substitution加密

Ⅰ 至今仍未被破译的五个世界级密码是什么

尽管数学、语言学和计算机科学已经相当强大了，但历史上仍然有来历千奇百怪的密码难题至今仍未破解。这里我们精选了五个悬而未解的密码难题，如果你有幸破译了其中的任何一个，你都能在密码学界享有至高的荣誉。
十二宫杀手密码
1969 年 7 月 31 日，三家报社各自收到了一封密文的三分之一，密文的作者就是大名鼎鼎的十二宫杀手。十二宫杀手要求这三家报社把密文发表在报纸上，否则他将在当周周末再次杀人。三家报社只好照做。
这个密文共有 408 个符号，以后大家都习惯称它为 408 密文（408-cipher）。408 密文是十二宫杀手的第一封密信。一个星期后，一位教师和他的妻子破解了这篇密文。大卫·芬奇的电影《十二宫杀手》完整地记述了这一事件。
408 密文用的是最简单的字母替换法，所不同的是一个字母可能对应多个符号。这种加密方法可以很好地防止字频破解法，因为你可以让常用的字母对应更多的符号，保证每个符号出现的次数大致相等。不过，破解这样的密码也不是完全没有突破口，“字母 Q 后面一定是 U”等英文特点能提供不少线索。这种一对多的替换加密方法就叫做同音替换法（Homophonic Substitution Cipher）。
同年 11 月 8 日，十二宫杀手又寄出了一篇密文。这篇密文有 340 个字符，被称作 340 密文。与 408 密文不同的是，虽然大家都相信 340 密文同样使用的是同音替换加密，但直到现在 340 密文也没有解开。

CIA 的雕塑密码
1990 年，美国艺术家吉姆·桑伯恩（Jim Sanborn）花费 25 万美元，创作了一个刻满密码的雕塑作品——Kryptos。这个雕塑作品现在坐落于弗吉尼亚 CIA 的广场内。丹·布朗的悬疑小说《失落的符号》里提到了这个雕塑密码，无疑让这个密码再度名声大噪。

位于 CIA 的雕塑密码。
整个密码分为四个部分。前三个部分已被破译，其中第一、二部分是多表替换密码（polyalphabetic substitution），第三部分是置换密码（transposition cipher）。尽管 2010 年 11 月桑伯恩本人给出了一点提示，但目前第四部分仍然没有被解决。
第四部分的密文全文如下：

D'Agapeyeff 密码
1939 年，地图学专家 Alexander D'Agapeyeff 出版了一本名为 Codes and Ciphers 的密码学普及读物。在文章末尾的“难题挑战”部分，D'Agapeyeff 自己编写了一段很难的密码，目前还没有人破解出来。不过，后来 D'Agapeyeff 本人居然把加密过程给忘了，于是这段密码就变成了一个永久的谜。
密码全文如下：
75628 28591 62916 48164 91748 58464 74748 28483 81638 1817474826 26475 83828 49175 74658 37575 75936 36565 81638 1758575756 46282 92857 46382 75748 38165 81848 56485 64858 5638272628 36281 81728 16463 75828 16483 63828 58163 63630 4748191918 46385 84656 48565 62946 26285 91859 17491 72756 4657571658 36264 74818 28462 82649 18193 65626 48484 91838 5749181657 27483 83858 28364 62726 26562 83759 27263 82827 2728382858 47582 81837 28462 82837 58164 75748 58162 92000
比尔密码
梦想自己能得到一张藏宝地图，上演一段破译密码探寻宝藏的传奇故事？你的机会来了。据说，在 1820 年，一个叫做托马斯·杰斐逊·比尔（Thomas Jefferson Beale）的人在弗吉尼亚贝德福县的某个地方埋藏了大量的宝藏，随后把装有三封密信的盒子交给了一个名叫罗伯特·莫里斯（Robert Morriss）的旅店老板代为保管，之后就永久地消失了。莫里斯死前把盒子里的三份密文交给了他的朋友。这位朋友把这段故事连同密码全文一道印成了小册子，宝藏之谜就这样流传了下来。

