本书共10章，主要介绍密码学的基本原理与设计方法，其中包括对称密码算法与非对称密码算法、数字签名算法及哈希函数的设计原理、密钥管理体制的设计方法，以及主流密码库的使用说明等。本次修订的内容体现在第2章至第10章，特别新增了中国流密码、国产分组密码、认证加密、基于属性的加密、国产公钥加密、国产哈希算法、基于属性的数字签名、国产数字签名、后量子签名、国产密钥交换协议、聚合签名、旁路攻击和掩码防护技术，以及全同态运算密码库和双线性对运算密码库等内容。本书涵盖了传统密码体制、基于属性的密码体制、后量子密码、抗泄露对称密码、主要的国产密码算法和主流密码库，体现了经典与前沿热点相融合、理论与应用相结合的特色。本书可作为高等院校计算机、信息安全和网络空间安全等专业本科生的教材，也可作为电子信息与通信和信息管理等专业研究生的选读教材，还可供信息安全、计算机及通信等领域的工程技术人员和管理人员参考。

郑东，教授，西安邮电大学网络安全学院副院长（主持工作）。任中国密码学会理事、中国密码学会教育与科普委员会副主任委员、陕西省百人计划特聘专家。主持国家级项目多项。

第1章 密码学引论 1
1.1 密码学在信息安全中的作用 2
1.1.1 信息安全面临的威胁 2
1.1.2 信息安全需要的基本安全服务 3
1.2 密码学导引 3
1.2.1 密码学历史 3
1.2.2 密码学基本概念 4
1.2.3 密码体制的分类 4
1.3 信息论基本概念 5
1.4 计算复杂性 7
本章小结 8
参考文献 8
问题讨论 9
第2章 流密码 10
2.1 概述 11
2.2 流密码的结构 12
2.2.1 同步流密码 12
2.2.2 自同步流密码 13
2.3 反馈移位寄存器与线性反馈移位寄存器 13
2.3.1 反馈移位寄存器 13
2.3.2 线性反馈移位寄存器 14
2.3.3 LFSR示例 15
2.3.4 m序列与最长移位寄存器 17
2.3.5 m序列的破译 18
2.3.6 最新研究方向 19
2.4 伪随机序列的性质 20
2.4.1 随机序列 20
2.4.2 Golomb随机性公设 21
2.4.3 m序列的伪随机性 21
2.4.4 线性复杂度 22
2.5 基于LFSR的伪随机序列生成器 23
2.5.1 滤波生成器 23
2.5.2 组合生成器 23
2.5.3 钟控生成器 24
2.6 其他构造方法 24
2.6.1 勒让德序列 25
2.6.2 椭圆曲线序列 25
2.7 实用流密码 26
2.7.1 A5算法 27
2.7.2 RC4算法 29
2.7.3 中国流密码 31
2.7.4 欧洲序列密码计划（eStream） 34
本章小结 36
参考文献 36
问题讨论 37
第3章 分组密码 38
3.1 分组密码概述 39
3.2 分组密码的研究现状 39
3.3 分组密码的设计原理 40
3.3.1 乘积组合 40
3.3.2 扩散 40
3.3.3 混淆 40
3.4 数据加密标准DES 41
3.4.1 DES简介 41
3.4.2 DES加密算法 41
3.4.3 初始置换IP和逆序置换 43
3.4.4 轮函数 43
3.4.5 扩展E变换 44
3.4.6 S盒 44
3.4.7 P盒 46
3.4.8 子密钥的产生 47
3.4.9 DES解密算法 48
3.4.10 DES的弱密钥 49
3.4.11 DES示例 49
3.4.12 三重DES的变形 50
3.5 国际数据加密算法 51
3.5.1 IDEA算法的特点 51
3.5.2 基本运算单元 52
3.5.3 IDEA的速度 53
3.5.4 IDEA加密过程 53
3.5.5 IDEA的每一轮迭代 54
3.5.6 输出变换 55
3.5.7 子密钥的生成 56
3.5.8 IDEA解密过程 56
3.6 AES算法Rijindael 56
3.6.1 算法结构 57
3.6.2 Rijindael加密过程 58
3.6.3 轮函数 59
3.6.4 字节替换 59
3.6.5 行移位 60
3.6.6 列混合 61
3.6.7 轮密钥加 62
3.6.8 子密钥的产生 62
3.6.9 Rijindael解密过程 63
3.6.10 小结 64
3.7 SM4算法 64
3.8 分组密码工作模式 67
3.8.1 电子密码本模式 67
3.8.2 密文块链接模式 67
3.8.3 密文反馈模式 68
3.8.4 输出反馈模式 69
3.8.5 AES CTR 70
3.8.6 AES GCM 71
3.8.7 XTS-AES 72
3.9 认证加密 73
3.9.1 概述 73
3.9.2 HMAC 74
3.9.3 OCB认证加密模式 75
3.9.4 Ascon 77
3.9.5 带相关数据的认证加密之由来 80
3.10 差分密码分析 81
3.11 线性分析 83
本章小结 88
参考文献 88
问题讨论 89
第4章 公钥密码 90
4.1 普通公钥加密 91
4.1.1 公钥密码概念的提出 91
4.1.2 基于大整数分解问题的公钥密码体制—RSA公钥密码体制 93
4.1.3 基于二次剩余问题的公钥密码体制 94
