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出版者:科学出版社

作者:全国计算机信息高新技术考试教材编写委员会

出品人:

页数:348

译者:

出版时间:2004-6-1

价格:30.00元

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787030130501

丛书系列:

图书标签:

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《现代密码学原理与实践》 内容简介 本书深入探讨了现代密码学的核心理论、算法及其在信息安全领域的实际应用。从信息论基础出发，系统阐述了对称加密、非对称加密、散列函数、数字签名以及更复杂的密钥管理和安全协议设计。全书结构严谨，内容覆盖面广，旨在为读者构建一个坚实而全面的密码学知识体系。 第一部分：密码学基础与信息论 第一章：信息安全基础与密码学概述 本章首先界定了信息安全的 CIA 三元组（机密性、完整性、可用性），并概述了密码学在实现这些目标中的核心作用。我们将追溯密码学的发展历程，从古典密码（如凯撒密码、维吉尼亚密码）的局限性，引出信息时代对更强数学基础的需求。本章还会介绍信息论的基本概念，特别是香农的理论，包括熵（Entropy）的概念，它是衡量信息不确定性和密码强度客观标准的基础。我们讨论了完美保密性的理论极限——一次性密码本（One-Time Pad）的原理及其在实际应用中的不可行性，从而自然地过渡到计算安全性的研究范畴。 第二章：古典密码学分析与代数基础 本章深入剖析了古典密码的结构和破解方法。重点分析了频率分析（Frequency Analysis）如何有效地破解基于替换和换位的密码。随后，我们将转向代数基础，这是现代密码学的基石。详细介绍有限域（Finite Fields，Galois Fields，$ ext{GF}(p)$ 和 $ ext{GF}(2^m)$）的构造及其在分组密码中的应用，特别是多项式运算和模运算的性质。群论和环论的基础知识也将被引入，为理解公钥密码的复杂数学难题奠定基础。 第二部分：对称加密系统 第三章：分组密码的设计原理 本章聚焦于对称加密的核心——分组密码（Block Ciphers）。我们将详细解析 Feistel 结构和 SPN（Substitution-Permutation Network）结构，这是目前主流分组密码的设计范式。通过对这些结构的深入理解，读者可以洞察算法设计中的安全性和效率权衡。本章将探讨扩散（Diffusion）和混淆（Confusion）这两个保证密码强度的关键原则。 第四章：数据加密标准（DES）与高级加密标准（AES） 本章首先对里程碑式的 DES 算法进行剖析，包括其 16 轮的 Feistel 结构、S-盒（S-Boxes）的设计哲学，并讨论其安全性局限性（如 56 位密钥长度）。随后，我们将重点分析当前全球标准 AES（Rijndael 算法）。AES 采用的 SPN 结构，涉及字节替换（SubBytes，使用逆元操作）、行移位（ShiftRows）、列混淆（MixColumns，基于有限域矩阵乘法）和轮密钥加（AddRoundKey）等操作，将进行详尽的数学推导和流程分解。 第五章：分组密码的工作模式 即使最安全的加密算法也必须以某种方式操作，本章阐述了如何使用分组密码对任意长度的消息进行加密。详细介绍五种主要的工作模式：电子密码本模式（ECB）、密文分组链接模式（CBC）、密文反馈模式（CFB）、输出反馈模式（OFB）以及最现代的、适用于认证加密的计数器模式（CTR）。每种模式的安全性、并行处理能力、错误传播特性以及对初始化向量（IV）依赖性的区别将被清晰对比。 第六章：流密码及其实现 与分组密码相对，本章介绍流密码（Stream Ciphers）的工作原理，即一次生成一个比特（或字节）的密钥流（Keystream）与明文异或。重点分析基于线性反馈移位寄存器（LFSR）的密钥流生成器，并讨论其周期性和线性复杂度的概念。接着，我们将研究更安全的同步和自同步流密码，例如 A5/1 和 Salsa20/ChaCha20 等现代流密码的设计理念和抗侧信道攻击的考量。 