密码工程学

第1章 绪论

1.1 信息安全与密码技术

1.1.1 信息安全简述

1.1.2 密码技术简述

1.1.3 信息安全与密码技术的关系

1.2 密码技术发展简介

1.2.1 古代密码

1.2.2 近代密码

1.2.3 现代密码

1.3 密码工程学的基本概念

1.3.1 密码工程学的主要任务

1.3.2 密码系统的概念

1.3.3 对密码系统的攻击

1.3.4 密码系统的安全性

1.3.5 密码体制的分类

1.3.6 对称与非对称密码体制的主要特点

习题

第2章 密码工程学的基础技术

2.1 密码工程学的VC基础

2.1.1 简述

2.1.2 密码算法的C/C++实现

2.1.3 C++程序开发过程

2.1.4 实例

2.2 密码算法的硬件实现技术

2.2.1 Verilog HDL

2.2.2 仿真软件ModelSim

第3章 分组密码体制

3.1 分组密码的设计原则与评估

3.1.1 分组密码的设计原则

3.1.2 分组密码评估

3.2 分组密码的设计方法

3.2.1 Feistel结构

3.2.2 SPN结构

3.2.3 Lai-Massey结构

3.3 数据加密标准

3.3.1 DES概述

3.3.2 DES的设计准则

3.3.3 DES的加密原理

3.3.4 DES的加密算法程序实现

3.4 高级加密标准

3.4.1 算法的总体设计思想

3.4.2 算法基本运算

3.4.3 算法变换

3.4.4 AES解密

3.4.5 密钥扩展算法

3.4.6 算法实例

3.5 分组密码工作模式

3.5.1 电子密码本模式

3.5.2 密码分组链接模式

3.5.3 密码反馈模式

3.5.4 输出反馈模式

3.5.5 其他模式

习题

第4章 公钥密码体制

4.1 概述

4.1.1 公钥密码体制提出的背景

4.1.2 公钥密码体制的基本思想

4.1.3 公钥密码的应用

4.2 公钥密码的数学基础

4.2.1 素数和互素数

4.2.2 模运算

4.2.3 费马定理和欧拉定理

4.2.4 素性检验

4.2.5 欧几里得算法

4.2.6 中国剩余定理

4.2.7 离散对数

4.2.8 平方剩余

4.2.9 群论

4.2.10 有限域

4.3 RSA公钥密码体制

4.3.1 RSA算法描述

4.3.2 RSA的实现

4.3.3 RSA算法的程序实现

4.3.4 RSA的安全性

4.3.5 对RSA的攻击

4.4 ElGamal公钥密码体制

4.4.1 ElGamal密码体制描述

4.4.2 ElGamal算法程序实现

4.5 椭圆曲线密码体制

4.5.1 概述

4.5.2 椭圆曲线的概念与运算

4.5.3 椭圆曲线密码的编程实现

习题

第5章 序列密码

5.1 序列密码的基本概念

5.1.1 同步序列密码

5.1.2 自同步序列密码

5.2 线性反馈移位寄存器

5.3 基于LFSR的序列密码

5.3.1 基于LFSR的序列密码密钥流生成器

5.3.2 基于LFSR的序列密码体制

5.4 序列密码算法RC4

习题

第6章 Hash函数与消息鉴别

6.1 Hash函数的概念

6.1.1 Hash函数的性质

6.1.2 Hash函数的应用

6.2 Hash函数的构造与设计

6.2.1 安全Hash函数的结构

6.2.2 Hash函数的设计方法

6.3 安全散列算法SHA

6.3.1 SHA-1

6.3.2 其他SHA算法

6.4 对散列函数的攻击

6.4.1 生日悖论

6.4.2 生日攻击

6.5 消息鉴别

6.5.1 基于消息加密的鉴别

6.5.2 基于Hash函数的消息鉴别

6.5.3 HMAC

习题

第7章 数字签名技术

7.1 数字签名概述

7.1.1 数字签名的特性

7.1.2 数字签名的要求

7.1.3 数字签名的执行方式

7.1.4 数字签名的分类

7.2 基于公钥密码体制的典型数字签名方案

7.2.1 RSA数字签名方案及编程实现

7.2.2 ElGamal数字签名方案

7.2.3 数字签名标准及编程实现

7.2.4 基于椭圆曲线密码的数字签名算法

7.3 特殊数字签名方案

7.3.1 收方不可否认数字签名

