密码编码学与网络安全——原理与实践（第八版）
目 录
部分 背景知识
第1章 信息与网络安全概念 2
学习目标 2
1.1 网络空间安全、信息安全与网络安全 2
1.1.1 安全目标 2
1.1.2 信息安全的挑战 3
1.2 OSI安全架构 4
1.3 安全攻击 5
1.3.1 被动攻击 5
1.3.2 主动攻击 6
1.4 安全服务 7
1.4.1 认证 7
1.4.2 访问控制 7
1.4.3 数据保密性 7
1.4.4 数据完整性 8
1.4.5 不可否认性 8
1.4.6 可用性服务 8
1.5 安全机制 8
1.6 密码学 9
1.6.1 无密钥算法 9
1.6.2 单密钥算法 10
1.6.3 双密钥算法 10
1.7 网络安全 10
1.7.1 通信安全 11
1.7.2 设备安全 11
1.8 信任与可信度 12
1.8.1 信任模型 12
1.8.2 信任模型和信息安全 13
1.8.3 建立信任关系 13
1.9 标准 14
1.10 关键术语、思考题和习题 14
第2章 数论基础 17
学习目标 17
2.1 整除性和带余除法 17
2.1.1 整除性 17
2.1.2 带余除法 18
2.2 欧几里得算法 19
2.2.1 公因子 19
2.2.2 求公因子 19
2.3 模运算 21
2.3.1 模 21
2.3.2 同余的性质 22
2.3.3 模算术运算 22
2.3.4 模运算的性质 23
2.3.5 欧几里得算法回顾 25
2.3.6 扩展欧几里得算法 26
2.4 素数 27
2.5 费马定理和欧拉定理 29
2.5.1 费马定理 29
2.5.2 欧拉函数 30
2.5.3 欧拉定理 31
2.6 素性测试 32
2.6.1 Miller-Rabin算法 32
2.6.2 一个确定性的素性判定算法 34
2.6.3 素数分布 34
2.7 中国剩余定理 34
2.8 离散对数 35
2.8.1 模n的整数幂 35
2.8.2 模算术对数 38
2.8.3 离散对数的计算 39
2.9 关键术语、思考题和习题 40
附录2A mod的含义 43
2A.1 二元运算符mod 43
2A.2 同余关系mod 43
第二部分 对称密码
第3章 传统加密技术 44
学习目标 44
3.1 对称密码模型 44
3.1.1 密码编码学 46
3.1.2 密码分析学和穷举攻击 46
3.2 代替技术 48
3.2.1 Caesar密码 48
3.2.2 单表代替密码 49
3.2.3 Playfair密码 51
3.2.4 Hill密码 53
3.2.5 多表代替加密 55
3.2.6 一次一密 57
3.3 置换技术 58
3.4 关键术语、思考题和习题 59
第4章 分组密码和数据加密标准 64
学习目标 64
4.1 传统分组密码结构 64
4.1.1 流密码与分组密码 64
4.1.2 Feistel密码结构的设计动机 65
4.1.3 Feistel密码 67
4.2 数据加密标准 71
4.2.1 DES加密 71
4.2.2 DES解密 72
4.3 DES的一个例子 72
4.3.1 结果 72
4.3.2 雪崩效应 73
4.4 DES的强度 74
4.4.1 56位密钥的使用 74
4.4.2 DES算法的性质 74
4.4.3 计时攻击 75
4.5 分组密码的设计原理 75
4.5.1 迭代轮数 75
4.5.2 函数F的设计 76
4.5.3 密钥扩展算法 76
4.6 关键术语、思考题和习题 76
第5章 有限域 79
学习目标 79
5.1 群 79
5.1.1 群的性质 80
5.1.2 交换群 80
5.1.3 循环群 80
5.2 环 81
5.3 域 81
5.4 有限域GF(p) 82
5.4.1 阶为p的有限域 82
5.4.2 在有限域GF(p)中求乘法逆元 83
5.4.3 小结 84
5.5 多项式运算 84
5.5.1 普通多项式运算 85
5.5.2 系数在Zp中的多项式运算 86
5.5.3 求公因式 88
