密码学基础

课程编码：B2011008Y 英文名称：Fundamentals of Cryptography 课时：56 学分：3.00 课程属性：专业必修课 主讲教师：胡磊

本课程是网络空间安全专业必修课。密码学是网络空间安全的基础核心技术，作为密码学科的导引，课程讲述密码学的基本概念、常见基本算法、及其在网络安全中的若干典型应用，为学生理解密码学的独特特点和在今后工作中应用密码技术，形成正确的密码学科第一印象和思维方法，奠定初步的密码学基础，培养学生对密码相关问题的分析和解决能力。

微积分、线性代数、概率论与数理统计、离散数学、程序设计基础与实验

第1章  绪论

1.1  信息安全面临的威胁

1.2  信息安全模型

1.3  密码学基本概念

1.4  几种古典密码

教学重点与难点：加解密基本概念，密码攻击模型，古典密码中的概率分析。

 

第2章  流密码

2.1  流密码的基本概念

2.2  线性反馈移位寄存器

2.3  线性移位寄存器的一元多项式表示

2.4  m序列的伪随机性

2.5  m序列的破译

2.6  非线性序列

2.7  祖冲之密码

教学重点与难点：流密码数学模型，状态转移概念，线性序列分析为什么是容易的，LFSR流密码的特点分析。

 

第3章  分组密码

3.1  分组密码概述

3.2  数据加密标准算法DES

3.3  差分密码分析与线性密码分析

3.4  分组密码工作模式

3.5  IDEA

3.6  AES算法

3.7  中国商业密码SM4

教学重点与难点：混淆与扩散原则，该原则指导下的算法实例DES和AES，差分分析与线性分析的基本思想，为什么要有工作模式。

 

第4章  公钥密码

4.1  公钥密码常用数论知识

4.2  公钥密码基本概念

4.3  RSA算法

4.4  背包密码体制

4.5  Rabin密码体制

4.6  NTRU公钥密码系统

4.7  椭圆曲线密码与SM2加密算法

教学重点与难点：大模数运算的数学理论及快速计算技巧，公钥体制中的双密钥思想与计算困难假设，计算困难问题，因子分解体制与离散对数体制实例。

 

第5章  密钥分配与密钥管理

5.1  单钥加密体制的密钥分配

5.2  公钥加密体制的密钥管理

5.3  随机数的产生

5.4  秘密分割

教学重点与难点：实际应用中的多级密钥管理，随机数整体及具体比特对安全性的重要性，秘密分享的思想。

 

第6章   消息认证和哈希函数

6.1  消息认证码

6.2  哈希函数

6.3  MD5哈希算法

6.4  安全哈希算法

6.5  HMAC

6.6  SM3 哈希算法    

教学重点与难点：数据完整性认证的思想，消息认证码和哈希函数的对称密码设计特点，生日攻击与生日界，哈希函数实例算法的设计。

 

第7章   数字签名和认证协议

7.1  数字签名的基本概念

7.2  数字签名标准

7.3  其他签名方案

7.4  SM2椭圆曲线公钥密码签名算法

7.5  认证协议

教学重点与难点：数据来源性认证的思想与数字签名概念，数字签名实例算法的设计，数字签名与公钥加密的关系。

 

第8章   密码协议

8.1  一些基本协议

8.2  零知识证明

8.3  安全多方计算协议

教学重点与难点：零知识证明的思想，挑战——响应协议的设计思想，挑战——响应协议与计算困难问题的关系。

章节/学时分配	讲课	习题课	实验课	上机课	讨论课	其它
1、绪论	6
2、流密码	8
3、分组密码	8
4.1、公钥密码数论知识	6
期中考试						2
4.2-4.7、公钥密码体制	6
5、密钥分配与密钥管理	4
6、消息认证和哈希函数	6
7、数字签名和认证协议	4
8、密码协议	4
期末考试						2

本课程教学一是要强调理论与实践相结合的学科发展的思想，即密码学是一名古老的学科，它是从长期的加解密实践中逐渐总结规律发展而来的，但是只有在理论的指导下，密码学才由一名艺术型技艺发展成一名真正的科学学科。二是因为密码学的独特特点，社会上很多人对密码学有不正确的认识，特别是对密码安全性的不正确认识，本课程作为入门基础课要为学生理解和今后应用密码技术形成正确的密码学科第一印象和思维方法。

[1] 杨波，《现代密码学（第4版）》，清华大学出版社，2017年7月第4版
[2] [加]梅尼斯（Menezes, A.）等著，胡磊，王鹏等译, 《应用密码学手册》，北京：电子工业出版社，2005.6
[3] [美]旋奈尔（Schneier, B.）著，吴世忠，祝世雄，张文政等译，《应用密码学协议，算法与C源程序》，网络与信息安全技术丛书，北京：机械工业出版社，2003.3

胡磊，中科院大学网络空间安全学院教授、中科院信息工程研究所研究员/博士研究生导师。曾任信息安全国家重点实验室副主任、中科院信工所学术委员会副主任。《密码学报》创刊及现任副主编，参加若干商密标准算法的研制，曾获国家密码科技进步奖励二等奖和一等奖，中国密码学会优秀博士论文指导教师。研究方向：对称密码设计与分析、公钥密码设计与分析、密码学理论基础。在中国科学院大学网络空间安全学院主讲专业核心课《信息安全数学基础》。