1885 年出现的一本小册子。上述所有故事都出自这本小册子里，其真实性不得而知。
利用《独立宣言》作为密钥，可以破解出第二份密码。第二份密码中详细记录了所藏宝藏的数量，现在看来至少值 6500 万美金。这份密文中还说到，宝藏的埋藏地点详细地记在了第一份密码内，而第三份密码里则记录着宝藏的原主人。虽然各方神圣都把五花八门的手段试了个遍，但到目前为止，剩下的两份密码都还没被破解。不过，也有一些人对整个故事进行了理性的分析，认为比尔密码不过是一场骗局。
比尔密码第一部分的全文：
71,194,38,1701,89,76,11,83,1629,48,94,63,132,16,111,95,84,341975,14,40,64,27,81,139,213,63,90,1120,8,15,3,126,2018,40,74758,485,604,230,436,664,582,150,251,284,308,231,124,211,486,225401,370,11,101,305,139,189,17,33,88,208,193,145,1,94,73,416918,263,28,500,538,356,117,136,219,27,176,130,10,460,25,485,18436,65,84,200,283,118,320,138,36,416,280,15,71,224,961,44,16,40139,88,61,304,12,21,24,283,134,92,63,246,486,682,7,219,184,360,78018,64,463,474,131,160,79,73,440,95,18,64,581,34,69,128,367,460,1781,12,103,820,62,110,97,103,862,70,60,1317,471,540,208,121,890346,36,150,59,568,614,13,120,63,219,812,2160,1780,99,35,18,21,136872,15,28,170,88,4,30,44,112,18,147,436,195,320,37,122,113,6,1408,120,305,42,58,461,44,106,301,13,408,680,93,86,116,530,82,568,9102,38,416,89,71,216,728,965,818,2,38,121,195,14,326,148,234,1855,131,234,361,824,5,81,623,48,961,19,26,33,10,1101,365,92,88,181275,346,201,206,86,36,219,324,829,840,64,326,19,48,122,85,216,284919,861,326,985,233,64,68,232,431,960,50,29,81,216,321,603,14,61281,360,36,51,62,194,78,60,200,314,676,112,4,28,18,61,136,247,819921,1060,464,895,10,6,66,119,38,41,49,602,423,962,302,294,875,7814,23,111,109,62,31,501,823,216,280,34,24,150,1000,162,286,19,2117,340,19,242,31,86,234,140,607,115,33,191,67,104,86,52,88,16,80121,67,95,122,216,548,96,11,201,77,364,218,65,667,890,236,154,21110,98,34,119,56,216,119,71,218,1164,1496,1817,51,39,210,36,3,19540,232,22,141,617,84,290,80,46,207,411,150,29,38,46,172,85,19439,261,543,897,624,18,212,416,127,931,19,4,63,96,12,101,418,16,140230,460,538,19,27,88,612,1431,90,716,275,74,83,11,426,89,72,841300,1706,814,221,132,40,102,34,868,975,1101,84,16,79,23,16,81,122324,403,912,227,936,447,55,86,34,43,212,107,96,314,264,1065,323428,601,203,124,95,216,814,2906,654,820,2,301,112,176,213,71,87,96202,35,10,2,41,17,84,221,736,820,214,11,60,760
Dorabella 密码
1897 年，英国作曲家爱德华·艾尔加（Edward Elgar）给挚友多拉小姐（Miss Dora Penny）留下了一封信。这封信上写着 87 个歪歪扭扭的符号，里面明显藏着艾尔加想对多拉小姐说的话。多拉本人一直没能读懂这封信。1937 年，多拉出版了自己的回忆录，将这份密码公之于众。这个密码直到现在仍未被破解。

Ⅱ 什么是置换加密技术

加密技术包括两个元素：算法和密钥。算法是将普通的文本（或者可以理解的信息）与一串数字（密钥）的结合，产生不可理解的密文毁歼的步骤，密钥是用来对数据进行编码和解码的一纤枯冲种算法。在安全保密中，可通过适当的密钥加密技术和管理机制来保证网络的信息通讯安全。

密钥加密技术的密码体制分为对称密钥体制和非对称密钥体制两种。相应地，对数据加密的技术分为两类，即对称加密（私人密钥加密）和非对称加密（公开密钥加密）。对称加密以数据加密标准（DES，Data Encryption Standard）算法为典型代表，

非对称加密通常以RSA（Rivest Shamir Adleman）算法为代表。对称加密的加密密钥和解密密钥相同，而非对称加密的加密密钥和解密密钥不同，加密密钥可以公开而解密密钥需要保密。

(2)substitution加密扩展阅读：

数据传输加密技术的目的是对传输中的数据流加密，通常有线路加密与端—端加密两种。线路加密侧重在线路上而不考虑信源与信宿。

是对保密信息通过各线路采用不同的加密密钥提供安全保护。端—端加密指信息由发送端自动加密，并且由TCP/IP进行数据包封装，然后作为不可阅读和不可识别的数据穿过互联网，当这些信息到达目的地，将被自动重组、解密，而成为可读的数据。

数败告据存储加密技术的目的是防止在存储环节上的数据失密，数据存储加密技术可分为密文存储和存取控制两种。前者一般是通过加密算法转换、附加密码、加密模块等方法实现；后者则是对用户资格、权限加以审查和限制，防止非法用户存取数据或合法用户越权存取数据。

Ⅲ 密码学的历史

在公元前，秘密书信已用于战争之中。西洋“史学之父”希罗多德（Herodotus）的《历史》（The Histories）当中记载了一些最早的秘密书信故事。公元前5世纪，希腊城邦为对抗奴役和侵略，与波斯发生多次冲突和战争。

于公元前480年，波斯秘密集结了强大的军队，准备对雅典（Athens）和斯巴达（Sparta）发动一次突袭。希腊人狄马拉图斯在波斯的苏萨城里看到了这次集结，便利用了一层蜡把木板上的字遮盖住，送往并告知了希腊人波斯的图谋。最后，波斯海军覆没于雅典附近的沙拉米斯湾（Salamis Bay）。

由于古时多数人并不识字，最早的秘密书写的形式只用到纸笔或等同物品，随着识字率提高，就开始需要真正的密码学了。最古典的两个加密技巧是：

1、置换（Transposition cipher）：将字母顺序重新排列，例如‘help me’变成‘ehpl em’。

2、替代（substitution cipher）：有系统地将一组字母换成其他字母或符号，例如‘fly at once’变成‘gmz bu podf’（每个字母用下一个字母取代）。