5.5.4 小结 89
5.6 有限域GF(2n) 89
5.6.1 动机 89
5.6.2 多项式模运算 91
5.6.3 求乘法逆元 92
5.6.4 计算上的考虑 93
5.6.5 使用生成元 95
5.6.6 小结 97
5.7 关键术语、思考题和习题 97
第6章 高级加密标准 99
学习目标 99
6.1 有限域算术 99
6.2 AES的结构 100
6.2.1 基本结构 100
6.2.2 详细结构 103
6.3 AES的变换函数 105
6.3.1 字节代替变换 105
6.3.2 行移位变换 109
6.3.3 列混淆变换 110
6.3.4 轮密钥加变换 112
6.4 AES的密钥扩展 113
6.4.1 密钥扩展算法 113
6.4.2 基本原理 114
6.5 一个AES的例子 114
6.5.1 结果 115
6.5.2 雪崩效应 117
6.6 AES的实现 118
6.6.1 等价的逆算法 118
6.6.2 实现方面 119
6.7 关键术语、思考题和习题 121
附录6A 系数在GF(28)中的多项式 122
附录6A.1 列混淆变换 124
附录6A.2 乘以x 124
第7章 分组加密工作模式 125
学习目标 125
7.1 多重加密和三重DES 125
7.1.1 双重DES 125
7.1.2 使用两个密钥的三重DES 127
7.1.3 使用三个密钥的三重DES 128
7.2 电码本模式 129
7.3 密文分组链接模式 130
7.4 密码反馈模式 132
7.5 输出反馈模式 133
7.6 计数器模式 135
7.7 面向分组存储设备的XTS-AES模式 137
7.7.1 可调整分组密码 137
7.7.2 存储加密要求 138
7.7.3 单个分组的运算 139
7.7.4 扇区上的运算 140
7.8 保留格式加密 141
7.8.1 研究动机 142
7.8.2 FPE设计的难点 142
7.8.3 保留格式加密的Feistel结构 143
7.8.4 保留格式加密的NIST方法 146
7.9 关键术语、思考题和习题 151
第8章 随机位生成和流密码 155
学习目标 155
8.1 伪随机数生成的原理 155
8.1.1 随机数的用途 156
8.1.2 TRNG、PRNG和PRF 156
8.1.3 PRNG的要求 157
8.1.4 算法设计 159
8.2 伪随机数生成器 159
8.2.1 线性同余生成器 159
8.2.2 BBS生成器 160
8.3 使用分组密码生成伪随机数 161
8.3.1 使用分组加密工作模式的
PRNG 161
8.3.2 NIST CTR_DRBG 163
8.4 流密码 164
8.5 RC4 166
8.5.1 初始化S 166
8.5.2 流生成 166
8.5.3 RC4的强度 167
8.6 使用反馈移位寄存器的流密码 167
8.6.1 线性反馈移位寄存器 168
8.6.2 非线性反馈移位寄存器 170
8.6.3 Grain-128a 171
8.7 真随机数生成器 173
8.7.1 熵源 173
8.7.2 PRNG和TRNG的比较 173
8.7.3 调节 174
8.7.4 健康测试 175
8.7.5 英特尔数字随机数生成器 176
8.8 关键术语、思考题和习题 178
第三部分 非对称密码
第9章 公钥密码学与RSA 182
学习目标 182
9.1 公钥密码体制的原理 183
9.1.1 公钥密码体制 183
9.1.2 公钥密码体制的应用 187
9.1.3 公钥密码的要求 187
9.1.4 公钥密码分析 188
9.2 RSA算法 189
9.2.1 RSA算法描述 189
9.2.2 计算问题 191
9.2.3 RSA的安全性 194
9.3 关键术语、思考题和习题 197
第10章 其他公钥密码体制 201
学习目标 201
10.1 Diffie-Hellman密钥交换 201
10.1.1 算法 201
