第1章密碼學基礎模型與概念1
1.1密碼學基本概念1
1.1.1密碼棒1
1.1.2保密通信模型2
1.1.3攻擊者的能力2
1.1.4現代密碼學的基本原則3
1.1.5密碼分析的攻擊方式4
1.2基於密鑰的算法6
1.2.1對稱密鑰密碼繫統6
1.2.2非對稱密鑰密碼繫統7
1.3密碼協議7
1.3.1引例: 加密的銀行轉賬8
1.3.2一個攻擊9
1.3.3增加認證9
1.3.4對認證的攻擊10
1.3.5安全協議類型與特點10
1.4密碼法治化與標準化12
1.4.1密碼相關法律12
1.4.2國家密碼標準13
1.4.3工程使用與產品測評標準15
1.5小結17第2章古典密碼的演化18
2.1引子18
2.2單表代換密碼18
2.2.1最簡單的代換密碼——移位密碼18
2.2.2帶斜率的變換——仿射密碼21
2.2.3代換密碼的一般形式與特點23
2.2.4代換密碼的殺手——頻率攻擊24
2.3多表代換密碼25現代密碼學概論(第2版)目錄2.4分組密碼30
2.4.1分組密碼基礎30
2.4.2最簡單的分組密碼31
2.4.3多表代換分組密碼——希爾密碼33
2.4.4分組密碼的基本手段——擴散和混淆35
2.5一種不可攻破的密碼體制35
2.5.1信息的二進制表示36
2.5.2一次一密37
2.6轉輪密碼38
2.7小結39
思考題40第3章流密碼41
3.1偽隨機序列的生成41
3.1.1一般方式41
3.1.2線性反饋移位寄存序列42
3.2流密碼43
3.2.1Trivium44
3.2.2ChaCha2045
3.2.3ZUC45
3.3小結49
思考題49第4章數據加密標準51
4.1概述51
4.1.1DES的歷史51
4.1.2DES的描述52
4.2Feistel體制53
4.2.1單輪Feistel53
4.2.2多輪Feistel54
4.2.3Feistel加解密的同結構54
4.3DES加密55
4.3.1DES的初始置換與逆初始置換56
4.3.2DES的F函數56
4.4分組密碼的使用59
4.4.1分組密碼工作模式59
4.4.2分組密碼填充模式62
4.5破解DES63
4.6三重DES65
4.7小結65
思考題65第5章高級加密標準67
5.1高級加密標準的起源67
5.2代換置換網絡結構68
5.3高級加密標準的結構69
5.3.1總體結構69
5.3.2詳細結構70
5.3.3輪密鑰加變換70
5.3.4字節代換70
5.3.5行移位73
5.3.6列混合73
5.3.7密鑰擴展算法74
5.4AES設計上的考慮75
5.5有限域76
5.5.1什麼是有限域76
5.5.2階為p的有限域77
5.5.3有限域GF(28)的動機77
5.5.4普通多項式算術77
5.5.5GF(2n)上的多項式運算78
5.5.6GF(28)運算的計算機實現80
5.6小結83
思考題83第6章RSA與公鑰體制84
6.1公鑰密碼體制85
6.2RSA算法86
6.3RSA簽名與協議驗證應用90
6.3.1RSA的數字簽名應用90
6.3.2RSA的協議驗證應用92
6.4素性判定92
6.5RSA129挑戰與因子分解95
6.5.1RSA129挑戰95
6.5.2因子分解96
6.6RSA攻擊98
6.7小結103
思考題104第7章離散對數與數字簽名105
7.1離散對數問題105
7.2DiffieHellman密鑰交換協議106
7.3ElGamal公鑰體制107
7.4比特承諾108
7.5離散對數計算109
7.5.1離散對數奇偶性判定109
7.5.2PohligHellman算法109
7.5.3指數微積分111
7.5.4小步大步算法111
7.6生日攻擊112
7.7數字簽名113
7.8小結116
