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第1部分 密码1

第1章 环游密码世界3

1.1 本章学习的内容4

1.2 密码4

1.2.1 Alice与Bob4

1.2.2 发送者、接收者和窃听者4

1.2.3 加密与解密6

1.2.4 密码保证了消息的机密性7

1.2.5 破译7

1.3 对称密码与公钥密码8

1.3.1 密码算法8

1.3.2 密钥8

1.3.3 对称密码与公钥密码9

1.3.4 混合密码系统10

1.4 其他密码技术10

1.4.1 单向散列函数10

1.4.2 消息认证码10

1.4.3 数字签名11

1.4.4 伪随机数生成器11

1.5 密码学家的工具箱12

1.6 隐写术与数字水印13

1.7 密码与信息安全常识14

1.7.1 不要使用保密的密码算法14

1.7.2 使用低强度的密码比不进行任何加密更危险15

1.7.3 任何密码总有一天都会被破解15

1.7.4 密码只是信息安全的一部分16

1.8 本章小结16

1.9 小测验的答案17

第2章 历史上的密码——写一篇别人看不懂的文章19

2.1 本章学习的内容20

2.2 恺撒密码20

2.2.1 什么是恺撒密码21

2.2.2 恺撒密码的加密21

2.2.3 恺撒密码的解密22

2.2.4 用暴力破解来破译密码23

2.3 简单替换密码24

2.3.1 什么是简单替换密码24

2.3.2 简单替换密码的加密25

2.3.3 简单替换密码的解密26

2.3.4 简单替换密码的密钥空间26

2.3.5 用频率分析来破译密码26

2.4 Enigma31

2.4.1 什么是Enigma31

2.4.2 用Enigma进行加密通信31

2.4.3 Enigma的构造32

2.4.4 Enigma的加密34

2.4.5 每日密码与通信密码36

2.4.6 避免通信错误36

2.4.7 Enigma的解密36

2.4.8 Enigma的弱点38

2.4.9 Enigma的破译38

2.5 思考40

2.6 本章小结41

2.7 小测验的答案42

第3章 对称密码（共享密钥密码）——用相同的密钥进行加密和解密45

3.1 炒鸡蛋与对称密码46

3.2 本章学习的内容46

3.3 从文字密码到比特序列密码46

3.3.1 编码46

3.3.2 XOR47

3.4 一次性密码本——绝对不会被破译的密码50

3.4.1 什么是一次性密码本50

3.4.2 一次性密码本的加密50

3.4.3 一次性密码本的解密51

3.4.4 一次性密码本是无法破译的51

3.4.5 一次性密码本为什么没有被使用52

3.5 DES53

3.5.1 什么是DES53

3.5.2 加密和解密54

3.5.3 DES的结构（Feistel网络）54

3.5.4 差分分析与线性分析60

3.6 三重DES61

3.6.1 什么是三重DES61

3.6.2 三重DES的加密61

3.6.3 三重DES的解密63

3.6.4 三重DES的现状64

3.7 AES的选定过程65

3.7.1 什么是AES65

3.7.2 AES的选拔过程65

3.7.3 AES最终候选算法的确定与AES的最终确定66

3.8 Rijndael66

3.8.1 什么是Rijndael66

3.8.2 Rijndael的加密和解密67

3.8.3 Rijndael的破译71

3.8.4 应该使用哪种对称密码呢71

3.9 本章小结72

3.10 小测验的答案73

第4章 分组密码的模式——分组密码是如何迭代的75

4.1 本章学习的内容76

4.2 分组密码的模式77

4.2.1 分组密码与流密码77

4.2.2 什么是模式77

4.2.3 明文分组与密文分组78

4.2.4 主动攻击者Mallory78

4.3 ECB模式79

4.3.1 什么是ECB模式79

4.3.2 ECB模式的特点80

4.3.3 对ECB模式的攻击80

4.4 CBC模式82

4.4.1 什么是CBC模式82

4.4.2 初始化向量83

4.4.3 CBC模式的特点84

4.4.4 对CBC模式的攻击84