10.1.2 密钥交换协议 203
10.1.3 中间人攻击 203
10.2 ElGamal密码体制 204
10.3 椭圆曲线算术 206
10.3.1 交换群 207
10.3.2 实数域上的椭圆曲线 207
10.3.3 Zp上的椭圆曲线 209
10.3.4 GF(2m)上的椭圆曲线 211
10.4 椭圆曲线密码学 212
10.4.1 用椭圆曲线密码实现
Diffie-Hellman密钥交换 212
10.4.2 椭圆曲线加密/解密 213
10.4.3 椭圆曲线密码的安全性 214
10.5 关键术语、思考题和习题 214
第四部分 密码学数据完整性算法
第11章 密码学哈希函数 218
学习目标 218
11.1 密码学哈希函数的应用 218
11.1.1 消息认证 219
11.1.2 数字签名 221
11.1.3 其他应用 221
11.2 两个简单的哈希函数 222
11.3 要求与安全性 223
11.3.1 密码学哈希函数的安全要求 223
11.3.2 穷举攻击 225
11.3.3 密码分析 226
11.4 安全哈希算法 227
11.4.1 SHA-512逻辑 228
11.4.2 SHA-512轮函数 230
11.4.3 示例 232
11.5 SHA-3 234
11.5.1 海绵结构 234
11.5.2 SHA-3迭代函数f 237
11.6 关键术语、思考题和习题 242
第12章 消息认证码 245
学习目标 245
12.1 消息认证要求 245
12.2 消息认证函数 246
12.2.1 消息加密 246
12.2.2 消息认证码 249
12.3 消息认证码的要求 251
12.4 MAC的安全性 252
12.4.1 穷举攻击 252
12.4.2 密码分析 253
12.5 基于哈希函数的MAC：HMAC 253
12.5.1 HMAC设计目标 253
12.5.2 HMAC算法 254
12.5.3 HMAC的安全性 255
12.6 基于分组密码的MAC：DAA和
CMAC 255
12.6.1 数据认证算法 255
12.6.2 基于密码的消息认证码
（CMAC） 256
12.7 认证加密：CCM和GCM 258
12.7.1 使用分组密码链接?消息认证码
的计数器 258
12.7.2 Galois/计数器模式 260
12.8 密钥封装 262
12.8.1 应用背景 262
12.8.2 密钥封装算法 263
12.8.3 密钥解封 265
12.9 使用哈希函数和MAC的伪随机数
生成器 266
12.9.1 基于哈希函数的PRNG 266
12.9.2 基于MAC函数的PRNG 266
12.10 关键术语、思考题和习题 267
第13章 数字签名 270
学习目标 270
13.1 数字签名概述 271
13.1.1 性质 271
13.1.2 攻击和伪造 271
13.1.3 数字签名要求 272
13.1.4 直接数字签名 272
13.2 ElGamal数字签名方案 272
13.3 Schnorr数字签名方案 274
13.4 NIST数字签名算法 274
13.4
部分 背景知识
第1章 信息与网络安全概念 2
学习目标 2
1.1 网络空间安全、信息安全与网络安全 2
1.1.1 安全目标 2
1.1.2 信息安全的挑战 3
1.2 OSI安全架构 4
1.3 安全攻击 5
1.3.1 被动攻击 5
1.3.2 主动攻击 6
1.4 安全服务 7
1.4.1 认证 7
1.4.2 访问控制 7
1.4.3 数据保密性 7
1.4.4 数据完整性 8
1.4.5 不可否认性 8
1.4.6 可用性服务 8
1.5 安全机制 8
1.6 密码学 9
1.6.1 无密钥算法 9
1.6.2 单密钥算法 10
1.6.3 双密钥算法 10
1.7 网络安全 10
1.7.1 通信安全 11
1.7.2 设备安全 11
1.8 信任与可信度 12
1.8.1 信任模型 12
