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内容简介
本书以图配文的形式,详细讲解了6种重要的密码技术:对称密码、公钥密码、单向散列函数、消息认证码、数字签名和伪随机数生成器。
第1部分讲述了密码技术的历史沿革、对称密码、分组密码模式(包括ECB、CBC、CFB、OFB、CTR)、公钥密码、混合密码系统。第2部分重点介绍了认证方面的内容,涉及单向散列函数、消息认证码、数字签名、证书等。第3部分讲述了密钥、随机数、PGP、SSL/TLS 以及密码技术在现实生活中的应用。
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作者简介
结城浩(作者)
生于1963年,日本杰出技术作家和程序员。在编程语言、设计模式、数学、加密技术等领域,编写了很多深受欢迎的入门书。代表作有《数学女孩》系列、《程序员的数学》等。
周自恒(译者)
IT、编程爱好者,初中时曾在NOI(国家信息学奥赛)天津赛区获一等奖,现就职于 某管理咨询公司,任咨询顾问兼战略技术总监。译著有《图解CIO工作指南(第4版)》《大数据的冲击》《代码的未来》《30天自制操作系统》《家用游戏机简史》《有趣的二进制》等。
目录
目录
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Bob 4
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 Enigma 31
2.4.1 什么是Enigma 31
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 XOR 47
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 DES 53
3.5.1 什么是DES 53
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DES 61
3.6.1 什么是三重DES 61
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AES 65
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 Rijndael 66
3.8.1 什么是Rijndael 66
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Mallory 78
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RSA 119
5.6 RSA 120
5.6.1 什么是RSA 120
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D 128
5.7.3 通过E和N求出D 129
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 ElGamal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&A; 133
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、MD5 166
7.4.2 SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512 166
7.4.3 RIPEMD-160 167
7.4.4 SHA-3 167
7.5 SHA-3的选拔过程 168
7.5.1 什么是SHA-3 168
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 Keccak 169
7.6.1 什么是Keccak 169
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 SWIFT 191
8.3.2 IPsec 191
8.3.3 SSL/TLS 192
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HMAC 193
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/TLS 220
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 ElGamal方式 222
9.8.2 DSA 223
9.8.3 ECDSA 223
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PKI 242
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 Superfish 248