(3)substitution加密扩展阅读：

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：

1、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；

2、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；

3、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；

4、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。

Ⅳ 密码学基础

​ 密码学是研究如何保护信息安全性的一门科学，涉及数学、物理、计算机、信息论、编码学、通讯技术等学科，已经在生活中得到广泛应用。

​ 密码学组成分支分为编码学和密码分析学。密码编码学主要研究对信息进行编码，实现信息的隐蔽。密码分析学主要研究加密消息的破译或消息的伪造。二者相互独立，又相互依存，在矛盾与斗争中发展，对立统一。

​ 密码学的发展历史大致可划分为三个阶段：

机密性

仅有发送方和指定的接收方能够理解传输的报文内容。窃听者可以截取到加密了的报文，但不能还原出原来的信息，即不能得到报文内容。

鉴别

发送方和接收方都应该能证实通信过程所涉及的另一方， 通信的另一方确实具有他们所声称的身份。即第三者不能冒充跟你通信的对方，能对对方的身份进行鉴别。

报文完整性

即使发送方和接收方可以互相鉴别对方，但他们还需要确保其通信的内容在传输过程中未被改变。

不可否认性

如果人们收到通信对方的报文后，还要证实报文确实来自所宣称的发送方，发送方也不能在发送报文以后否认自己发送过报文。

​ 密码体制是一个使通信双方能进行秘密通信的协议。密码体制由五要素组成，P（Plaintext明文集合），C（Ciphertext密文集合），K（Key密钥集合），E（Encryption加密算法），D（Decryption解密算法），且满足如下特性： 

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-1"> p ∈ P </script>

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-2"> c ∈ C </script>

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-3"> k1 ∈ K， k2 ∈ K </script>

<script type="math/tex; mode=display" id="MathJax-Element-6"> E_{k1}(p) = c，D_{k2}(c) = p </script>

​ 无论是用手工或机械完成的古典密码体制，还是采用计算机软件方式或电子电路的硬件方式完成的现代密码体制，其加解密基本原理都是一致的。都是基于对明文信息的替代或置换，或者是通过两者的结合运用完成的。

​ 替代（substitution cipher）：有系统地将一组字母换成其他字母或符号;

​ 例如‘help me’变成‘ifmq nf’（每个字母用下一个字母取代）。

​ 置换（Transposition cipher）：不改变字母，将字母顺序重新排列；

​ 例如‘help me’变成‘ehpl em’（两两调换位置）。

​ 密码分析者通常利用以下几种方法对密码体制进行攻击：

​ 已知明文分析法： 

知道一部分明文和其对应的密文，分析发现秘钥。

​ 选定明文分析法： 

设法让对手加密自己选定的一段明文，并获得对应的密文，在此基础上分析发现密钥。

​ 差别比较分析法: 

设法让对方加密一组差别细微的明文，通过比较他们加密后的结果来分析秘钥。

​ 无条件安全： 

无论破译者的计算能力有多强，无论截获多少密文，都无法破译明文。

​ 计算上安全：

​ 破译的代价超出信息本身的价值，破译所需的时间超出信息的有效期。

​ 任何密码系统的应用都需要在安全性和运行效率之间做出平衡，密码算法只要达到计算安全要求就具备了实用条件，并不需要实现理论上的绝对安全。1945年美国数学家克劳德·E·香农在其发布的《密码学的数学原理》中，严谨地证明了一次性密码本或者称为“弗纳姆密码”（Vernam）具有无条件安全性。但这种绝对安全的加密方式在实际操作中需要消耗大量资源，不具备大规模使用的可行性。事实上，当前得到广泛应用的密码系统都只具有计算安全性。

​ 一个好的密码体制应该满足以下两个条件：

在已知明文和密钥的情况下，根据加密算法计算密文是容易的；在已知密文和解密密钥的情况下，计算明文是容易的。

在不知道解密密钥的情况下，无法从密文计算出明文，或者从密文计算出明文的代价超出了信息本身的价值。

常见的密码算法包括:

​ 对称密码体制也称单钥或私钥密码体制，其加密密钥和解密密钥相同，或实质上等同， 即从一个易于推出另一个。

​ 优点：保密性高，加密速度快，适合加密大量数据，易于通过硬件实现； 

缺点：秘钥必须通过安全可靠的途径传输，秘钥的分发是保证安全的关键因素；

​ 常见对称密码算法：DES (密钥长度=56位)、3DES( 三个不同的密钥，每个长度56位)、AES(密钥长度128/192/256可选)、IDEA(密钥长度128位)、RC5(密钥长度可变)。

​ 根据加密方式的不同，对称密码又可以分为分组密码和序列密码。

​ 将明文分为固定长度的组，用同一秘钥和算法对每一块加密，输出也是固定长度的密文，解密过程也一样。

​ 又称为流密码，每次加密一位或一字节的明文，通过伪随机数发生器产生性能优良的伪随机序列（密钥流），用该序列加密明文消息序列，得到密文序列，解密过程也一样。

​ 非对称密码体制又称双钥或公钥密码体制，其加密密钥和解密密钥不同，从一个很难推出另一个。其中的加密密钥可以公开，称为公开密钥，简称公钥；解密密钥必须保密，称为私有密钥，简称私钥。