1.8.2 信任模型和信息安全 13
1.8.3 建立信任关系 13
1.9 标准 14
1.10 关键术语、思考题和习题 14
第2章 数论基础 17
学习目标 17
2.1 整除性和带余除法 17
2.1.1 整除性 17
2.1.2 带余除法 18
2.2 欧几里得算法 19
2.2.1 公因子 19
2.2.2 求公因子 19
2.3 模运算 21
2.3.1 模 21
2.3.2 同余的性质 22
2.3.3 模算术运算 22
2.3.4 模运算的性质 23
2.3.5 欧几里得算法回顾 25
2.3.6 扩展欧几里得算法 26
2.4 素数 27
2.5 费马定理和欧拉定理 29
2.5.1 费马定理 29
2.5.2 欧拉函数 30
2.5.3 欧拉定理 31
2.6 素性测试 32
2.6.1 Miller-Rabin算法 32
2.6.2 一个确定性的素性判定算法 34
2.6.3 素数分布 34
2.7 中国剩余定理 34
2.8 离散对数 35
2.8.1 模n的整数幂 35
2.8.2 模算术对数 38
2.8.3 离散对数的计算 39
2.9 关键术语、思考题和习题 40
附录2A mod的含义 43
2A.1 二元运算符mod 43
2A.2 同余关系mod 43
第二部分 对称密码
第3章 传统加密技术 44
学习目标 44
3.1 对称密码模型 44
3.1.1 密码编码学 46
3.1.2 密码分析学和穷举攻击 46
3.2 代替技术 48
3.2.1 Caesar密码 48
3.2.2 单表代替密码 49
3.2.3 Playfair密码 51
3.2.4 Hill密码 53
3.2.5 多表代替加密 55
3.2.6 一次一密 57
3.3 置换技术 58
3.4 关键术语、思考题和习题 59
第4章 分组密码和数据加密标准 64
学习目标 64
4.1 传统分组密码结构 64
4.1.1 流密码与分组密码 64
4.1.2 Feistel密码结构的设计动机 65
4.1.3 Feistel密码 67
4.2 数据加密标准 71
4.2.1 DES加密 71
4.2.2 DES解密 72
4.3 DES的一个例子 72
4.3.1 结果 72
4.3.2 雪崩效应 73
4.4 DES的强度 74
4.4.1 56位密钥的使用 74
4.4.2 DES算法的性质 74
4.4.3 计时攻击 75
4.5 分组密码的设计原理 75
4.5.1 迭代轮数 75
4.5.2 函数F的设计 76
4.5.3 密钥扩展算法 76
4.6 关键术语、思考题和习题 76
第5章 有限域 79
学习目标 79
5.1 群 79
5.1.1 群的性质 80
5.1.2 交换群 80
5.1.3 循环群 80
5.2 环 81
5.3 域 81
5.4 有限域GF(p) 82
5.4.1 阶为p的有限域 82
5.4.2 在有限域GF(p)中求乘法逆元 83
5.4.3 小结 84
5.5 多项式运算 84
5.5.1 普通多项式运算 85
5.5.2 系数在Zp中的多项式运算 86
5.5.3 求公因式 88
5.5.4 小结 89
5.6 有限域GF(2n) 89
5.6.1 动机 89
5.6.2 多项式模运算 91
5.6.3 求乘法逆元 92
5.6.4 计算上的考虑 93
5.6.5 使用生成元 95
5.6.6 小结 97
5.7 关键术语、思考题和习题 97
第6章 高级加密标准 99
学习目标 99
6.1 有限域算术 99
6.2 AES的结构 100
6.2.1 基本结构 100
6.2.2 详细结构 103
6.3 AES的变换函数 105
6.3.1 字节代替变换 105
6.3.2 行移位变换 109
6.3.3 列混淆变换 110
6.3.4 轮密钥加变换 112
6.4 AES的密钥扩展 113
6.4.1 密钥扩展算法 113
6.4.2 基本原理 114
6.5 一个AES的例子 114
6.5.1 结果 115