4.1.4 基于离散对数问题的公钥密码体制 94
4.1.5 基于背包问题的公钥密码体制 95
4.1.6 椭圆曲线公钥密码体制 96
4.2 基于身份的加密 98
4.2.1 双线性Diffie-Hellman假设 98
4.2.2 Boneh和Franklin的IDB密码体制 98
4.3 基于属性的加密 99
4.3.1 树形访问结构 99
4.3.2 密文策略的属性基加密方案的定义 100
4.3.3 密文策略的属性基加密方案的安全模型 100
4.3.4 密文策略的属性基加密方案的设计 101
4.4 后量子公钥加密 102
4.4.1 NTRU公钥密码体制 102
4.4.2 基于编码的公钥密码体制 103
4.4.3 基于解码问题的公钥密码—McEliece公钥密码 104
4.4.4 多变量公钥密码体制 105
4.4.5 基于格的公钥密码体制 107
4.5 SM2公钥加密 109
4.5.1 SM2公钥加密算法 109
4.5.2 相关符号 109
4.5.3 加密算法及流程 110
4.5.4 解密算法及流程 111
4.6 SM9公钥加密 112
4.6.1 SM9公钥加密算法 112
4.6.2 相关符号 112
4.6.3 加密算法及流程 113
4.6.4 解密算法及流程 113
本章小结 115
参考文献 116
问题讨论 116
第5章 认证和哈希函数 117
5.1 消息认证 118
5.2 消息认证方法 118
5.2.1 消息加密 118
5.2.2 消息认证码 119
5.2.3 哈希函数 120
5.3 MD5 122
5.3.1 MD5的整体描述 122
5.3.2 单个512比特的HMD5处理过程 123
5.4 SHA-1 127
5.4.1 SHA-1的整体描述 127
5.4.2 单个512比特的HSHA处理过程 128
5.5 MD5与SHA-1的比较 131
5.6 对哈希函数的攻击现状 131
5.6.1 直接攻击 131
5.6.2 生日攻击 131
5.6.3 差分攻击 132
5.7 SHA-256算法 134
5.7.1 SHA-256算法描述 135
5.7.2 SHA-256算法在区块链中的应用 137
5.8 SHA-3（Keccak算法） 137
5.9 SM3算法 141
5.9.1 常量和函数 141
5.9.2 SM3算法描述 142
本章小结 143
参考文献 143
问题讨论 144
第6章 数字签名 145
6.1 数字签名体制 146
6.2 RSA数字签名体制 146
6.3 Rabin签名体制 147
6.4 基于离散对数问题的签名体制 147
6.4.1 ElGamal签名体制 147
6.4.2 Schnorr签名体制 148
6.4.3 数字签名标准 149
6.5 基于解码问题的数字签名 149
6.6 基于椭圆曲线的数字签名体制 150
6.7 基于身份的数字签名体制 150
6.7.1 基于身份的数字签名体制的定义 151
6.7.2 基于身份的数字签名体制的安全性需求 152
6.7.3 使用双线性对技术的IBS 152
6.7.4 不使用双线性对技术的IBS 153
6.8 基于属性的数字签名算法 154
6.8.1 基于属性的数字签名体制的定义 154
6.8.2 基于属性的数字签名体制的安全性需求 155
6.8.3 使用双线性对技术的ABS 156
6.9 后量子签名算法 156
6.9.1 基于格的后量子签名算法 157
6.9.2 基于哈希函数的后量子签名算法 160
6.9.3 基于安全多方计算的后量子签名算法 162
6.10 SM2数字签名算法 163
6.10.1 相关符号 164
6.10.2 数字签名的生成算法及流程 164
6.10.3 数字签名的验证算法及流程 165
6.11 SM9数字签名算法 166
6.11.1 相关符号 167
6.11.2 数字签名的生成算法及流程 168
6.11.3 数字签名的验证算法及流程 168
本章小结 169
参考文献 170
问题讨论 171
第7章 密钥管理 172
7.1 概述 173
7.2 基本概念 173
7.2.1 密钥分类 173
7.2.2 密钥生命周期 174
7.2.3 密钥产生 175
7.2.4 密钥生命期 175
7.2.5 密钥建立 175
7.2.6 密钥的层次结构 176
7.2.7 密钥管理生命周期 176
7.3 密钥建立模型 178
7.3.1 点对点的密钥建立模型 178
7.3.2 同一信任域中的密钥建立模型 178
7.3.3 多个信任域中的密钥建立模型 179
7.4 公钥传输机制 181
7.4.1 鉴别树 181
7.4.2 公钥证书 183
7.4.3 基于身份的系统 183
7.5 密钥传输机制 184
7.5.1 使用对称密码技术的密钥传输机制 185
7.5.2 使用对称密码技术和可信第三方的密钥传输机制 186
7.5.3 使用公钥密码技术的点到点的密钥传输机制 186
7.5.4 同时使用公钥密码技术和对称密码技术的密钥传输机制 187
7.6 密钥导出机制 188
7.6.1 基本密钥导出机制 188