4.4.5 填充提示攻击86

4.4.6 对初始化向量 （ Ⅳ）进行攻击86

4.4.7 CBC模式的应用实例86

4.5 CFB模式88

4.5.1 什么是CFB模式88

4.5.2 初始化向量89

4.5.3 CFB模式与流密码89

4.5.4 CFB模式的解密90

4.5.5 对CFB模式的攻击90

4.6 OFB模式91

4.6.1 什么是OFB模式91

4.6.2 初始化向量92

4.6.3 CFB模式与OFB模式的对比92

4.7 CTR模式93

4.7.1 计数器的生成方法95

4.7.2 OFB模式与CTR模式的对比95

4.7.3 CTR模式的特点95

4.7.4 错误与机密性96

4.8 应该使用哪种模式呢96

4.9 本章小结97

4.10 小测验的答案98

第5章 公钥密码——用公钥加密，用私钥解密101

5.1 投币寄物柜的使用方法102

5.2 本章学习的内容102

5.3 密钥配送问题102

5.3.1 什么是密钥配送问题102

5.3.2 通过事先共享密钥来解决104

5.3.3 通过密钥分配中心来解决105

5.3.4 通过Diffie-Hellman密钥交换来解决密钥配送问题106

5.3.5 通过公钥密码来解决密钥配送问题106

5.4 公钥密码107

5.4.1 什么是公钥密码107

5.4.2 公钥密码的历史108

5.4.3 公钥通信的流程108

5.4.4 各种术语110

5.4.5 公钥密码无法解决的问题110

5.5 时钟运算110

5.5.1 加法111

5.5.2 减法113

5.5.3 乘法114

5.5.4 除法114

5.5.5 乘方118

5.5.6 对数118

5.5.7 从时钟指针到RSA119

5.6 RSA120

5.6.1 什么是RSA120

5.6.2 RSA加密120

5.6.3 RSA解密121

5.6.4 生成密钥对122

5.6.5 具体实践一下吧125

5.7 对RSA的攻击128

5.7.1 通过密文来求得明文128

5.7.2 通过暴力破解来找出D128

5.7.3 通过E和N求出D129

5.7.4 中间人攻击130

5.7.5 选择密文攻击132

5.8 其他公钥密码133

5.8.1 EIGamal方式133

5.8.2 Rabin方式133

5.8.3 椭圆曲线密码133

5.9 关于公钥密码的Q＆A133

5.9.1 公钥密码的机密性134

5.9.2 公钥密码与对称密码的密钥长度134

5.9.3 对称密码的未来135

5.9.4 RSA与质数135

5.9.5 RSA与质因数分解136

5.9.6 RSA的长度136

5.10 本章小结138

5.11 小测验的答案139

第6章 混合密码系统——用对称密码提高速度，用公钥密码保护会话密钥141

6.1 混合动力汽车142

6.2 本章学习的内容142

6.3 混合密码系统142

6.3.1 对称密码与公钥密码142

6.3.2 混合密码系统143

6.3.3 加密144

6.3.4 解密146

6.3.5 混合密码系统的具体例子147

6.4 怎样才是高强度的混合密码系统147

6.4.1 伪随机数生成器147

6.4.2 对称密码148

6.4.3 公钥密码148

6.4.4 密钥长度的平衡148

6.5 密码技术的组合148

6.6 本章小结149

6.7 小测验的答案150

第2部分认证151

第7章 单向散列函数——获取消息的“指纹”153

7.1 本章学习的内容154

7.2 什么是单向散列函数154

7.2.1 这个文件是不是真的呢154

7.2.2 什么是单向散列函数157

7.2.3 单向散列函数的性质159

7.2.4 关于术语162

7.3 单向散列函数的实际应用163

7.3.1 检测软件是否被篡改163

7.3.2 基于口令的加密165

7.3.3 消息认证码165

7.3.4 数字签名165

7.3.5 伪随机数生成器165

7.3.6 一次性口令165

7.4 单向散列函数的具体例子166

7.4.1 MD4、 MD5166