10.6 关于证书的Q&A; 249
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PBE 279
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PGP 308
13.2.2 关于OpenPGP 309
13.2.3 关于GNU Privacy Guard 309
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/TLS 336
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HTTP 338
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
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
前言/序言
《图解密码技术 第3版》是一本面向广大技术爱好者、开发人员、学生乃至对信息安全感兴趣的普通读者的技术书籍。本书旨在以直观易懂的图解方式,深入浅出地剖析密码学的核心概念、基本原理以及在现代信息社会中的实际应用。全书力求在保持严谨性的同时,降低学习门槛,让读者能够清晰地理解那些往往被认为是枯燥晦涩的密码学知识。 本书的创作初衷源于作者观察到,尽管密码技术在保护我们数字生活方面扮演着至关重要的角色,但其内在的复杂性常常让非专业人士望而却步。市面上许多关于密码学的书籍要么过于理论化,充斥着大量的数学公式和抽象概念,要么过于偏重实际应用,而忽略了基础原理的讲解。因此,《图解密码技术 第3版》试图搭建一座桥梁,连接理论与实践,用生动的图示和清晰的逻辑,将密码学世界的奥秘呈现在读者面前。 本书内容概述(请注意:以下内容是对本书可能涵盖主题的推测,并非实际书本内容): 第一部分:密码学基础与古典密码 在深入现代密码学之前,本书会从最基本的概念入手,带领读者回顾密码学的历史演变。 什么是密码学? 这一章节将定义密码学及其分支——密码编码学(Cryptography)和密码分析学(Cryptanalysis)。我们将探讨密码学在古代军事、外交和商业活动中的应用,以及其在信息时代扮演的核心角色:机密性(Confidentiality)、完整性(Integrity)、认证性(Authentication)和不可否认性(Non-repudiation)。 古典密码介绍: 为了理解现代密码学的进步,本书会先介绍几种经典的密码体制。 替换密码: 如凯撒密码(Caesar Cipher)和单表替换密码(Monoalphabetic Substitution Cipher),通过图示演示字母之间的映射关系,以及频率分析等简单的破解方法。 置换密码: 如栅栏密码(Rail Fence Cipher)和转置密码(Transposition Cipher),展示如何通过改变明文字母的顺序来加密,并通过可视化的网格或表格来展示其工作原理。 一次性密码本(One-Time Pad): 虽然简单,但它却是理论上唯一无法破解的加密方式。本书将解释其工作原理,并讨论其实际应用中的挑战(如密钥的分发和管理)。 密码学中的基本术语: 明文(Plaintext)、密文(Ciphertext)、加密(Encryption)、解密(Decryption)、密钥(Key)、算法(Algorithm)等基本概念将通过生动的图例进行解释,确保读者对后续内容有扎实的基础。 第二部分:对称加密技术 对称加密是密码学中最古老也是最广泛使用的一类加密技术。本书将详细剖析其原理和常见算法。 对称加密的原理: 核心思想是加密和解密使用同一把密钥。本书将通过流程图和示意图,清晰地展示对称加密的工作流程:明文 + 密钥 + 加密算法 → 密文;密文 + 同一把密钥 + 解密算法 → 明文。 分组密码(Block Ciphers): 数据加密标准(DES)及其演进(3DES): 即使DES已被认为不安全,但理解其结构(如Feistel结构)对于理解更先进的算法至关重要。本书将图解DES的轮函数(Round Function)和密钥扩展过程,并介绍3DES如何通过重复使用DES三次来增强安全性。 高级加密标准(AES): 作为当前最主流的对称加密算法,AES的安全性、效率和广泛应用使其成为重点讲解对象。本书将深入图解AES的各个阶段:字节代替(SubBytes)、行位移(ShiftRows)、列混合(MixColumns)和轮密钥加(AddRoundKey)。每个步骤都会配以清晰的矩阵操作图和变换示意图,让读者直观理解AES是如何进行加密的。 流密码(Stream Ciphers): 工作原理: 与分组密码不同,流密码将明文逐位或逐字节进行加密,通常通过将明文与一个伪随机生成的密钥流进行异或(XOR)操作。本书将通过动画式的流程图来演示密钥流的生成过程和与明文的结合。 