6.5.2 雪崩效应 117
6.6 AES的实现 118
6.6.1 等价的逆算法 118
6.6.2 实现方面 119
6.7 关键术语、思考题和习题 121
附录6A 系数在GF(28)中的多项式 122
附录6A.1 列混淆变换 124
附录6A.2 乘以x 124
第7章 分组加密工作模式 125
学习目标 125
7.1 多重加密和三重DES 125
7.1.1 双重DES 125
7.1.2 使用两个密钥的三重DES 127
7.1.3 使用三个密钥的三重DES 128
7.2 电码本模式 129
7.3 密文分组链接模式 130
7.4 密码反馈模式 132
7.5 输出反馈模式 133
7.6 计数器模式 135
7.7 面向分组存储设备的XTS-AES模式 137
7.7.1 可调整分组密码 137
7.7.2 存储加密要求 138
7.7.3 单个分组的运算 139
7.7.4 扇区上的运算 140
7.8 保留格式加密 141
7.8.1 研究动机 142
7.8.2 FPE设计的难点 142
7.8.3 保留格式加密的Feistel结构 143
7.8.4 保留格式加密的NIST方法 146
7.9 关键术语、思考题和习题 151
第8章 随机位生成和流密码 155
学习目标 155
8.1 伪随机数生成的原理 155
8.1.1 随机数的用途 156
8.1.2 TRNG、PRNG和PRF 156
8.1.3 PRNG的要求 157
8.1.4 算法设计 159
8.2 伪随机数生成器 159
8.2.1 线性同余生成器 159
8.2.2 BBS生成器 160
8.3 使用分组密码生成伪随机数 161
8.3.1 使用分组加密工作模式的
PRNG 161
8.3.2 NIST CTR_DRBG 163
8.4 流密码 164
8.5 RC4 166
8.5.1 初始化S 166
8.5.2 流生成 166
8.5.3 RC4的强度 167
8.6 使用反馈移位寄存器的流密码 167
8.6.1 线性反馈移位寄存器 168
8.6.2 非线性反馈移位寄存器 170
8.6.3 Grain-128a 171
8.7 真随机数生成器 173
8.7.1 熵源 173
8.7.2 PRNG和TRNG的比较 173
8.7.3 调节 174
8.7.4 健康测试 175
8.7.5 英特尔数字随机数生成器 176
8.8 关键术语、思考题和习题 178
第三部分 非对称密码
第9章 公钥密码学与RSA 182
学习目标 182
9.1 公钥密码体制的原理 183
9.1.1 公钥密码体制 183
9.1.2 公钥密码体制的应用 187
9.1.3 公钥密码的要求 187
9.1.4 公钥密码分析 188
9.2 RSA算法 189
9.2.1 RSA算法描述 189
9.2.2 计算问题 191
9.2.3 RSA的安全性 194
9.3 关键术语、思考题和习题 197
第10章 其他公钥密码体制 201
学习目标 201
10.1 Diffie-Hellman密钥交换 201
10.1.1 算法 201
10.1.2 密钥交换协议 203
10.1.3 中间人攻击 203
10.2 ElGamal密码体制 204
10.3 椭圆曲线算术 206
10.3.1 交换群 207
10.3.2 实数域上的椭圆曲线 207
10.3.3 Zp上的椭圆曲线 209
10.3.4 GF(2m)上的椭圆曲线 211
10.4 椭圆曲线密码学 212
10.4.1 用椭圆曲线密码实现
Diffie-Hellman密钥交换 212
10.4.2 椭圆曲线加密/解密 213
10.4.3 椭圆曲线密码的安全性 214
10.5 关键术语、思考题和习题 214
第四部分 密码学数据完整性算法
第11章 密码学哈希函数 218
学习目标 218
11.1 密码学哈希函数的应用 218
11.1.1 消息认证 219
11.1.2 数字签名 221
11.1.3 其他应用 221