7.4.2 SHA-1、SHA-256、 SHA-384、 SHA-512166

7.4.3 RIPEMD-160167

7.4.4 SHA-3167

7.5 SHA-3的选拔过程168

7.5.1 什么是SHA-3168

7.5.2 SHA-3的选拔过程168

7.5.3 SHA-3最终候选名单的确定与SHA-3的最终确定168

7.6 Keccak169

7.6.1 什么是Keccak169

7.6.2 海绵结构170

7.6.3 双工结构171

7.6.4 Keccak的内部状态172

7.6.5 函数Keccak-f [b]174

7.6.6 对Keccak的攻击177

7.6.7 对缩水版Keccak的攻击竞赛177

7.7 应该使用哪种单向散列函数呢178

7.8 对单向散列函数的攻击178

7.8.1 暴力破解（攻击故事1）178

7.8.2 生日攻击（攻击故事2）180

7.9 单向散列函数无法解决的问题182

7.10 本章小结183

7.11 小测验的答案184

第8章 消息认证码——消息被正确传送了吗187

8.1 本章学习的内容188

8.2 消息认证码188

8.2.1 汇款请求是正确的吗188

8.2.2 什么是消息认证码189

8.2.3 消息认证码的使用步骤190

8.2.4 消息认证码的密钥配送问题190

8.3 消息认证码的应用实例191

8.3.1 SWIFT191

8.3.2 IPsec191

8.3.3 SSL/TLS192

8.4 消息认证码的实现方法192

8.4.1 使用单向散列函数实现192

8.4.2 使用分组密码实现192

8.4.3 其他实现方法192

8.5 认证加密192

8.6 HMAC的详细介绍193

8.6.1 什么是HMAC193

8.6.2 HMAC的步骤194

8.7 对消息认证码的攻击196

8.7.1 重放攻击196

8.7.2 密钥推测攻击198

8.8 消息认证码无法解决的问题199

8.8.1 对第三方证明199

8.8.2 防止否认199

8.9 本章小结200

8.10 小测验的答案200

第9章 数字签名——消息到底是谁写的203

9.1 羊妈妈的认证204

9.2 本章学习的内容204

9.3 数字签名204

9.3.1 Alice的借条204

9.3.2 从消息认证码到数字签名205

9.3.3 签名的生成和验证206

9.3.4 公钥密码与数字签名207

9.4 数字签名的方法209

9.4.1 直接对消息签名的方法209

9.4.2 对消息的散列值签名的方法211

9.5 对数字签名的疑问214

9.5.1 密文为什么能作为签名使用214

9.5.2 数字签名不能保证机密性吗214

9.5.3 这种签名可以随意复制吗215

9.5.4 消息内容会不会被任意修改215

9.5.5 签名会不会被重复使用216

9.5.6 删除签名也无法“作废合同”吗216

9.5.7 如何防止否认217

9.5.8 数字签名真的能够代替签名吗217

9.6 数字签名的应用实例218

9.6.1 安全信息公告218

9.6.2 软件下载219

9.6.3 公钥证书220

9.6.4 SSL／TLS220

9.7 通过RSA实现数字签名220

9.7.1 用RSA生成签名220

9.7.2 用RSA验证签名221

9.7.3 具体实践一下吧221

9.8 其他的数字签名222

9.8.1 EIGamal方式222

9.8.2 DSA223

9.8.3 ECDSA223

9.8.4 Rabin方式223

9.9 对数字签名的攻击223

9.9.1 中间人攻击223

9.9.2 对单向散列函数的攻击224

9.9.3 利用数字签名攻击公钥密码224

9.9.4 潜在伪造225

9.9.5 其他攻击226

9.10 各种密码技术的对比226

9.10.1 消息认证码与数字签名226

9.10.2 混合密码系统与对散列值签名227

9.11 数字签名无法解决的问题227

9.12 本章小结227

9.13 小测验的答案228

第10章 证书——为公钥加上数字签名229

10.1 本章学习的内容230

10.2 证书230