思考題116第8章散列函數117
8.1概述117
8.1.1散列函數的定義117
8.1.2散列函數的特性118
8.1.3散列函數的安全性119
8.2SHA繫列算法119
8.2.1SHA的起源120
8.2.2SHA2120
8.2.3SHA3125
8.2.4SHA家族安全性對比132
8.3SM3雜湊算法133
8.3.1SM3算法結構133
8.3.2SM3與SHA256135
8.4小結136
思考題136第9章密鑰管理技術138
9.1概述138
9.2密鑰生成140
9.3密鑰維護141
9.3.1密鑰分配141
9.3.2密鑰的使用與存儲148
9.3.3密鑰更新及生命周期148
9.3.4密鑰備份與恢復149
9.4密鑰托管技術149
9.4.1簡介149
9.4.2EES介紹149
9.4.3密鑰托管密碼體制的組成成分150
9.5小結152
思考題152第10章幾個重要的密碼學話題153
10.1秘密共享153
10.1.1秘密分割153
10.1.2門限方案154
10.2博弈160
10.2.1擲硬幣博弈160
10.2.2撲克博弈162
10.2.3匿名密鑰分配164
10.3零知識165
10.3.1零知識證明模型和實例165
10.3.2零知識證明協議166
10.3.3基於零知識的身份認證協議168
10.4小結172
思考題172第11章密碼學新技術174
11.1橢圓曲線174
11.1.1加法定律176
11.1.2橢圓曲線的應用179
11.1.3國產SM2算法184
11.2雙線性對190
11.2.1雙線性映射190
11.2.2雙線性對在密碼學中的應用191
11.3群簽名方案193
11.3.1基於離散對數的群簽名方案195
11.3.2基於雙線性對的群簽名方案201
11.4量子密碼204
11.4.1量子計算機對現代密碼學的挑戰205
11.4.2量子密碼205
11.5小結206
思考題206第12章密碼技術新應用208
12.1電子商務208
12.1.1電子商務安全概述208
12.1.2安全的電子商務繫統210
12.2輕量級密碼與物聯網222
12.2.1物聯網的概念及其網絡架構222
12.2.2物聯網感知層安全225
12.2.3物聯網網絡層安全228
12.2.4物聯網應用層安全232
12.3小結233
思考題234參考文獻235

隨著國際網絡對抗與攻擊頻繁，違法犯罪活動加速向互聯網蔓延，網絡空間安全關繫到國家的主權、安全與發展，關繫到廣大人民群眾在網絡空間的獲得感、幸福感、安全感。國家加強網絡安全學科建設和人纔培養，截至2022年9月，國內有200餘所高校設立網絡安全本科專業，每年網絡安全專業畢業生超2萬人。密碼學是保障網絡安全的核心技術和基礎支撐，因此面向高校網絡空間安全課程的密碼學教材建設具有重要意義。 
《現代密碼學概論》自清華大學出版社2017年5月出版以來，已印刷5次，累計印刷近5000冊，作為教材在十幾所高等學校的網絡空間安全相關專業的研究生和高年級本科生課程中使用。然而，從首次出版至今，我國頒布了多項國家密碼法律法規，我國自主設計的多個密碼算法成為國際標準。這些發展成就不僅是增強網絡安全意識的優秀素材，還是提升網絡安全技術的實用範例。為此，作者在保持《現代密碼學概論》語言風格的基礎上，調整擴充了部分章節內容。其中，第1章增加了我國的密碼標準和法律法規介紹；擴充偽隨機序列的生成內容，單列成第3章流密碼，並增加3個國際流密碼標準方案，即Trivium、ChaCha20和ZUC密碼；擴充散列函數單列成第8章，並增加國際密碼散列函數標準，包括SHA繫列算法、國產SM3雜湊算法等；擴充橢圓曲線內容，增加11.1.3節國產SM2算法；擴充12.3.3節物聯網網絡層安全內容，增加WLAN標準WAPI和IEEE 802.11i。根據各章節的知識點，擴充相應的計算與證明題。
