信息安全专业密码学课程教学方式革新探索

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汗薛
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1 份认证码身现代密码学实验课程简介密码学课程是高校信息安全本科专业的核心课程和主干课程, 而且是一门典型的理论与实践相结合的课程, 密码算法的实现以及密码技术的应用都有很强的实践性现代密码学课程与其他工科专业基础课相比具有跨学科难度大理论性和应用性强的特点学生可以通过实验来加强对理论知识的掌握, 并且培养实践动手能力因此, 密码学实验教学是密码学课程的重要实践环节哈尔滨工程大学已经为计算机科学与技术专业本科生开设了多轮的密码学课程, 并将依托信息安全专业加大力度进行密码学课程建设考虑到授课对象的计算机学科背景, 以及密码学特别是基本密码算法在信息安全中的应用越来越广泛, 设置相应的实验内容变得十分必要我们依据保密特色信心安全专业的人才培养目标和高等学校信息安全专业指导性专业规范, 建立了现代密码学实验课程体系, 如图 1 所示密码学概念密码体算码分法典密制古分组密码 DES 组密码的概念流密码流密码型流密码性移位寄存的概念线器序列典Hash 函数的概念常用Hash 函数Hash 函数公钥密码 RSA 公钥密码的概念密码密码协议密码协议码协议的安的概念密全问数字签名 RSA 数字签名的概念数字签名认证认证息认证的概念消密钥管理密钥管理钥密码的密钥管理称密码的密的概念对钥管理公涉密文件访问控制系统文件保密传输系统古典密码算法实验 DES 对称加密算法实验 RC4 序列密码算法实验 MD5 Hash 算法实验 RSA 公钥加密算法实验文件加密解密工具可认证密钥协商协议验证型设计型综合型密码学虚拟实验软件版权保护系统研究创新型图 1 现代密码学实验课程体系框架 1

2 现代密码学实验项目简介表 1 给出了每个实验项目的名称类型及实验目的与要求表 1 现代密码学实验项目实验项目名称实验内容要求概要实验类型实验学时实验性质古典密码实验 DES 对称加密算法实验 RC4 序列密码算法实验 MD5 Hash 算法实验 RSA 公钥加密算法实验文件加密解密工具可认证密钥协商协议密码学虚拟实验编程实现经典的代替密码算法和置换密码, 包括移位密码维吉尼亚密码周期置换密码列置换密码编码实现 DES 算法, 输出各个部件运算结果, 分析 DES 算法的实现过程, 对文本数据或文件进行加密 / 解密编程实现 RC4 算法, 元素个数可以为 8 或者 3 对文本数据或一个文件进行加密 / 解密, 分析实验结果编程实现 MD5 算法, 计算一个文本数据的 Hash 值篡改文本数据, 再重新计算其 Hash 值, 分析实验结果编程实现 RSA 算法, 可采用 miracl 大数库实现对文本数据或一个文件进行加密 / 解密, 分析实验结果采用多种加密算法对文件进行加密和解密, 分组模式 ECB/CBC/CFB/OFB 可选支持大文件的加密解密, 要求界面友好编程实现 Diffie Hellman 协议, 再此基础上, 实现身份认证, 使协议能够抵抗中间人攻击在虚拟实验平台上, 完成若干虚拟实验项目, 例如椭圆曲线加密算法和多方密钥协商协议等验证型 2 必做设计型 2 必做设计型 2 必做设计型 2 必做设计型 2 必做综合型 4 选做综合型 4 选做综合型 8 选做涉密文件访问控制系统编程实现涉密文件的访问控制, 实现身份认证文件的保密性和完整性, 界面友好研究创新型 8 选做文件保密传输系统编程实现文件的加密 / 解密, 实现文件的网络传输保证文件的机密性和完整性研究创新型 8 选做软件版权保护系统编程实现软件程序的保护, 实现软件的数字签名和访问控制, 界面友好研究创新型 8 选做 2