10.2.1 什么是证书230

10.2.2 证书的应用场景230

10.3 实际生成一张证书233

10.3.1 赛门铁克的Digital ID免费试用服务233

10.3.2 生成证书233

10.3.3 显示证书234

10.3.4 证书标准规范236

10.4 公钥基础设施（PKI）237

10.4.1 什么是公钥基础设施237

10.4.2 PKI的组成要素238

10.4.3 认证机构的工作240

10.4.4 证书的层级结构241

10.4.5 各种各样的PKI242

10.5 对证书的攻击243

10.5.1 在公钥注册之前进行攻击244

10.5.2 注册相似人名进行攻击245

10.5.3 窃取认证机构的私钥进行攻击245

10.5.4 攻击者伪装成认证机构进行攻击246

10.5.5 钻CRL的空子进行攻击（1）246

10.5.6 钻CRL的空子进行攻击（2）247

10.5.7 Superfish248

10.6 关于证书的Q＆A249

10.6.1 为什么需要证书249

10.6.2 通过自己的方法进行认证是不是更安全250

10.6.3 为什么要相信认证机构251

10.7 本章小结252

10.8 小测验的答案253

第3部分密钥、随机数与应用技术255

第11章 密钥——秘密的精华257

11.1 本章学习的内容258

11.2 什么是密钥258

11.2.1 密钥就是一个巨大的数字258

11.2.2 密钥与明文是等价的260

11.2.3 密码算法与密钥260

11.3 各种不同的密钥260

11.3.1 对称密码的密钥与公钥密码的密钥260

11.3.2 消息认证码的密钥与数字签名的密钥261

11.3.3 用于确保机密性的密钥与用于认证的密钥262

11.3.4 会话密钥与主密钥263

11.3.5 用于加密内容的密钥与用于加密密钥的密钥264

11.4 密钥的管理264

11.4.1 生成密钥264

11.4.2 配送密钥265

11.4.3 更新密钥265

11.4.4 保存密钥266

11.4.5 作废密钥267

11.5 Diffie-Hellman密钥交换268

11.5.1 什么是Diffie-Hellman密钥交换268

11.5.2 Diffie-Hellman密钥交换的步骤268

11.5.3 Eve能计算出密钥吗270

11.5.4 生成元的意义271

11.5.5 具体实践一下272

11.5.6 椭圆曲线Diffie-Hellman密钥交换273

11.6 基于口令的密码（PBE）274

11.6.1 什么是基于口令的密码274

11.6.2 PBE加密275

11.6.3 PBE解密276

11.6.4 盐的作用277

11.6.5 口令的作用279

11.6.6 通过拉伸来改良PBE279

11.7 如何生成安全的口令279

11.7.1 使用只有自己才能知道的信息280

11.7.2 将多个不同的口令分开使用280

11.7.3 有效利用笔记281

11.7.4 理解口令的局限性281

11.7.5 使用口令生成和管理工具282

11.8 本章小结282

11.9 小测验的答案283

第12章 随机数——不可预测性的源泉285

12.1 骡子的锁匠铺286

12.2 本章学习的内容286

12.3 使用随机数的密码技术286

12.4 随机数的性质287

12.4.1 对随机数的性质进行分类287

12.4.2 随机性288

12.4.3 不可预测性289

12.4.4 不可重现性289

12.5 伪随机数生成器291

12.6 具体的伪随机数生成器292

12.6.1 杂乱的方法293

12.6.2 线性同余法293

12.6.3 单向散列函数法296

12.6.4 密码法298

12.6.5 ANSI X9.17 300

12.6.6 其他算法302

12.7 对伪随机数生成器的攻击303

12.7.1 对种子进行攻击303

12.7.2 对随机数池进行攻击303

12.8 本章小结304

12.9 小测验的答案304

第13章 PGP——密码技术的完美组合307

13.1 本章学习的内容308

