现代密码学.

现代密码学

学时：3 学分：3

课程属性：专业选修开课单位：理学院

先修课程：高等数学、概率论与数理统计、线性代数

后继课程：信息安全技术

一、课程的性质

本课程是信息与计算科学专业选修课。

二、教学目的

学习和了解密码学的一些基本概念,理解和掌握一些常用密码算法的加密和解密原理,认证理论的概念以及几种常见数字签名算法和安全性分析。

三、教学内容

本课程涉及分组加密、流加密、公钥加密、数字签名、哈希函数、密钥建立与管理、身份识别、认证理论与技术、PKI技术等内容。

四、学时分配

章课程内容学时

1 密码学概论 2

2 古典密码体制 2

3 现代分组密码10

4 流密码 4

5 公开密钥密码体制12

6 密钥管理 2

7 Hash函数 4

8 数字签名 6

9 身份识别 2

10 认证理论与技术 2

11 PKI技术 2

12 密码应用软件 2

13 密码学新进展 2

五、教学方式

本课程是信息与计算科学专业选修课程，理论性较强。在教学方法上，采用课堂讲授，课后自学，课堂讨论、课下练习编程、课下操作实验等教学形式。

(一)课堂讲授

本课程属理论课程，涉及到较多的数学知识，在讲述的过程中教师应尽量联系生活实际，加深学生对密码算法的认识。在教学中要求同学重点掌握密码学的基本概念、算法的编程和密码技术的应用，要着重培养学生编写算法的能力，在课程内容方面既要保持理论的系统性，又要注意联系实际应用，并且重视技术科学的一般方法学的培养。

（二）课后自学

为了培养学生整理归纳，综合分析和处理问题的能力，每章都安排一部分内容，课上教师只给出自学提纲，不作详细讲解，课后学生自学（数学部分、加密方法的C与C++实现部分）。

（三）课堂讨论

课堂讨论的目的是活跃学习气氛，开拓思路。教师应认真组织，安排重点发言，充分调动每一名同学的学习积极性，做好总结。

（四）习题课

习题课以典型例题分析为主，并适当安排开阔思路及综合性的练习及讨论。共2学时（已包括在前述学时分配中）。

（五）课外作业

课外作业的内容选择基于对基本理论的理解和巩固，培养密码算法的验证和简单的加、解计算能力。利用所学的密码知识，分析实际问题的解决能力，习题以计算性小题为主，平均每学时１-２道题。

六、考核方式

（一）平时测验

为及时了解教学情况，教师可适当安排期中测验，要求使用1或2个学时，让学生理解如何学习密码学理论部分。

（二）考试

考试可采用闭卷与开卷相结合的形式，以闭卷为主。闭卷部分的试题包括基本概念，基本理论，分析实际安全问题，题型可采用填空，计算，简答等方式。开卷部分的考试采用对学生平时编写算法的测试。

总评成绩：学生上课出勤，平时作业，编写算法代码共占30%；期末闭卷考试占70%。

七、教材及教学参考书

[1]张福泰. 密码学教程. 武汉: 武汉大学出版社，2006年9月.

[2]宋震. 密码学. 北京：中国水利水电出版社，2002年7月.

[3]Michael Welschenbach编著，赵振江，连国卿等译. 编码密码学—加密方法的C与C++实现.北京：电子工业出版社，2003年6月.

[4] 钟诚，赵跃华，杨铭熙，叶震，陆向艳，宋建华. 信息安全概论. 武汉: 武汉理工大学出版社，2003年6月.

[5] 冯登国，裴定一. 密码学导引. 北京：科学出版社， 1999年.

[6] 卢开澄. 计算机密码学（第2版）. 北京：清华大学出版社，1998年7月。

八、教学基本内容及要求

第1章密码学概论

要求深刻理解与熟练掌握的重点内容有：1.信息安全的基本概念，2. 密码学的基本概念，3.与密码学有关的难解数学问题。

要求一般理解与掌握的内容有：信息安全的基本内容、密码体制分类、密码学的发展历史。

重点：密码体制的分类。

难点：密码体制的攻击类型理解。

第2章古典密码体制

本章主要了解1949年之前的古典密码体制，掌握不同类型的加密方式，并了解和认识无条件安全及古典密码的破译。

本章知识点：代换密码（分类和举例）、置换密码（列置换密码、周期置换密码）、古典密码的破译、无条件安全的一次一密体制。

要求学生能够使用C、C++编写Caesar 密码算法，练习最基本或最简单的加密模式。为进一步

加强对加密算法的理解，课堂上演示实现的Caesar密码。

第3章现代分组密码

要求掌握分组密码概述，主要使用的结构及模式，详细学习DES、IDEA、RC5、AES算法的流程，特别是如何实现这些算法，并了解每个算法的安全性及其效率。

本章知识点：分组密码概述、Feistel结构、分组密码的使用模式、数据加密标准DES、数据加密算法IDEA、RC5、高级加密标准AES算法。

学习中，为加强学生的编程能力，课堂上先熟悉Visual C++6.0下编写算法的模式（头文件和实现文件的编写模式），并在该界面下演示所有的分组密码算法（如何加密和解密），同时对部分程序算法代码讲解（如何存储数据）。