3 现代密码学实验指导实验一古典密码算法实验一实验目的 (1) 掌握密码学基础知识, 包括明文密文密钥加密和解密等基本概念 (2) 掌握古典密码基础知识, 掌握代替密码算法和置换密码基本原理 (3) 掌握移位密码维吉尼亚密码周期置换密码列置换密码的基本原理 (4) 熟悉编程环境, 掌握古典密码算法的编程实现方法二实验内容编程实现移位密码维吉尼亚密码周期置换密码列置换密码算法, 分别用这些加密算法对文本数据进行加密, 更换不同的密钥, 查看加密后的密文的变化要求上述密码算法最后的实现程序提供加密和解密两个接口函数 :int encrypt(char* plain, char* cipher, char * key) 和 int decrypt(char* plain, char* cipher, char * key), 当加密或解密成功时返回 CRYPT OK, 失败时返回 CRYPT ERROR 三实验环境运行 Windows 或 Linux 操作系统的 PC 机, 具有 gcc(linux) VC(Windows) 等 C 语言编译环境四实验原理在密码编码体制中有两种最基本也是最古老的编码体制一直沿用至今, 它们是代替密码和置换密码, 其历史悠久并且是现代密码体制的基本组成部分, 在密码学中占有重要地位代替 (Substitution) 是古典密码中最基本的处理技巧, 就是将明文字母由其他字母表中的字母替换的一种方法代替密码 (Substitution Cipher) 就是使用代替法进行加解密的密码算法代替密码的密钥是一个替换表, 它表示了明文字母与密文字母的对应关系加密时, 通过查表, 明文字母被逐个替换后, 生成看似无任何意义的字母串, 即密文解密时, 逆向使用替换表, 将密文字母逐个替换为明文字母按照一个明文字母是否总是被一个固定的字母代替进行划分, 代替密码可分为两类 : (1) 单表代替密码 (Monoalphabetic Substitution Cipher): 明文中出现的同一个字母, 不管它出现在什么位置, 在加密时都用相同的字母来代替移位密码就是单表代替密码 3

4 (2) 多表代替密码 (Polyalphabetic Substitution Cipher): 明文中出现的同一个字母, 在加密时不是完全被相同的字母代替, 而会根据其出现的位置次序用不同的字母代替维吉利亚密码就是多表代替密码 1. 移位密码原理详见实验指导书 2. 维吉尼亚密码详见实验指导书 3. 周期置换密码详见实验指导书 4. 列置换密码五实验任务和步骤 (1) 根据实验原理部分对移位密码的介绍, 自己创建明文信息, 并选择一个密钥, 编写移位密码的实现程序, 实现加密和解密操作 (2) 根据实验原理部分对维吉尼亚密码的介绍, 自己创建明文信息, 并选择一个密钥, 编写维吉尼亚密码的实现程序, 实现加密和解密操作 (3) 根据实验原理部分对周期置换密码的介绍, 自己创建明文信息, 并选择一个密钥, 编写周期置换密码的实现程序, 实现加密和解密操作 (4) 根据实验原理部分对列置换密码的介绍, 自己创建明文信息, 并选择一个密钥, 编写列置换密码的实现程序, 实现加密和解密操作六实验报告要求 (1) 给出移位密码维吉尼亚密码周期置换密码列置换密码算法源代码并进行核心代码的注释与分析 (2) 按照实验内容要求任务与步骤, 记录实验过程分析实验结果 (3) 要求报告逻辑清楚层次分明图文并茂分析全面版面整洁 4

5 实验二 DES 对称加密算法实验一实验目的 (1) 掌握对称密码学基础知识和现代分组密码算法基本原理 (2) 掌握 DES 算法基本概念和原理 (2) 熟练掌握 DES 算法各部件的运算原理和具体运算过程 (3) 熟悉编程环境, 掌握 DES 算法的编程实现方法二实验内容编程实现 DES 算法, 对文本数据或文件进行加密和解密, 分析加密解密过程, 更换不同的密钥, 观察并分析加密和解密过程中每一步运算的结果具体要求如下 : (1) 使用提供的程序对一个文件进行加密和解密, 提交程序代码和执行结果 (2) 使用提供的程序对输入的十六进制数加密 ( 把输入的字符转化成整数例如, 输入两个字符 1F, 转化成二进制数 ), 比较输入和输出当把输入的数改变一个位时 ( 如把 1F 变为 1E), 比较输出的变化, 并说明原因三实验环境运行 Windows 或 Linux 操作系统的 PC 机, 具有 gcc(linux) VC(Windows) 等 C 语言编译环境四实验原理根据密钥间的关系, 密码算法可分对称密码和非对称密码根据对明文的处理方式不同, 对称密码算法又可分为流密码 ( 或称为序列密码 ) 和分组密码一次只对明文中的单个比特 ( 有时对字节 ) 运算的密码称为流密码 (Stream Cipher) 对明文的一组比特进行运算, 这些比特组称为分组, 相应的密码称为分组密码 (Block Cipher) 1973 年, 美国国家标准局 (NBS) 开始征集一种标准的数据加密标准算法 (DES), 以用于非机密性政府机构商业部门和民间的对非机密的敏感数据进行加密 DES 是一种对称密码算法, 流程如图 2-1 所示, 包括三大步骤 : (1) 初始置换将输入的 64 位的明文进行初始置换 IP 然后, 将变换后的数据平分成各 32 位的左右两部分, 左部分记为 L 0, 右部分记为 R 0 (2)16 轮的轮变换对 R 0 实行在轮子密钥 K 1 ( 轮子密钥由密钥扩展算法产生 ) 控制下的变换 f, 结果记为 f(r 0,K 1 ), 再与 L 0 做按位异或运算, 其结果记为 R 1,R 0 则直接作为下一轮的 L 1, 如此循环 16 轮, 得到预输出结果 R 16 L 16 1