7.6.2 密钥计算函数 188
7.6.3 可鉴别的密钥导出机制 189
7.6.4 线性密钥导出机制 189
7.6.5 树状密钥导出机制 190
7.7 密钥协商机制 191
7.7.1 Diffie-Hellman密钥协商机制 192
7.7.2 端到端的协议 193
7.7.3 使用对称密码技术的密钥协商机制 193
7.8 基于SM2的密钥交换协议 194
7.9 基于SM9的密钥交换协议 196
7.10 密钥的托管/恢复 198
7.11 现实中的密钥管理方案 199
7.12 硬件辅助的密钥管理 200
本章小结 201
参考文献 201
问题讨论 201
第8章 高级签名 202
8.1 数字签名概述 203
8.2 盲签名 204
8.2.1 盲签名的基本概念 204
8.2.2 盲签名的安全性需求 204
8.2.3 盲签名的基本设计思路 204
8.2.4 基于RSA问题的盲签名 205
8.2.5 基于离散对数问题的盲签名 206
8.2.6 部分盲签名 207
8.3 群签名 208
8.3.1 群签名的基本概念 209
8.3.2 群签名的安全性需求 209
8.3.3 一个简单的群签名体制 210
8.3.4 另一个简单的群签名体制 210
8.3.5 短的群签名体制 211
8.3.6 成员撤销 213
8.4 环签名 214
8.4.1 环签名的基本概念 215
8.4.2 环签名的安全性需求 215
8.4.3 不具有可链接性的环签名 216
8.4.4 具有可链接性的环签名 217
8.5 民主群签名 218
8.5.1 民主群签名的定义 218
8.5.2 民主群签名的安全性需求 220
8.5.3 Manulis民主群签名 220
8.6 具有门限追踪性的民主群签名 222
8.6.1 群体初始化 223
8.6.2 密钥生成 223
8.6.3 签名生成 223
8.6.4 签名验证 224
8.6.5 签名人追踪 225
8.7 多重签名 225
8.7.1 流氓密钥攻击 226
8.7.2 安全模型 226
8.7.3 多重签名的不可伪造性 227
8.7.4 一种多签名体制 228
8.7.5 具有更紧归约的多重签名体制 230
8.8 聚合签名 231
8.8.1 聚合签名的定义 231
8.8.2 复杂度假设 231
8.8.3 具有指定验证者的聚合签名方案 232
8.8.4 具有常数个双线性对运算的聚合签名方案 233
8.8.5 基于身份的聚合签名方案 233
8.9 数字签密 234
8.9.1 研究现状 234
8.9.2 SC-KEM与SC-tKEM 235
8.9.3 SC-KEM与SC-tKEM的保密性模型 235
8.9.4 新的SC-KEM与SC-tKEM保密性模型 237
8.9.5 SC-KEM与SC-tKEM的不可伪造性模型 239
8.9.6 具体方案设计 240
本章小结 242
参考文献 242
问题讨论 245
第9章 抗泄露对称密码 246
9.1 概述 247
9.2 抗泄露密码的基本概念、定义与引理 248
9.2.1 最小熵、Metric熵、HILL熵与不可预测熵 248
9.2.2 最小熵的链式规则与密集模型定理 249
9.2.3 随机数提取器、通用哈希函数族及剩余哈希引理 250
9.3 抗泄露流密码算法的设计 251
9.3.1 FOCS 2008/Eurocrypt 2009抗泄露流密码 252
9.3.2 CCS 2010/CHES 2012/CT-RSA 2013抗泄露流密码 255
9.4 旁路攻击 257
9.4.1 简单功耗分析 257
9.4.2 差分功耗分析 259
9.5 掩码防护技术 260
9.5.1 基本定义 261
9.5.2 掩码方案 262
9.6 抗泄露密码的未来发展趋势 263
本章小结 264
参考文献 264
问题讨论 266
第10章 OpenSSL与其他相关密码库 267
10.1 OpenSSL背景 268
10.1.1 SSL/TLS协议背景 268
10.1.2 OpenSSL开源项目 268
10.2 OpenSSL在Linux平台上的快速安装 269
10.3 OpenSSL密码算法库 270
10.3.1 对称加密算法 270
10.3.2 非对称加密算法 270
10.3.3 摘要算法 271
10.3.4 密钥分发和有关PKI的编码算法 271
10.3.5 其他自定义功能 271
10.4 SSL/TLS协议库 272
10.5 OpenSSL中的应用程序 278
10.5.1 指令 278
10.5.2 基于指令的应用 280
10.5.3 基于函数的应用 280
10.6 NTL 280
10.7 GmSSL 281
10.8 全同态运算密码库 282
10.8.1 SEAL密码库简介 282
10.8.2 BFV方案的使用 283
10.8.3 CKKS方案的使用 286
10.9 双线性对运算密码库 289
10.9.1 JPBC库简介 289
10.9.2 BLS签名算法使用示例 290
本章小结 292
问题讨论 292