevents compromising emanations
Type 1 products

破译密码

被动攻击
选择明文攻击
选择密文攻击
自适应选择密文攻击
暴力攻击
密钥长度
唯一解距离
密码分析学
中间相会攻击
差分密码分析
线性密码分析
Slide attack cryptanalysis
Algebraic cryptanalysis
XSL attack
Mod n cryptanalysis

弱密钥和基于口令的密码

暴力攻击
字典攻击
相关密钥攻击
Key derivation function
弱密钥
口令
Password-authenticated key agreement
Passphrase
Salt

密钥传输/交换

BAN Logic
Needham-Schroeder
Otway-Rees
Wide Mouth Frog
Diffie-Hellman
中间人攻击

伪的和真的随机数发生器

PRNG
CSPRNG
硬件随机数发生器
Blum Blum Shub
Yarrow (by Schneier, et al)
Fortuna (by Schneier, et al)
ISAAC
基于SHA-1的伪随机数发生器, in ANSI X9.42-2001 Annex C.1 (CRYPTREC example)
PRNG based on SHA-1 for general purposes in FIPS Pub 186-2 (inc change notice 1) Appendix 3.1 (CRYPTREC example)
PRNG based on SHA-1 for general purposes in FIPS Pub 186-2 (inc change notice 1) revised Appendix 3.1 (CRYPTREC example)

匿名通讯
Dining cryptographers protocol (by David Chaum)
匿名投递
pseudonymity
匿名网络银行业务
Onion Routing

法律问题

Cryptography as free speech
Bernstein v. United States
DeCSS
Phil Zimmermann
Export of cryptography
Key escrow and Clipper Chip
Digital Millennium Copyright Act
zh:数字版权管理;zh-tw:数位版权管理 (DRM)
Cryptography patents
RSA (now public domain}
David Chaum and digital cash
Cryptography and Law Enforcement
Wiretaps
Espionage
不同国家的密码相关法律
Official Secrets Act (United Kingdom)
Regulation of Investigatory Powers Act 2000 (United Kingdom)

术语

加密金钥
加密
密文
明文
加密法
Tabula recta

书籍和出版物

密码学相关书籍
《密码传奇》,赵燕枫著,北京:科学出版社,2008年4月
密码学领域重要出版物

密码学家

参见List of cryptographers

密码技术应用

Commitment schemes
Secure multiparty computations
电子投票
认证
数位签名
Cryptographic engineering
Crypto systems

杂项

Echelon
Espionage
IACR
Ultra
Security engineering
SIGINT
Steganography
Cryptographers
安全套接字层(SSL)
量子密码
Crypto-anarchism
Cypherpunk
Key escrow
零知识证明
Random oracle model
盲签名
Blinding (cryptography)
数字时间戳
秘密共享
可信操作系统
Oracle (cryptography)

免费/开源的密码系统(特指算法+协议+体制设计)

PGP (a name for any of several related crypto systems, some of which, beginning with the acquisition of the name by Network Associates, have not been Free Software in the GNU sense)
FileCrypt (an open source/commercial command line version of PGP from Veridis of Denmark, see PGP)
GPG (an open source implementation of the OpenPGP IETF standard crypto system)
SSH (Secure SHell implementing cryptographically protected variants of several common Unix utilities, First developed as open source in Finland by Tatu Ylonen. There is now OpenSSH, an open source implementation supporting both SSH v1 and SSH v2 protocols. There are also commercial implementations.
IPsec (因特网协议安全IETF标准,IPv6 IETF 标准的必须的组成部分)
Free S/WAN (IPsec的一种开源实现




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