6 (3) 逆初始置换对 R 16 L 16 组合后的 64 位预输出结果实行逆初始置换 IP -1, 得到 64 位密文解密算法与加密算法基本相同, 不同之处仅在于轮子密钥的使用顺序逆序, 即解密的第 1 轮子密钥为加密的第 16 轮子密钥, 解密的第 2 轮子密钥为加密的第 15 轮子钥,, 解密的第 16 轮子密钥为加密的第 1 轮子密钥 DES 基本原理和实现过程详见实验指导书图 2-1 DES 加解密流程图 2

7 五实验任务和步聚详见实验指导书六实验报告要求 (1) 给出 DES 算法源代码并进行核心代码的注释与分析 (2) 按照实验内容要求任务与步骤, 记录实验过程分析实验结果 (3) 要求报告逻辑清楚层次分明图文并茂分析全面版面整洁 3

8 实验三 RC4 序列密码算法实验一实验目的 (1) 掌握序列密码密码算法基本原理 (2) 掌握 RC4 算法的基本概念和原理 (3) 熟悉编程环境, 掌握 RC4 的编程实现方法二实验内容编程实现 RC4 算法, 对文本数据或文件进行加密解密改变密钥序列, 观察分析加密解密结果具体要求 : (1) 利用自己所编的 MD5 程序对一个文件进行处理, 计算它的 Hash 值, 提交程序代程和运算结果 (2) 微软的系统软件都有 MD5 验证, 尝试查找软件的 MD5 值同时, 在 Windows 操作系统中, 通过开始运行 sigverif 命令, 利用数字签名查找验证非 Windows 的系统软件三实验环境运行 Windows 或 Linux 操作系统的 PC 机, 具有 gcc(linux) VC(Windows) 等 C 语言编译环境四实验原理序列密码又称为流密码, 是指明文消息按字符 ( 如二元数字 ) 逐位的加密的一类密码算法序列密码的工作原理如图 3-1 所示, 左边是明文序列 m, 上边是密钥序列 k i, 种子密钥 K 用于控制密钥序列产生器使其产生密钥序列 k i, 明文序列与密钥序列比特对比特进行模二加, 产生密文序列 c i 从右边输出解密过程与之类似图 3-1 序列密码的工作原理 4

9 RC4 是由麻省理工学院的 Rivest 开发的, 他也是 RSA 的开发者之一 RC4 的突出特点是在软件上容易实现 RC4 是一个典型的基于非线性数组变换的序列密码它以一个足够大的数组为基础, 对其进行非线性变换, 产生非线性的密钥序列, 一般把这个大数组成 S 盒 RC4 的 S 盒的大小根据参数 n 的值变化, 理论上来说,RC4 算法可以生成总数为 N 2n 个元素的 S 盒通常 n=8, 此时, 可以生成共有 256 个元素的数组 S RC4 的每个输出都是数组 S 中的一个元素 RC4 基本原理和实现方法详见实验指导书五实验任务和步聚详见实验指导书六实验报告要求 (1) 给出 RC4 算法源代码并进行核心代码的注释与分析 (2) 按照实验内容要求任务与步骤, 记录实验过程分析实验结果 (3) 要求报告逻辑清楚层次分明图文并茂分析全面版面整洁 5