本書列入江蘇省高等學校重點教材(編號: 20211101),並得到了江蘇大學信息安全與物聯網工程兩個國家級一流本科專業建設點、江蘇高校品牌專業建設工程二期項目“信息安全一流專業建設”、江蘇大學高等教育教改研究課題(編號2021JGYB006)的支持。特別致謝東南大學王良民教授，他作為筆者博士後導師，規劃和組織了第1版教材的出版，讓我做第一編者。此次，又指導我進行第2版修訂，帶領我申請並獲批了江蘇省重點教材，並再次支持我做第一編者。感謝山東理工大學周世祥老師、淮北師範大學江明明老師關於增加國密算法、散列函數國際標準的建議。此次修訂的擴展部分由王良民教授負責制訂方案並安排章節任務；我負責統稿、審校和第1章擴充任務；安徽大學仲紅教授負責第8章編寫任務；中原工學院潘恆教授負責第11章編寫任務；江蘇大學物聯網工程繫馮麗老師負責第12章的擴充任務；我們科研組甘洋東、許德龍參與了部分編寫工作和習題擴充。歡迎使用本書的教師、學生和讀者提出寶貴意見。

潘森杉2023年10月現代密碼學概論(第2版)第2版前言通常來說，大多數人都知道信息安全和網絡安全的概念，但是並不一定知道密碼學。信息技術的迅猛發展改變了人們的生活和工作方式，例如，親人朋友更喜歡用手機視頻聊天而不是打電話，手機買菜、點外賣、居家工作、上網課逐漸成為更多人日常生活的一部分，老年人出門買東西大多用手機支付而不是帶錢或銀行卡。信息技術的這些變化在使人們的生活更加便捷的同時，也面臨著信息安全和網絡安全問題，著名的新聞就有“LinkedIn”數據洩露事件，“偷臉”事件與“護臉計劃”等。然而，這些事情並未引起社會大眾的廣泛重視,也不知道這些信息安全秘密的保護是通過一種密碼技術實現的，更不知道那個密碼是什麼，是不是上網賬號的那個“密碼”?難道設置一個密碼還需要通過一門課、一本書來“學”嗎？
雖然我們都停留在“不知道”的階段，但是密碼技術和以密碼技術為基礎的信息與網絡安全問題已經延伸到社會大眾的廣泛需求上來。更為重要的是，這些和我們生活融為一體的信息與網絡，組成了一個完全新型的“網絡空間”，這是一個和海、陸、空並列的第四空間，我們生活在這個新型的空間裡，無可避免地依賴這個空間，並被它制約。我們從一繫列事件來看看網絡空間的重要性: 2016年12月，國家互聯網信息辦公室發布《國家網絡空間安全戰略》；2017年3月，中國發布首份《網絡空間國際合作戰略》；2022年11月7日，國務院新聞辦公室發布《攜手構建網絡空間命運共同體》白皮書。這說明，網絡空間作為人類的行動空間，已經成為國家安全的重要組成部分，網絡空間建設成為造福全人類的發展共同體、安全共同體、責任共同體、利益共同體。所以，國家主席習近平同志親自擔任信息化與網絡安全領導小組組長，確立了網絡空間安全學科，這體現了我國對第四空間安全與自由的重視。
這些信息的枚舉，讓我們知道了網絡空間安全原來這麼重要。可是，我們依然不知道這一切和本書有什麼關繫，我們為什麼要學習密碼學。這是因為網絡空間的信息安全往往需要用到密碼技術來保護，而密碼卻不是記在我們大腦中的一串口令。什麼是密碼，密碼背後的設計者是什麼樣的人，密碼技術從哪裡來，用到哪裡去，它們是否和我們的日常生活有緊密關聯，它們有什麼樣的技術瓶頸，它們會在多大程度上影響我們的生活？我們將在本書講授密碼技術的同時，穿插一些歷史上的趣聞軼事，在提高可讀性的同時介紹密碼學的歷史，引發讀者對密碼技術的思考，從而提高學習的興趣。其實，關於密碼學的教科書已經有很多了，這些“教材”往往以其專業的密碼技術和嚴密的數學基礎讓人望而卻步，甚至於信息安全專業的本科生看了都嫌枯燥，如果一本教材隻提供給那些對數學和密碼技術本身有濃厚興趣和天分的人，那麼這個教材還是不是教材呢？編者認為，一本入門級別的好的密碼學教材，尤其是《現代密碼學概論》這樣的書，不僅要繫統地介紹密碼學的框架和應用，給讀者以概貌；還要引導讀者去認識生活中的密碼問題和密碼技術，譬如: 