​ 优点：密钥交换可通过公开信道进行，无需保密。既可用于加密也可用于签名。 

缺点：加密速度不如对称密码，不适合大量数据加密，加密操作难以通过硬件实现。

​ 非对称密码体制不但赋予了通信的保密性，还提供了消息的认证性，无需实现交换秘钥就可通过不安全信道安全地传递信息，简化了密钥管理的工作量，适应了通信网的需要，为保密学技术应用于商业领域开辟了广阔的前景。

​ 常见的非对称密码算法：RSA(基于大整数质因子分解难题)、ECC(基于椭圆曲线离散对数难题)。

对非对称密码的误解 

非对称密码比对称密码更安全？ 

任何一种算法的安全都依赖于秘钥的长度、破译密码的工作量，从抗分析的角度看，没有哪一方更优越；

​ 非对称密码使对称密码成为过时技术？ 

公钥算法很慢，一般用于密钥管理和数字签名，对称密码将长期存在，实际工程中采用对称密码与非对称密码相结合。

​ 哈希函数将任意长的消息映射为一个固定长度的散列值，也称消息摘要。消息摘要可以作为认证符，完成消息认证。 

哈希是单向函数，从消息摘要来推理原消息是极为困难的。哈希函数的安全性是由发生碰撞的概率决定的。如果攻击者能轻易构造出两个不同的消息具有相同的消息摘要，那么这样的哈希函数是不可靠的。

​ 常见的哈希函数有：MD5，SHA1，HMAC。

​ 数字签名是公钥密码的典型应用，可以提供和现实中亲笔签名相似的效果，在技术上和法律上都有保证。是网络环境中提供消息完整性，确认身份，保证消息来源（抗抵赖性）的重要技术。

​ 数字签名与验证过程：

​ 发送方用哈希函数从报文文本中生成一个128位的散列值（或报文摘要），发送方用自己的私钥对这个散列值进行加密来形成自己的数字签名。然后，这个数字签名将作为报文的附件和报文一起发送给接收方。接收方收到报文后，用同样的哈希函数从原始报文中计算出散列值（或报文摘要），接着再用发送方的公钥来对报文附加的数字签名进行解密得出另一个散列值，如果两个散列值相同，那么接收方就能确认该数字签名是发送方的。通过数字签名能够实现消息的完整性和不可抵赖性。 

​ 在网络安全中，密钥的地位举足轻重

。如何安全可靠、迅速高效地分配密钥、管理密钥一直是密码学领域中的重要问题。

​ 密钥生成可以通过在线或离线的交互协商方式实现，如密码协议等 。密钥长度应该足够长。一般来说，密钥长度越大，对应的密钥空间就越大，攻击者使用穷举猜测密码的难度就越大。选择密钥时，应该避免选择弱密钥，大部分密钥生成算法采用随机过程或伪随机过程生成密钥。

​ 采用对称加密算法进行保密通信，需要共享同一密钥。通常是系统中的一个成员先选择一个秘密密钥，然后将它传送另一个成员或别的成员。X9.17标准描述了两种密钥：密钥加密密钥和数据密钥。密钥加密密钥加密其它需要分发的密钥；而数据密钥只对信息流进行加密。密钥加密密钥一般通过手工分发。为增强保密性，也可以将密钥分成许多不同的部分然后用不同的信道发送出去。

​ 密钥附着一些检错和纠错位来传输，当密钥在传输中发生错误时，能很容易地被检查出来，并且如果需要，密钥可被重传。接收端也可以验证接收的密钥是否正确。发送方用密钥加密一个常量，然后把密文的前2-4字节与密钥一起发送。在接收端，做同样的工作，如果接收端解密后的常数能与发端常数匹配，则传输无错。

​ 当密钥需要频繁的改变时，频繁进行新的密钥分发的确是困难的事，一种更容易的解决办法是从旧的密钥中产生新的密钥，有时称为密钥更新。可以使用单向函数进行更新密钥。如果双方共享同一密钥，并用同一个单向函数进行操作，就会得到相同的结果。

​ 密钥可以存储在脑子、磁条卡、智能卡中。也可以把密钥平分成两部分，一半存入终端一半存入ROM密钥。还可采用类似于密钥加密密钥的方法对难以记忆的密钥进行加密保存。

​ 密钥的备份可以采用密钥托管、秘密分割、秘密共享等方式。

​ 密钥托管：

​ 密钥托管要求所有用户将自己的密钥交给密钥托管中心，由密钥托管中心备份保管密钥（如锁在某个地方的保险柜里或用主密钥对它们进行加密保存），一旦用户的密钥丢失（如用户遗忘了密钥或用户意外死亡），按照一定的规章制度，可从密钥托管中心索取该用户的密钥。另一个备份方案是用智能卡作为临时密钥托管。如Alice把密钥存入智能卡，当Alice不在时就把它交给Bob，Bob可以利用该卡进行Alice的工作，当Alice回来后，Bob交还该卡，由于密钥存放在卡中，所以Bob不知道密钥是什么。