13.2 PGP简介308

13.2.1 什么是PGP308

13.2.2 关于OpenPGP309

13.2.3 关于GNU Privacy Guard309

13.2.4 PGP的功能310

13.3 生成密钥对311

13.4 加密与解密314

13.4.1 加密314

13.4.2 解密316

13.5 生成和验证数字签名319

13.5.1 生成数字签名319

13.5.2 验证数字签名321

13.6 生成数字签名并加密以及解密并验证数字签名324

13.6.1 生成数字签名并加密324

13.6.2 解密并验证数字签名324

13.7 信任网328

13.7.1 公钥合法性328

13.7.2 场景1：通过自己的数字签名进行确认328

13.7.3 场景2：通过自己完全信任的人的数字签名进行确认329

13.7.4 场景3：通过自己有限信任的多个人的数字签名进行确认330

13.7.5 公钥合法性与所有者信任是不同的331

13.7.6 所有者信任级别是因人而异的331

13.8 本章小结333

13.9 小测验的答案333

第14章 SSL／TLS——为了更安全的通信335

14.1 本章学习的内容336

14.2 什么是SSL/TLS336

14.2.1 Alice在Bob书店买书336

14.2.2 客户端与服务器337

14.2.3 用SSL／TLS承载HTTP338

14.2.4 SSL／TLS的工作339

14.2.5 SSL/TLS也可以保护其他的协议340

14.2.6 密码套件340

14.2.7 SSL与TLS的区别341

14.3 使用SSL/TLS进行通信341

14.3.1 层次化的协议341

14.3.2 1 TLS记录协议343

14.3.3 2-1握手协议344

14.3.4 2-2密码规格变更协议350

14.3.5 2-3警告协议351

14.3.6 2-4应用数据协议351

14.3.7 主密码351

14.3.8 TLS中使用的密码技术小结353

14.4 对SSL/TLS的攻击353

14.4.1 对各个密码技术的攻击353

14.4.2 OpenSSL的心脏出血漏洞353

14.4.3 SSL 3.0的漏洞与POODLE攻击354

14.4.4 FREAK攻击与密码产品出口管制354

14.4.5 对伪随机数生成器的攻击355

14.4.6 利用证书的时间差进行攻击355

14.5 SSL/TLS用户的注意事项356

14.5.1 不要误解证书的含义356

14.5.2 密码通信之前的数据是不受保护的356

14.5.3 密码通信之后的数据是不受保护的356

14.6 本章小结357

14.7 小测验的答案357

第15章 密码技术与现实社会——我们生活在不完美的安全中359

15.1 本章学习的内容360

15.2 密码技术小结360

15.2.1 密码学家的工具箱360

15.2.2 密码与认证362

15.2.3 密码技术的框架化362

15.2.4 密码技术与压缩技术362

15.3 虚拟货币——比特币365

15.3.1 什么是比特币365

15.3.2 P2P网络366

15.3.3 地址366

15.3.4 钱包367

15.3.5 区块链367

15.3.6 区块的添加368

15.3.7 交易369

15.3.8 挖矿369

15.3.9 确认370

15.3.10 匿名性371

15.3.11 信任的意义371

15.3.12 比特币小结372

15.4 追寻完美的密码技术372

15.4.1 量子密码373

15.4.2 量子计算机374

15.4.3 哪一种技术会率先进入实用领域374

15.5 只有完美的密码，没有完美的人375

15.5.1 理论是完美的，现实是残酷的375

15.5.2 防御必须天衣无缝，攻击只需突破一点375

15.5.3 攻击实例1：经过PGP加密的电子邮件376

15.5.4 攻击实例2：用SSL/TLS加密的信用卡号377

15.6 本章小结379

附录 椭圆曲线密码381

密码技术综合测验381

附录A椭圆曲线密码382

附录B密码技术综合测验392

参考文献401