10 实验四 MD5 Hash 算法实验一实验目的 (1) 掌握 Hash 函数基本概念和原理 (2) 掌握 MD5 算法的基本概念和原理 (3) 熟悉编程环境, 掌握 MD5 的编程实现方法二实验内容编程实现 MD5 算法, 利用 MD5 算法计算文本数据或文件的 Hash 值, 改变文本数据或文件数据的若干位, 重新计算 Hash 值, 分析实验结果三实验环境运行 Windows 或 Linux 操作系统的 PC 机, 具有 gcc(linux) VC(Windows) 等 C 语言编译环境四实验原理 Hash 函数是将任意长的数据块转换成一个较短的定长输出数字串的函数, 输出的结果称为 Hash 值 Hash 函数具有如下特点 : (1) 快速性 : 对于任意一个输入值 x, 由 Hash 函数 H(x), 计算 Hash 值 y, 即 y=h(x), 是非常容易的 (2) 单向性 : 对于任意一个输入值 y, 希望反向推出输入值 x, 使得 y=h(x), 是非常困难的 (3) 无碰撞性 : 对任意给定的数据块 x, 希望找到一个 y, 满足 H(y)=H(x), 且 x y, 具有计算的不可行性 Hash 函数可用于数字签名消息的完整性检测消息源认证等现在常用的 Hash 算法有 MD5 SHA-1 等下面从 MD5 入手来介绍 Hash 算法的实现机制 MD 系统单向散列函数是由 Ron Rivest 设计的,MD5 算法对任意长度的输入值处理后产生 128 位的输出值 MD5 算法原理和实现过程详见实验指导书需要额外说明的是,2004 年 8 月, 在 Crypto 2004 国际密码学会议上, 山东大学王小云教授的研究成果证实了 MD5 算法存在碰撞性, 即不同的输入值经过 MD5 转换可以产生相同的输出值这一发现意味着采用 MD5 算法的数字签名完整性检验等信息安全应用系统将不再安全了, 这就促使信息安全系统的设计者尽快去寻找和探索新的 Hash 算法 6

11 五实验任务和步聚详见实验指导书六实验报告要求 (1) 给出 MD5 算法源代码并进行核心代码的注释与分析 (2) 按照实验内容要求任务与步骤, 记录实验过程分析实验结果并分析 MD5 的安全性 (3) 要求报告逻辑清楚层次分明图文并茂分析全面版面整洁 7

12 实验五 RSA 公钥加密算法实验一实验目的 (1) 掌握公钥密码学基本概念和原理 (2) 掌握公钥密码算法 RSA 的基本概念和原理 (3) 熟悉编程环境, 掌握 RSA 的编程实现方法二实验内容编程实现 DES 算法, 对文本数据或文件进行加密和解密, 分析加密解密过程, 更换不同的密钥, 观察并分析加密和解密结果三实验环境运行 Windows 或 Linux 操作系统的 PC 机, 具有 gcc(linux) VC(Windows) 等 C 语言编译环境四实验原理 RSA 公钥加密算法是 1977 年由 Ron Rivest Adi Shamirh 和 Len Adleman 在 ( 美国麻省理工学院 ) 开发的 RSA 取名来自开发他们三者的名字 RSA 是目前最有影响力的公钥加密算法, 它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击, 已被 ISO 推荐为公钥数据加密标准 RSA 算法基于一个十分简单的数论事实 : 将两个大素数相乘十分容易, 但那时想要对其乘积进行因式分解却极其困难, 因此可以将乘积公开作为加密密钥 1.RSA 的密钥生成 RSA 的算法涉及三个参数,n e d 其中,n 是两个大质数 p q 的积,n 的二进制表示时所占用的位数, 就是所谓的密钥长度鉴于现代对于大整数分解的水平不断增强, 一般 P Q 的取值都要求在 1024 位以上 e 和 d 是一对相关的值,e 可以任意取, 但要求 e 与 (p-1)*(q-1) 互质 ; 再选择 d, 要求 :(e*d)mod((p-1)*(q-1))=1 <n,e> <n,d> 就是密钥对一般将前者当作公钥, 后者作为私钥使用 2.RSA 加密 / 解密过程 RSA 加解密和解密的算法完全相同, 设 A 为明文,B 为密文, 则 : A=B^e mod n;b=a^d mod n; e 和 d 可以互换使用, 即 : 8

13 A=B^d mod n;b=a^e mod n; 五实验任务和步聚详见实验指导书六实验报告要求 (1) 给出 RSA 算法源代码并进行核心代码的注释与分析阐明 RSA 密钥生成以及加密解密流程 (2) 按照实验内容要求任务与步骤, 记录实验过程分析实验结果 (3) 要求报告逻辑清楚层次分明图文并茂分析全面版面整洁 9

RSA 图为 RSA 公开密钥算法的发明人, 从左到右 Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman. 照片摄于 1978 年裴士辉 QQ:

RSA 图为 RSA 公开密钥算法的发明人, 从左到右 Ron Rivest, Adi Shamir, Leonard Adleman. 照片摄于 1978 年裴士辉 QQ:168159305 RSA 的数论基础质数 ( 素数 ) (prime number) 一个大于 1 的自然数, 除了 1 和它本身以外不再有其他的因数, 那么这个数为素数 ; 否则称为合数最小的质数是目前为止, 人们未找到一个公式可求出所有质数