​ 秘密分割：

​ 秘密分割把秘密分割成许多碎片，每一片本身并不代表什么，但把这些碎片放到一块，秘密就会重现出来。

​ 秘密共享：

​ 将密钥K分成n块，每部分叫做它的“影子”，知道任意m个或更多的块就能够计算出密钥K，知道任意m-1个或更少的块都不能够计算出密钥K。秘密共享解决了两个问题：一是若密钥偶然或有意地被暴露，整个系统就易受攻击；二是若密钥丢失或损坏，系统中的所有信息就不能用了。

​ 加密密钥不能无限期使用，有以下有几个原因：密钥使用时间越长，它泄露的机会就越大；如果密钥已泄露，那么密钥使用越久，损失就越大；密钥使用越久，人们花费精力破译它的诱惑力就越大——甚至采用穷举攻击法。

​ 不同密钥应有不同有效期。数据密钥的有效期主要依赖数据的价值和给定时间里加密数据的数量。价值与数据传送率越大所用的密钥更换越频繁。如密钥加密密钥无需频繁更换，因为它们只是偶尔地用作密钥交换，密钥加密密钥要么被记忆下来，要么保存在一个安全地点，丢失该密钥意味着丢失所有的文件加密密钥。

​ 公开密钥密码应用中的私钥的有效期是根据应用的不同而变化的。用作数字签名和身份识别的私钥必须持续数年（甚至终身），用作抛掷硬币协议的私钥在协议完成之后就应该立即销毁。即使期望密钥的安全性持续终身，两年更换一次密钥也是要考虑的。旧密钥仍需保密，以防用户需要验证从前的签名。但是新密钥将用作新文件签名，以减少密码分析者所能攻击的签名文件数目。

​ 如果密钥必须替换，旧钥就必须销毁，密钥必须物理地销毁。

​ PKI是一个利用公钥加密技术为密钥和证书的管理，所设计的组件、功能子系统、操作规程等的集合，它的主要任务是管理密钥和证书，为网络用户建立安全通信信任机制。

​ 数字证书是一个包含用户身份信息、公钥信息、证书认证中心(CA)数字签名的文件。

​ 作用：数字证书是各类终端实体和最终用户在网上进行信息交流及商业活动的身份证明，在电子交易的各个缓解，交易的各方都需要验证对方数字证书的有效性，从而解决相互间的信任问题。

​ CA全称Certificate Authentication，是具备权威性的数字证书申请及签发机构。

​ CA作为PKI的核心部分，主要由注册服务器组、证书申请受理和审核机构、认证中心服务器三者组成。

​ 注册服务器：通过 Web Server 建立的站点，可为客户提供24×7 不间断的服务。客户在网上提出证书申请和填写相应的证书申请表。

​ 证书申请受理和审核机构：负责证书的申请和审核。

认证中心服务器：是数字证书生成、发放的运行实体，同时提供发放证书的管理、证书废止列表（CRL）的生成和处理等服务。

​ 通过CA可以实现以下功能：

​ 1. 接收验证最终用户数字证书的申请； 

2. 确定是否接受最终用户数字证书的申请和审批； 

3. 向申请者颁发、拒绝颁发数字证书； 

4. 接收、处理最终用户数字证书的更新； 

5. 接受最终用户数字证书的查询、撤销； 

6. 产生和发布CRL（证书废止列表）； 

7. 数字证书的归档； 

8. 密钥归档； 

9. 历史数据归档；

五、量子密码

5.1 量子计算

​ 由于量子计算技术取得了出人意料的快速发展，大量仅能抵御经典计算机暴力破解的密码算法面临被提前淘汰的困境 。

​ 非对称密码系统有效解决了对称密码面临的安全密钥交换问题，因而广泛应用于公钥基础设施、数字签名、联合授权、公共信道密钥交换、安全电子邮件、虚拟专用网以及安全套接层等大量网络通信活动之中。不幸的是，随着量子计算的发展，包括RSA密码、ECC密码以及DH密钥交换技术等非对称密码算法已经从理论上被证明彻底丧失了安全性。相对于对称密码系统还可以采取升级措施应对量子威胁，非对称密码系统必须采取全新方法进行重建 。

5.2 量子密码

​ 量子密码是以量子力学和密码学为基础，利用量子物理学中的原理实现密码体制的一种新型密码体制，与当前大多使用的经典密码体制不一样的是，量子密码利用信息载体的物理属性实现。目前量子密码用于承载信息的载体包括光子、压缩态光信号、相干态光信号等。

​ 由于量子密码体制的理论基础是量子物理定理，而物理定理是物理学家经过多年的研究与论证得出的结论，有可靠的理论依据，且不论在何时都是不会改变的，因此，理论上，依赖于这些物理定理的量子密码也是不可攻破的，量子密码体制是一种无条件安全的密码体制。