第三部分：公钥密码学（非对称加密） 第七章：数论基础与大数运算 公钥密码依赖于计算上难以逆转的数学难题。本章为理解 RSA、Diffie-Hellman 和椭圆曲线密码学做准备，系统回顾必要的数论知识：欧拉定理、模幂运算、扩展欧几里得算法求逆元，以及费马小定理。重点阐述大整数算术库（如 GMP）在实现安全通信中的重要性。 第八章：RSA 算法及其安全性 RSA 作为第一个被广泛应用的公钥密码系统，其安全性建立在对大整数进行质因数分解的难度上。本章详细解析 RSA 的密钥生成、加密和解密过程。安全分析部分将深入讨论小指数攻击、广播攻击、选择明文攻击以及如何通过填充方案（如 OAEP）来抵御各种针对性攻击。 第九章：离散对数问题与基于交换的协议 本章转向基于离散对数问题（DLP）的密码系统。首先介绍 Diffie-Hellman 密钥交换协议，解释其如何允许双方在不安全的信道上建立共享密钥。随后，探讨 ElGamal 加密系统。本章还将涉及更高效的密码学原语——椭圆曲线密码学（ECC）。我们将介绍有限域上的椭圆曲线定义、点加法运算，以及在 ECC 中离散对数问题（ECDLP）的计算难度，解释为何 ECC 提供了更高的安全性与更短的密钥长度。 第四部分：完整性、认证与数字签名 第十章：散列函数与消息认证码 散列函数（Hash Functions）是构建完整性和身份验证的基础。本章深入分析散列函数的关键特性：原像不可逆性、第二原像不可逆性和碰撞抵抗性。详细研究 MD5 的缺陷和 SHA-1 的淘汰趋势，重点讲解 SHA-2 和 SHA-3（Keccak）的结构差异和安全优势。在此基础上，介绍消息认证码（MAC），特别是基于散列的消息认证码（HMAC）的构造及其在防止篡改中的作用。 第十一章：数字签名算法 数字签名提供了数据来源的真实性和不可否认性。本章详细介绍基于 RSA 的签名（RSASSA-PKCS1 v1.5 和 PSS）和基于椭圆曲线的签名（ECDSA）。签名过程中的关键步骤，如消息摘要的生成、签名生成和验证，将通过严谨的数学步骤进行阐述。讨论签名方案的安全性、效率以及防止签名的重放攻击。 第十二章：密钥管理与证书体系 密码系统需要有效的密钥管理才能发挥作用。本章讨论密钥的生命周期管理：生成、分发、存储、更新和销毁。重点介绍公钥基础设施（PKI）的概念，包括证书颁发机构（CA）、证书的结构（X.509 标准）以及证书吊销列表（CRL）和在线证书状态协议（OCSP）。 第五部分：安全协议与前沿主题 第十三章：安全传输层协议（TLS/SSL） 本章将密码学知识应用于实际通信场景，详细解析 TLS 握手过程。从客户端/服务器的身份验证、密钥交换（如 RSA、DHE-RSA、ECDHE）到数据加密传输，我们将追踪数据包的完整旅程，并分析 TLS 1.2 和最新的 TLS 1.3 在设计上的改进，特别是对前向保密性（Forward Secrecy）的支持。 第十四章：认证与授权协议 介绍现代身份验证系统中的核心协议，例如 Kerberos（基于对称密钥的认证）及其工作原理。同时，探讨基于令牌的授权机制，如 JSON Web Token (JWT) 在 Web 服务中的应用，以及它们如何结合数字签名来保证身份验证信息的真实性。 第十五章：后量子密码学（PQC）概述 面对未来量子计算机对现有公钥密码构成的威胁，本章将引入后量子密码学的研究方向。简要介绍基于格（Lattice-based）、基于编码（Code-based）、基于哈希（Hash-based）以及基于同源（Isogeny-based）的密码系统，讨论它们在抗量子攻击方面的潜力与挑战。 附录：密码学实践与工具 提供一系列常用的密码学库（如 OpenSSL、LibreSSL）的使用指南，并包含在不同编程语言中实现基本加密操作（如 AES-256-GCM 加密、HMAC-SHA256 验证）的代码示例，帮助读者将理论知识转化为实际应用能力。 本书结构力求逻辑清晰、推导严密，适合高等院校计算机科学、信息安全、通信工程等专业的本科生、研究生，以及希望深入了解现代信息安全底层机制的专业工程师和研究人员参考。它不是一本简单的“如何使用”的指南，而是旨在培养读者理解“为什么这样设计”的分析能力。

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