RC4算法(尽管已不推荐使用,但作为教学示例): 介绍其密钥调度算法(KSA)和伪随机生成器(PRGA),展示其工作流程。 对称加密的应用场景: TLS/SSL(早期会话密钥协商)、文件加密、数据库加密、Wi-Fi安全(WEP/WPA,尽管WEP已被破解,但可以作为安全演进的例子)等。 第三部分:非对称加密技术(公钥密码学) 非对称加密引入了公钥和私钥的概念,极大地拓展了密码学的应用范围。 非对称加密的原理: 核心在于使用一对密钥:公钥用于加密,私钥用于解密;反之,私钥用于签名,公钥用于验证签名。本书将用形象的比喻(如带锁的邮箱)来解释公钥和私钥的对应关系,并展示其基本工作流程。 重要的非对称加密算法: RSA算法: 作为最著名和最早广泛应用的非对称加密算法之一,RSA的原理将是重点。本书将图解其基于大数因子分解难题的数学基础,并详细展示密钥生成、加密和解密的过程。我们会用简化的数学例子,辅以流程图,逐步揭示其运作机制。 椭圆曲线密码学(ECC): 相比RSA,ECC在相同的安全级别下,密钥长度更短,计算效率更高,在移动设备和物联网领域应用广泛。本书将以图解的方式,而非深究其复杂的群论基础,来展示椭圆曲线上的点加法和点乘运算,并解释其如何用于生成密钥对和进行加密。 非对称加密的应用场景: 公钥基础设施(PKI): 介绍数字证书、证书颁发机构(CA)、信任链等概念,以及它们如何协同工作来验证身份和分发公钥。 数字签名(Digital Signatures): 图解数字签名的生成和验证过程,强调其在保证数据完整性和身份认证方面的作用。 密钥交换(Key Exchange): 如Diffie-Hellman密钥交换算法,用于在不安全的通信通道上安全地协商出对称加密密钥。本书将用图示展示其如何利用数学难题来实现密钥的匿名共享。 第四部分:密码学哈希函数与消息认证码 哈希函数和消息认证码是保障数据完整性和认证性的重要工具。 密码学哈希函数: 基本概念: 介绍哈希函数的特性:单向性(One-way)、雪崩效应(Avalanche Effect)、抗碰撞性(Collision Resistance)。本书将用“信息指纹”的比喻来解释哈希函数的功能。 MD5(尽管已不安全,作为历史和原理讲解): 图解其分组处理、迭代过程和最终的哈希值生成。 SHA系列(SHA-1,SHA-256,SHA-3): 重点介绍SHA-256和SHA-3的工作原理,通过流程图展示其内部迭代结构和压缩函数的设计。 应用: 文件校验、密码存储(加盐哈希)、数字签名、区块链等。 消息认证码(MAC): 目的: 在哈希函数的基础上,增加一个密钥,以确保消息的来源是可信的,并且消息在传输过程中没有被篡改。 HMAC(基于哈希的消息认证码): 图解HMAC的工作原理,展示如何结合密钥和哈希函数来生成MAC。 CMAC(基于对称加密的消息认证码): 介绍使用分组密码来生成MAC的方法。 应用: 确保通信数据的完整性和真实性。 第五部分:现代密码学应用与前沿 本书的最后部分将探讨密码学在当今信息安全中的实际应用,以及一些新兴和前沿的研究方向。 TLS/SSL(HTTPS): 详细解析TLS握手过程,图解如何结合对称加密、非对称加密和数字证书来建立一个安全的网络通信通道。 PGP/GPG: 介绍端到端加密电子邮件的实现方式,包括公钥加密、数字签名等。 密码学在区块链中的应用: 解释哈希函数、数字签名在比特币等加密货币中的作用,以及如何保证交易的安全性和不可篡改性。 多方安全计算(MPC): 介绍如何在不泄露各自隐私数据的情况下,多个参与方共同计算一个函数。 同态加密(Homomorphic Encryption): 解释如何在密文上进行计算,而无需解密。 后量子密码学(Post-Quantum Cryptography): 探讨现有密码学在面对量子计算机时的潜在威胁,以及正在研究的抗量子算法。 法律与伦理考量: 简要提及密码学在法律上的应用(如加密证据),以及相关的隐私保护和数据安全法规。 本书的特色: 图文并茂: 每一章节都配有大量精心设计的插图、流程图、示意图,将复杂的概念转化为直观的视觉信息。 循序渐进: 从最基础的术语和古典密码开始,逐步深入到现代复杂的加密算法和协议,适合不同层次的读者。 理论与实践结合: 不仅讲解原理,还结合实际应用场景,让读者理解密码技术为何如此重要。 语言通俗易懂: 避免使用过于专业和晦涩的数学术语,力求用最清晰、最直接的语言来阐述概念。 全面而深入: 涵盖了密码学中最核心和最常用的技术,同时对一些前沿领域进行了展望。 《图解密码技术 第3版》不仅仅是一本关于算法和数学的书,它更是一次关于信息安全的启蒙之旅。通过阅读本书,读者将能够: 建立扎实的密码学理论基础: 理解各种加密、解密、签名、验证的原理。 识别和评估常见的安全威胁: 了解密码技术如何抵御这些威胁。 更自信地理解和应用现代安全协议: 例如HTTPS、VPN等。 为进一步学习更深入的密码学知识打下坚实的基础。 本书的目标是让每一位读者在合上书本时,都能对守护我们数字世界的密码技术有一个清晰、深刻的认识,并感受到其中的智慧与魅力。