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Ⅳ 详解加密技术概念、加密方法以及应用

随着网络技术的发展，网络安全也就成为当今网络 社会 的焦点中的焦点，几乎没有人不在谈论网络上的安全问题，病毒、黑客程序、邮件炸弹、远程侦听等这一切都无不让人胆战心惊。病毒、黑客的猖獗使身处今日网络 社会 的人们感觉到谈网色变，无所适从。
但我们必需清楚地认识到，这一切一切的安全问题我们不可一下全部找到解决方案，况且有的是根本无法找到彻底的解决方案，如病毒程序，因为任何反病毒程序都只能在新病毒发现之后才能开发出来，目前还没有哪能一家反病毒软件开发商敢承诺他们的软件能查杀所有已知的和未知的病毒，所以我们不能有等网络安全了再上网的念头，因为或许网络不能有这么一日，就象“矛”与“盾”，网络与病毒、黑客永远是一对共存体。
现代的电脑加密技术就是适应了网络安全的需要而应运产生的，它为我们进行一般的电子商务活动提供了安全保障，如在网络中进行文件传输、电子邮件往来和进行合同文本的签署等。其实加密技术也不是什么新生事物，只不过应用在当今电子商务、电脑网络中还是近几年的 历史 。下面我们就详细介绍一下加密技术的方方面面，希望能为那些对加密技术还一知半解的朋友提供一个详细了解的机会！
一、加密的由来
加密作为保障数据安全的一种方式，它不是现在才有的，它产生的 历史 相当久远，它是起源于要追溯于公元前2000年（几个世纪了），虽然它不是现在我们所讲的加密技术（甚至不叫加密），但作为一种加密的概念，确实早在几个世纪前就诞生了。当时埃及人是最先使用特别的象形文字作为信息编码的，随着时间推移，巴比伦、美索不达米亚和希腊文明都开始使用一些方法来保护他们的书面信息。
近期加密技术主要应用于军事领域，如美国独立战争、美国内战和两次世界大战。最广为人知的编码机器是German Enigma机，在第二次世界大战中德国人利用它创建了加密信息。此后，由于Alan Turing和Ultra计划以及其他人的努力，终于对德国人的密码进行了破解。当初，计算机的研究就是为了破解德国人的密码，人们并没有想到计算机给今天带来的信息革命。随着计算机的发展，运算能力的增强，过去的密码都变得十分简单了，于是人们又不断地研究出了新的数据加密方式，如利用ROSA算法产生的私钥和公钥就是在这个基础上产生的。
二、加密的概念
数据加密的基本过程就是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，使其成为不可读的一段代码，通常称为“密文”，使其只能在输入相应的密钥之后才能显示出本来内容，通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。该过程的逆过程为解密，即将该编码信息转化为其原来数据的过程。
三、加密的理由
当今网络 社会 选择加密已是我们别无选择，其一是我们知道在互联网上进行文件传输、电子邮件商务往来存在许多不安全因素，特别是对于一些大公司和一些机密文件在网络上传输。而且这种不安全性是互联网存在基础——TCP/IP协议所固有的，包括一些基于TCP/IP的服务；另一方面，互联网给众多的商家带来了无限的商机，互联网把全世界连在了一起，走向互联网就意味着走向了世界，这对于无数商家无疑是梦寐以求的好事，特别是对于中小企业。为了解决这一对矛盾、为了能在安全的基础上大开这通向世界之门，我们只好选择了数据加密和基于加密技术的数字签名。
加密在网络上的作用就是防止有用或私有化信息在网络上被拦截和窃取。一个简单的例子就是密码的传输，计算机密码极为重要，许多安全防护体系是基于密码的，密码的泄露在某种意义上来讲意味着其安全体系的全面崩溃。
通过网络进行登录时，所键入的密码以明文的形式被传输到服务器，而网络上的窃听是一件极为容易的事情，所以很有可能黑客会窃取得用户的密码，如果用户是Root用户或Administrator用户，那后果将是极为严重的。
还有如果你公司在进行着某个招标项目的投标工作，工作人员通过电子邮件的方式把他们单位的标书发给招标单位，如果此时有另一位竞争对手从网络上窃取到你公司的标书，从中知道你公司投标的标的，那后果将是怎样，相信不用多说聪明的你也明白。
这样的例子实在是太多了，解决上述难题的方案就是加密，加密后的口令即使被黑客获得也是不可读的，加密后的标书没有收件人的私钥也就无法解开，标书成为一大堆无任何实际意义的乱码。总之无论是单位还是个人在某种意义上来说加密也成为当今网络 社会 进行文件或邮件安全传输的时代象征！
数字签名就是基于加密技术的，它的作用就是用来确定用户是否是真实的。应用最多的还是电子邮件，如当用户收到一封电子邮件时，邮件上面标有发信人的姓名和信箱地址，很多人可能会简单地认为发信人就是信上说明的那个人，但实际上伪造一封电子邮件对于一个通常人来说是极为容易的事。在这种情况下，就要用到加密技术基础上的数字签名，用它来确认发信人身份的真实性。
类似数字签名技术的还有一种身份认证技术，有些站点提供入站FTP和WWW服务，当然用户通常接触的这类服务是匿名服务，用户的权力要受到限制，但也有的这类服务不是匿名的，如某公司为了信息交流提供用户的合作伙伴非匿名的FTP服务，或开发小组把他们的Web网页上载到用户的WWW服务器上，现在的问题就是，用户如何确定正在访问用户的服务器的人就是用户认为的那个人，身份认证技术就是一个好的解决方案。