7.3.2 盲签名

7.3.3 门限签名

习题

第8章 轻量级分组密码

8.1 轻量级密码算法简介

8.1.1 轻量级分组密码算法的产生

8.1.2 轻量级分组密码算法的发展历程

8.1.3 轻量级分组密码算法的设计原则与评估

8.2 典型轻量级密码算法的优化实现方法

8.2.1 PRESENT密码算法

8.2.2 Piccolo密码算法

8.3 新轻量级分组密码算法Magpie

8.3.1 Magpie技术背景

8.3.2 Magpie算法描述

习题

第9章 密码算法的FPGA实现

9.1 AES密码算法的Verilog HDL实现

9.1.1 字节替换模块

9.1.2 列混合模块

9.1.3 密钥扩展模块

9.1.4 AES算法的主模块

9.1.5 S盒变换模块与tab模块

9.2 AES密码算法的FPGA实现

9.2.1 AES的主要优化

9.2.2 实验分析

9.2.3 AES算法的FPGA实现

9.2.4 AES算法优化效果分析

9.3 DES密码算法的Verilog HDL实现

9.3.1 初始置换IP及逆初始置换IP-1模块

9.3.2 轮函数F模块

9.3.3 密钥扩展模块设计

9.3.4 主模块

9.4 DES密码算法的FPGA实现

9.4.1 实验分析

9.4.2 DES优化实现

9.4.3 DES算法的EDK操作流程

9.4.4 优化效果分析

习题

第10章 密码芯片的主要攻击与防御技术

10.1 简述

10.2 差分攻击与防御技术

10.2.1 差分攻击原理

10.2.2 DES差分分析

10.2.3 差分攻击防御技术

10.2.4 差分密码的分析推广

10.3 代数攻击

10.3.1 解方程法

10.3.2 MQ问题转化为 SAT问题的求解

10.3.3 对AES单轮代数的攻击

10.4 故障攻击与防御技术

10.4.1 故障攻击模型研究

10.4.2 故障攻击技术

10.4.3 故障攻击防御技术

10.5 功耗攻击与防御技术

10.5.1 功耗攻击模型研究

10.5.2 功耗攻击技术

10.5.3 功耗攻击防御技术

10.5.4 实验方法

10.5.5 分析与讨论

10.6 一种SMS4加密算法的差分功耗攻击

10.6.1 SMS4加密算法简介

10.6.2 SMS4加密算法的功耗攻击模型

10.6.3 SMS4加密算法的差分功耗攻击点

10.6.4 SMS4加密算法的差分功耗攻击实验

10.6.5 SMS4差分功耗攻击仿真平台设计

10.7 一种防御高阶功耗攻击的SMS4掩码方法

10.7.1 抗高阶功耗攻击SMS4算法

10.7.2 抗高阶功耗攻击随机掩码SMS4算法

10.7.3 伪随机固定值掩码SMS4算法

10.7.4 实验结果与分析

习题

附录A 密码工程学实验

A1 实验一DES程序实现

A2 实验二AES程序实现

A3 实验三RSA程序实现

A4 实验四ECC程序实现

A5 实验五PRESENT程序实现

A6 实验六Piccolo程序实现

附录B 主要习题参考答案

参考文献

密码算法的实现及其优化是非常重要的一门工程技术科学，是信息安全的重要组成部分。本书从密码算法的软硬件实现及其优化的角度进行论述，内容包括密码算法实现的基础技术、分组密码原理与实现技术、公钥密码原理与实现技术、序列密码原理与实现技术、Hash函数实现原理与技术、数字签名实现原理与技术。本书也重点论述了适应目前资源约束物联网环境下的轻量级密码算法原理与优化实现技术，包括典型轻量级密码算法优化的实现方法，轻量级密码算法的设计原理与方法，并以作者提出的Magpie轻量级密码算法为例进行设计方法学的介绍，以经典的DES和AES密码算法为例介绍密码算法FPGA的实现方法。最后，论述了密码芯片的主要攻击与防御技术。为了方便读者更好地掌握密码算法的实现技术，以附录的形式给出了6个密码算法的实验教程，方便学习者进行实际训练。本书部分内容是作者长期在密码领域内研究的最新成果，以初学者的角度进行内容编写，特别适合计算机、通信、物联网、网络工程、软件工程、电子商务、信息安全、信息管理等专业的学生进行入门学习，强调学习者动手能力的培养。同时，可供相关专业的研究生作为学习教材，也适合相关工程技术领域的科技人员作为参考。