难点：分组密码的使用模式理解和分组密码实现。

第4章流密码(4学时)

本章要求了解什么是流密码，与分组密码的异同，当前流密码的用途。掌握密钥流生成器的结构，基于LFSR的流密码模型，同时了解相关LFSR的数学基础。

本章知识点：流密码概述、二元加法流密码（密钥流的性质、密钥流生成器的结构、基于LFSR 的流密码模型）、流密码算法介绍（A5算法、LFSR算法）。

难点：流密码的数学基础（部分数学基础超出学习范围）。

第5章公开密钥密码体制

在数论、近世代数知识的基础上，学习公开密钥密码算法。要求在区分公开密码密码和分组密码的前提下，掌握不同的公开密钥密码体制（基于大整数、基于离散对数、基于椭圆曲线），并能够编写大整数的基本运算（加法、减法、乘法、除法及求模运算）。

本章知识点：公钥密码体制概述、基于大整数难分解的公钥密码体制（以RSA为代表）、基于离散对数的公钥密码体制（Diffie-Hellman密钥交换协议、ElGamal体制）、基于椭圆曲线的公钥密码体制（数学背景和密码系统）

说明：课堂上演示RSA系统，并对部分代码进行讲解。

难点：编写算法中，大整数的存储问题。

第6章密钥管理

在学习了密码的安全性主要是基于密钥的安全性的基础上，要求理解和掌握密钥的组织结构和种类，密钥是怎样生成的（分析RSA和DES中用的密钥），了解密钥的分配和协商。

本章知识点：密钥的组织结构和种类、密钥生成、密钥分配和密钥协商、秘密共享和密钥托管。

重点：秘密共享方案。

第7章 Hash函数

要求理解和掌握单向函数的基本概念，散列函数的设计与构造，学习MD5、SHA-1算法，并能够编写其中一个算法代码。

本章知识点：单向散列函数概念、MD5算法、安全散列算法SHA-1、消息鉴别码。

说明：区分MD5与SHA-1的异同，课堂演示算法的实现过程。

难点：如何实现算法。

第8章数字签名

要求理解和掌握常规的手写签名与数字签名的不同，了解数字签名在不同资料上的定义，详细学习RSA 数字签名体制、ElGamal数字签名体制、数字签名标准DSS，分析每个算法的安全性。要求学生在此基础上，能够讨论或独立构造基于不同难题的数字签名。

本章知识点：数字签名的基本概念、RSA 数字签名体制、ElGamal数字签名体制、数字签名标准DSS及其他各类数字签名模式。

说明：课堂演示数字签名软件，增加学生的认识和了解。

第9章身份识别

本章主要要求学生掌握身份识别概念，理解强、弱的身份识别，了解身份识别协议及其安全性问题。

本章知识点：身份识别的概念、弱身份识别、强身份识别、身份识别协议及其安全问题。

重点：身份识别概念，各类身份识别。

难点：身份识别协议理解。

第10章认证理论与技术

本章主要学习认证理论与技术，掌握认证模型和认证协议，了解Kerberos系统和X.509认证服务。

本章知识点：单向认证、双向认证、认证协议、Kerberos系统、X.509认证服务。

重点：认证模型和认证协议。

难点：Kerberos系统与X.509认证服务的理解。

第11章 PKI技术

本章主要掌握PKI技术，认识PKI的功能和要求，了解相关协议和产品。

重点：PKI的组成和功能。

难点：PKI相关协议。

第12章密码应用软件

本章主要学习和认识PGP，掌握IP安全性，了解电子商务安全技术。

本章知识点：安全邮件标准、邮件加密软件、IP安全性和电子商务技术。

重点：各种软件的使用。

第13章密码学新进展

本章主要了解密码学的新进展。

本章知识点：量子密码学、环签名与指定验证人签名、基于身份的公钥体制与无证书公钥体制和DNA密码简介。

重点：新进展的理解。