在这里需要强调一点的就是，文件加密其实不只用于电子邮件或网络上的文件传输，其实也可应用静态的文件保护，如PIP软件就可以对磁盘、硬盘中的文件或文件夹进行加密，以防他人窃取其中的信息。
四、两种加密方法
加密技术通常分为两大类：“对称式”和“非对称式”。
对称式加密就是加密和解密使用同一个密钥，通常称之为“Session Key ”这种加密技术目前被广泛采用，如美国政府所采用的DES加密标准就是一种典型的“对称式”加密法，它的Session Key长度为56Bits。
非对称式加密就是加密和解密所使用的不是同一个密钥，通常有两个密钥，称为“公钥”和“私钥”，它们两个必需配对使用，否则不能打开加密文件。这里的“公钥”是指可以对外公布的，“私钥”则不能，只能由持有人一个人知道。它的优越性就在这里，因为对称式的加密方法如果是在网络上传输加密文件就很难把密钥告诉对方，不管用什么方法都有可能被别窃听到。而非对称式的加密方法有两个密钥，且其中的“公钥”是可以公开的，也就不怕别人知道，收件人解密时只要用自己的私钥即可以，这样就很好地避免了密钥的传输安全性问题。
五、加密技术中的摘要函数（MAD、MAD和MAD）
摘要是一种防止改动的方法，其中用到的函数叫摘要函数。这些函数的输入可以是任意大小的消息，而输出是一个固定长度的摘要。摘要有这样一个性质，如果改变了输入消息中的任何东西，甚至只有一位，输出的摘要将会发生不可预测的改变，也就是说输入消息的每一位对输出摘要都有影响。总之，摘要算法从给定的文本块中产生一个数字签名（fingerprint或message digest），数字签名可以用于防止有人从一个签名上获取文本信息或改变文本信息内容和进行身份认证。摘要算法的数字签名原理在很多加密算法中都被使用，如SO/KEY和PIP（pretty good privacy）。
现在流行的摘要函数有MAD和MAD，但要记住客户机和服务器必须使用相同的算法，无论是MAD还是MAD，MAD客户机不能和MAD服务器交互。
MAD摘要算法的设计是出于利用32位RISC结构来最大其吞吐量，而不需要大量的替换表（substitution table）来考虑的。
MAD算法是以消息给予的长度作为输入，产生一个128位的"指纹"或"消息化"。要产生两个具有相同消息化的文字块或者产生任何具有预先给定"指纹"的消息，都被认为在计算上是不可能的。
MAD摘要算法是个数据认证标准。MAD的设计思想是要找出速度更快，比MAD更安全的一种算法，MAD的设计者通过使MAD在计算上慢下来，以及对这些计算做了一些基础性的改动来解决安全性这一问题，是MAD算法的一个扩展。
六、密钥的管理
密钥既然要求保密，这就涉及到密钥的管理问题，管理不好，密钥同样可能被无意识地泄露，并不是有了密钥就高枕无忧，任何保密也只是相对的，是有时效的。要管理好密钥我们还要注意以下几个方面：
1、密钥的使用要注意时效和次数
如果用户可以一次又一次地使用同样密钥与别人交换信息，那么密钥也同其它任何密码一样存在着一定的安全性，虽然说用户的私钥是不对外公开的，但是也很难保证私钥长期的保密性，很难保证长期以来不被泄露。如果某人偶然地知道了用户的密钥，那么用户曾经和另一个人交换的每一条消息都不再是保密的了。另外使用一个特定密钥加密的信息越多，提供给窃听者的材料也就越多，从某种意义上来讲也就越不安全了。
因此，一般强调仅将一个对话密钥用于一条信息中或一次对话中，或者建立一种按时更换密钥的机制以减小密钥暴露的可能性。
2、多密钥的管理
假设在某机构中有100个人，如果他们任意两人之间可以进行秘密对话，那么总共需要多少密钥呢？每个人需要知道多少密钥呢？也许很容易得出答案，如果任何两个人之间要不同的密钥，则总共需要4950个密钥，而且每个人应记住99个密钥。如果机构的人数是1000、10000人或更多，这种办法就显然过于愚蠢了，管理密钥将是一件可怕的事情。
Kerberos提供了一种解决这个较好方案，它是由MIT发明的，使保密密钥的管理和分发变得十分容易，但这种方法本身还存在一定的缺点。为能在因特网上提供一个实用的解决方案，Kerberos建立了一个安全的、可信任的密钥分发中心（Key Distribution Center，KDC），每个用户只要知道一个和KDC进行会话的密钥就可以了，而不需要知道成百上千个不同的密钥。
假设用户甲想要和用户乙进行秘密通信，则用户甲先和KDC通信，用只有用户甲和KDC知道的密钥进行加密 ，用户甲告诉KDC他想和用户乙进行通信，KDC会为用户甲和用户乙之间的会话随机选择一个对话密钥，并生成一个标签，这个标签由KDC和用户乙之间的密钥进行加密，并在用户甲启动和用户乙对话时，用户甲会把这个标签交给用户乙。这个标签的作用是让用户甲确信和他交谈的是用户乙，而不是冒充者。因为这个标签是由只有用户乙和KDC知道的密钥进行加密的，所以即使冒充者得到用户甲发出的标签也不可能进行解密，只有用户乙收到后才能够进行解密，从而确定了与用户甲对话的人就是用户乙。