現代密碼學概論(第2版)第1版前言 密碼是什麼，和我關繫很大嗎？是不是我們網上購物時，用到的用戶名和登錄口令，我們常常稱呼這個口令為密碼，而且當這個口令被他人截獲時，我們就認為“我的密碼丟了”。在本書中，我們將告訴大家口令(password)並非密碼，也不是密鑰，但是我們登錄網絡賬戶的時候，密碼技術的確在幕後默默地保護著我們的隱私。除此之外，本書在介紹密碼技術無處不在的同時，也將教會你如何讓網易郵箱查看不了你所收發的郵件，以及如何驗證你在網上下載的Windows 10繫統安裝文件是否完整有效，把高深的密碼學和日常的生活關聯起來。讓讀者認識到，密碼技術提供的安全無處不在，在介紹復雜枯燥的數學方法時，給出一些日常生活的應用場景，這是本書的一個特點。
 一些我們未曾關注到的安全問題，例如網上流傳的照片上，臉書(Facebook)的CEO Mark Zuckerberg用膠帶封住了攝像頭和麥克風，他為什麼要這麼做？如果我們說這是基於信息安全的考慮，您會不會覺得奇怪？現代的信息技術已經能夠讓我們“刷臉”簽名、聲音簽名了，簡單的例子是，你一定在紙質合同或協議上署過名吧，簽名能不能被復制和模仿呢？在電子世界裡也是如此，本書將教你如何防範自己的簽名被他人利用，以致造成權益損失。本書以這些簽名技術所使用的密碼技術為背景，詮釋了QQ登錄口令、支付寶口令等，如何設置纔安全，以及這樣設置的理由。甚至，我們還討論了如何安全地從銀行或ATM上大額取款。我們不能說讀完本書，讀者將披上一身安全的鎧甲，讓騙子無法得逞；但是我們能讓讀者在讀完本書之後，對安全問題有初步的理性認識。
 新型計算技術、網絡安全事件，譬如量子計算機和量子密碼離我們還有多遠，據說加拿大DWave公司研發出了量子計算機，在這樣超強的計算能力面前，傳統的密碼技術還能保護我們的安全嗎？又如，美國560萬指紋被盜、微軟操作繫統的“心髒出血”、孟加拉國銀行打印機被黑客控制導致被竊……這些事件是怎麼回事？為什麼神奇的密碼學沒有防住？如何纔能將無孔不入的黑客拒之門外？
當我們在前言部分如此敘述的時候，可能會誤導讀者對本書定位的思考，然而，編者需要聲明的是: 本書並不是一本安全技術的實用手冊，我們僅僅是在介紹密碼技術的時候，順便提到它有這些應用；本書也不是密碼學歷史和應用的科普論文，我們介紹了詳細的算法、具體的推演甚至還有一部分嚴格的證明；這是一本適用於計算類專業（包含計算機科學與技術、軟件工程、網絡工程、物聯網工程和一些以工程應用人纔為培養目標的信息安全專業）學生了解信息安全知識的密碼學入門教材。密碼學與信息安全密不可分，其方向涉及數學、計算機、通信、物理和生物等領域。交叉學科和專業課——這個雙重性決定了想要精通這門課程是較困難的。所以，我們面向的讀者群體是那些對信息安全有興趣卻不痴迷於數論和算法，他們希望獲得一本通俗易懂的教材讓他知道密碼學是什麼，可以用在哪裡，並且如果這些基本的知識能夠激發他的學習興趣，還可以在這本書裡進行一些初步推導和演算。在以後的工程應用或者理論中，如果需要更深的密碼技術和更專門的理論體繫，本書則無法提供，隻能引導讀者去尋找更為專業的著作。作為一本入門級別的教材，本書有以下三個特點: 
(1) 知識全面,體繫合理。書中涵蓋了密碼學的基本概念、算法和協議，並加入了必要的數學知識，也就是當您讀到某一部分需要數學基礎的時候，不用去圖書館借閱，也不用翻閱某個特定的“數學基礎”書，您馬上就能看到相關的基礎知識。