11.2 两个简单的哈希函数 222
11.3 要求与安全性 223
11.3.1 密码学哈希函数的安全要求 223
11.3.2 穷举攻击 225
11.3.3 密码分析 226
11.4 安全哈希算法 227
11.4.1 SHA-512逻辑 228
11.4.2 SHA-512轮函数 230
11.4.3 示例 232
11.5 SHA-3 234
11.5.1 海绵结构 234
11.5.2 SHA-3迭代函数f 237
11.6 关键术语、思考题和习题 242
第12章 消息认证码 245
学习目标 245
12.1 消息认证要求 245
12.2 消息认证函数 246
12.2.1 消息加密 246
12.2.2 消息认证码 249
12.3 消息认证码的要求 251
12.4 MAC的安全性 252
12.4.1 穷举攻击 252
12.4.2 密码分析 253
12.5 基于哈希函数的MAC：HMAC 253
12.5.1 HMAC设计目标 253
12.5.2 HMAC算法 254
12.5.3 HMAC的安全性 255
12.6 基于分组密码的MAC：DAA和
CMAC 255
12.6.1 数据认证算法 255
12.6.2 基于密码的消息认证码
（CMAC） 256
12.7 认证加密：CCM和GCM 258
12.7.1 使用分组密码链接?消息认证码
的计数器 258
12.7.2 Galois/计数器模式 260
12.8 密钥封装 262
12.8.1 应用背景 262
12.8.2 密钥封装算法 263
12.8.3 密钥解封 265
12.9 使用哈希函数和MAC的伪随机数
生成器 266
12.9.1 基于哈希函数的PRNG 266
12.9.2 基于MAC函数的PRNG 266
12.10 关键术语、思考题和习题 267
第13章 数字签名 270
学习目标 270
13.1 数字签名概述 271
13.1.1 性质 271
13.1.2 攻击和伪造 271
13.1.3 数字签名要求 272
13.1.4 直接数字签名 272
13.2 ElGamal数字签名方案 272
13.3 Schnorr数字签名方案 274
13.4 NIST数字签名算法 274
13.4
William Stallings，出版了18部教材，算上修订版，在计算机安全、计算机网络和计算机体系结构等领域共出版了70多本书籍。他的著作多次出现在各种期刊上，包括《IEEE进展》《ACM计算评论》和《密码术》。他13次获得美国“教材和著作家协会”颁发的“年度计算机科学教材”奖。陈晶，博士，武汉大学国家网络安全学院教授，博士生导师。中国计算机学会会员、中国密码学会会员，研究方向为网络安全、分布式系统安全。主持国家自然科学基金重点项目1项，国家重点研发计划课题1项，国家自然科学基金4项，湖北省自然科学基金2项，华为预研基金1项，中国信息安全测评中心项目1项，*重点实验室开放基金1项。
本书系统地介绍了密码编码学与网络安全的基本原理和应用技术。全书分六部分：背景知识部分介绍信息与网络安全概念、数论基础；对称密码部分讨论传统加密技术、分组密码和数据加密标准、有限域、高级加密标准、分组加密工作模式、随机位生成和流密码；非对称密码部分讨论公钥密码学与RSA、其他公钥密码体制；密码学数据完整性算法部分讨论密码学哈希函数、消息认证码、数字签名、轻量级密码和后量子密码；互信部分讨论密钥管理和分发、用户认证；网络和因特网安全部分讨论传输层安全、无线网络安全、电子邮件安全、IP安全、网络端点安全、云计算、物联网安全。附录A讨论线性代数的基本概念，附录B讨论保密性和安全性度量，附录C介绍数据加密标准，附录D介绍简化AES，附录E介绍生日攻击的数学基础。本书可作为高校计算机、网络空间安全、信息安全、软件工程等专业高年级本科生和研究生的教材，也可供计算机、通信、电子工程等领域的科研人员参考。
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