当KDC生成标签和随机会话密码，就会把它们用只有用户甲和KDC知道的密钥进行加密，然后把标签和会话钥传给用户甲，加密的结果可以确保只有用户甲能得到这个信息，只有用户甲能利用这个会话密钥和用户乙进行通话。同理，KDC会把会话密码用只有KDC和用户乙知道的密钥加密，并把会话密钥给用户乙。
用户甲会启动一个和用户乙的会话，并用得到的会话密钥加密自己和用户乙的会话，还要把KDC传给它的标签传给用户乙以确定用户乙的身份，然后用户甲和用户乙之间就可以用会话密钥进行安全的会话了，而且为了保证安全，这个会话密钥是一次性的，这样黑客就更难进行破解了。同时由于密钥是一次性由系统自动产生的，则用户不必记那么多密钥了，方便了人们的通信。
七、数据加密的标准
随着计算机硬件的速度越来越快，制造一台这样特殊的机器的花费已经降到了十万美元左右，而用它来保护十亿美元的银行，那显然是不够保险了。另一方面，如果只用它来保护一台普通服务器，那么DES确实是一种好的办法，因为黑客绝不会仅仅为入侵一个服务器而花那么多的钱破解DES密文。
另一种非常着名的加密算法就是RSA了，RSA(Rivest-Shamir-Adleman)算法是基于大数不可能被质因数分解假设的公钥体系。简单地说就是找两个很大的质数。一个对外公开的为“公钥”（Prblic key） ，另一个不告诉任何人，称为"私钥”（Private key）。这两个密钥是互补的，也就是说用公钥加密的密文可以用私钥解密，反过来也一样。
假设用户甲要寄信给用户乙，他们互相知道对方的公钥。甲就用乙的公钥加密邮件寄出，乙收到后就可以用自己的私钥解密出甲的原文。由于别人不知道乙的私钥，所以即使是甲本人也无法解密那封信，这就解决了信件保密的问题。另一方面，由于每个人都知道乙的公钥，他们都可以给乙发信，那么乙怎么确信是不是甲的来信呢？那就要用到基于加密技术的数字签名了。
甲用自己的私钥将签名内容加密，附加在邮件后，再用乙的公钥将整个邮件加密（注意这里的次序，如果先加密再签名的话，别人可以将签名去掉后签上自己的签名，从而篡改了签名）。这样这份密文被乙收到以后，乙用自己的私钥将邮件解密，得到甲的原文和数字签名，然后用甲的公钥解密签名，这样一来就可以确保两方面的安全了。
八、加密技术的应用
加密技术的应用是多方面的，但最为广泛的还是在电子商务和VPN上的应用，下面就分别简叙。
1、在电子商务方面的应用
电子商务（E-business）要求顾客可以在网上进行各种商务活动，不必担心自己的信用卡会被人盗用。在过去，用户为了防止信用卡的号码被窃取到，一般是通过电话订货，然后使用用户的信用卡进行付款。现在人们开始用RSA（一种公开/私有密钥）的加密技术，提高信用卡交易的安全性，从而使电子商务走向实用成为可能。
许多人都知道NETSCAPE公司是Internet商业中领先技术的提供者，该公司提供了一种基于RSA和保密密钥的应用于因特网的技术，被称为安全插座层（Secure Sockets Layer，SSL）。
也许很多人知道Socket，它是一个编程界面，并不提供任何安全措施，而SSL不但提供编程界面，而且向上提供一种安全的服务，SSL3.0现在已经应用到了服务器和浏览器上，SSL2.0则只能应用于服务器端。
SSL3.0用一种电子证书（electric certificate）来实行身份进行验证后，双方就可以用保密密钥进行安全的会话了。它同时使用“对称”和“非对称”加密方法，在客户与电子商务的服务器进行沟通的过程中，客户会产生一个Session Key，然后客户用服务器端的公钥将Session Key进行加密，再传给服务器端，在双方都知道Session Key后，传输的数据都是以Session Key进行加密与解密的，但服务器端发给用户的公钥必需先向有关发证机关申请，以得到公证。
基于SSL3.0提供的安全保障，用户就可以自由订购商品并且给出信用卡号了，也可以在网上和合作伙伴交流商业信息并且让供应商把订单和收货单从网上发过来，这样可以节省大量的纸张，为公司节省大量的电话、传真费用。在过去，电子信息交换（Electric Data Interchange，EDI）、信息交易（information transaction）和金融交易（financial transaction）都是在专用网络上完成的，使用专用网的费用大大高于互联网。正是这样巨大的诱惑，才使人们开始发展因特网上的电子商务，但不要忘记数据加密。
2、加密技术在VPN中的应用
现在，越多越多的公司走向国际化，一个公司可能在多个国家都有办事机构或销售中心，每一个机构都有自己的局域网LAN（Local Area Network），但在当今的网络 社会 人们的要求不仅如此，用户希望将这些LAN连结在一起组成一个公司的广域网，这个在现在已不是什么难事了。
事实上，很多公司都已经这样做了，但他们一般使用租用专用线路来连结这些局域网 ，他们考虑的就是网络的安全问题。现在具有加密/解密功能的路由器已到处都是，这就使人们通过互联网连接这些局域网成为可能，这就是我们通常所说的虚拟专用网（Virtual Private Network ，VPN）。当数据离开发送者所在的局域网时，该数据首先被用户湍连接到互联网上的路由器进行硬件加密，数据在互联网上是以加密的形式传送的，当达到目的LAN的路由器时，该路由器就会对数据进行解密，这样目的LAN中的用户就可以看到真正的信息了。