(2) 技術深入,介紹淺顯。作者用淺顯的圖形、例子和故事，甚至並不嚴密的對比分析等來描述部分知識，盡可能給讀者建立形像的技術概貌。對於有興趣的讀者願意深入鑽研的基礎問題，例如DES、AES算法，作者列出了詳細的加解密過程。
(3) 話題模式、內容趣味性強。在知識點的學習過程中穿插了相關人物故事的介紹，並給出了實用的例子，在講解枯燥的專業知識的同時，提供一些趣味的話題，可以用來向自己的家人、甚至文科的朋友講解，去展示自己專業的神奇，並從中獲得學習的樂趣。
全書是按照密碼的演化史來展開的，共分12章，涉及密碼算法、安全協議、安全應用等內容。在本書的撰寫過程中，江蘇大學潘森杉博士負責了全書的統稿與編輯，使得寫法風格一致，並組織研究生甘洋東、許德龍完成了第1、3、8、9～12章的編寫、全書修訂與擴充習題的工作；安徽大學仲紅教授參與了第9、11章的編寫；中原工學院潘恆教授參與了第1、2、6、7章的編寫；東南大學王良民教授和筆者共同討論，確定了文章的框架，審閱了全書，並組織研究生楊樹雪、張慶陽、吳海雲、劉亞偉、謝晴晴、徐文龍、李從東等搜集了材料、提供了教材編寫的基本素材，完成了第1、2、4～7章的編寫工作。本書各章節的內容安排如下: 
第1章介紹了密碼學的基本模型和概念、我國的密碼標準和法律法規。這些內容說明密碼已經成為日常工作生活中不可或缺的一個組成部分。
第2章講述了古代人是如何憑借著其聰明纔智進行保密通信和密碼破譯的，其間往往還伴有驚心動魄的故事。這部分內容涵蓋單表替換、多表替換、分組密碼、一次一密以及轉輪密碼。
第3章介紹了兼顧效率和安全的流密碼方案。內容涵蓋幾種主要密碼學器件和三種不同結構的流密碼國際標準。
第4章描述了DES這個經典密碼方案，雖然其安全強度已不能滿足要求，但它的設計思想是值得學習的。
第5章介紹了DES的繼任者——AES，這是密碼學研究者的必學方案。
第6章解釋了最著名的公鑰密碼方案——RSA公鑰密碼方案，同時解釋了公鑰方案是如何解決古典密碼與對稱密碼所遇到的密鑰分配難題的。
第7章介紹了公鑰密碼的另一個作用是實現數字簽名，並且除了基於大整數分解的RSA方案，還介紹了基於離散對數問題的公鑰密碼方案——ElGamal。
第8章引入了密碼散列函數的概念，並介紹了國際密碼散列函數標準SHA2、SHA3與SM3的原理。
第9章從密碼學的角度講述如何生成密鑰並進行密鑰維護，內容可能和現實生活中我們可能要記住多個口令(例如各種銀行卡、網絡賬戶、手機賬戶等)這個頭疼的問題關聯。
第10章告訴我們如何把“雞蛋”(秘密)放在不同的“籃子”裡，如何能夠讓強盜相信你有保險櫃的密碼並能保住你性命等問題，從而引出密碼協議中的一些重要話題。
第11章把讀者領入這些密碼學“新”技術的大門，介紹了橢圓曲線、雙線性對、群簽名、量子密碼等名詞概念，讀者或許是第一次看到它們，但它們其實已經發展了相當一段時間並且其中一些已經是成熟的技術。
第12章講述密碼具有豐富的應用: 電子商務、比特幣和物聯網等。
需要特別感謝的是國家級一流本科專業建設點 江蘇大學信息安全專業、江蘇高校品牌專業建設工程二期項目 信息安全一流專業建設、江蘇大學高等教育教改研究課題(編號2021JGYB006)、“安徽省高等教育振興計劃 信息安全新專業建設”項目(編號2013zytz008)、“江蘇省推薦國家級綜合改革試點項目”和江蘇大學教學改革重點項目(編號2011JGZD012)的資助。
此外，作為編寫的教材，本書除整體安排和語言組織之外，所包含技術內容都非編者原創，均來自書本材料和網絡搜集。我們盡力標注出所引用的出處，但是一方面由於文獻的交叉引用，我們很難找到原始發布者；另一方面為了教材的可讀性，我們不能做到類似科技論文和專業著作那樣對每一句的來源都嚴格論證引用。如果未能對所借鋻的資料標注出處，敬請原作者和讀者諒解並不吝指教。編者將在後續版本中更正並給出相應的說明。

仲紅2016年12月