Analysis and Design of Stream Ciphers (Communications and Control Engineering Series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:R. Rueppel

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1986-11

价格:USD 117.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780387168708

丛书系列:

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《流密码的分析与设计：通信与控制工程系列》 引言 在数字通信和信息安全日益重要的今天，加密技术扮演着至关重要的角色。流密码作为一种高效且广泛应用的加密算法，在保护数据传输的机密性和完整性方面发挥着不可替代的作用。本书《流密码的分析与设计：通信与控制工程系列》深入探讨了流密码的理论基础、设计原则、分析方法以及实际应用，为读者提供了全面的知识体系。本书旨在使读者能够深刻理解流密码的工作原理，掌握评估其安全性的关键技术，并具备设计和实现安全可靠的流密码系统的能力。 第一部分：流密码基础 本部分将为读者奠定坚实的流密码理论基础。 加密学概述： 首先，本书将简要回顾密码学的基本概念，包括对称加密、非对称加密、哈希函数等，并介绍流密码在整个加密学体系中的位置和重要性。我们将探讨加密的三个基本目标：机密性、完整性和可用性，以及流密码如何服务于这些目标。 流密码的定义与分类： 详细阐述流密码的概念，即通过生成一个密钥流来与明文进行按位操作（通常是异或）以获得密文，并在解密时使用相同的密钥流与密文进行异或得到明文。我们将介绍流密码的两种主要分类： 同步流密码 (Synchronous Stream Ciphers): 密钥流的生成与明文或密文无关，仅由密钥和初始状态决定。我们将深入分析其工作机制，包括密钥流生成器（KSG）的结构和工作流程。 自同步流密码 (Self-synchronizing Stream Ciphers): 密钥流的生成不仅依赖于密钥和初始状态，还依赖于前一段（或若干段）的明文或密文。我们将探讨其工作原理，包括错误传播的特性，以及其在实际应用中的优势和劣势。 密钥流生成器的基本要求： 评估一个流密码安全性的核心在于其密钥流生成器（KSG）。本书将详细阐述KSG需要满足的关键特性，包括： 伪随机性 (Pseudorandomness): 密钥流应在统计学上难以与真正的随机序列区分，这意味着任何统计测试都不能显著地暴露密钥流的非随机性。我们将介绍常用的统计测试，如频率测试、游程测试、块频率测试、序列测试、扑克测试、运行长度测试、非重叠模式匹配测试、重叠模式匹配测试、通用统计测试（GST）等。 扩散性 (Diffusion): 明文的微小变化应导致密文中显著的变化，这是混淆性（Confusion）的体现。 混淆性 (Confusion): 密钥的微小变化应导致密文中显著的变化。 长周期性 (Long Period): 密钥流序列应具有非常长的周期，以避免重复使用相同的密钥流，从而防止重复攻击。 高线性复杂度 (High Linear Complexity): 密钥流序列的线性反馈移位寄存器（LFSR）表示应具有很高的阶数，以抵抗线性分析。 对密钥和初始值的敏感性 (Sensitivity to Key and Initial Value): 密钥流的生成应高度依赖于密钥和初始值，即使很小的改变也应导致完全不同的密钥流。 线性反馈移位寄存器 (LFSR): LFSR是流密码设计中重要的构建模块。我们将详细介绍LFSR的原理，包括其状态转移、特征多项式、最大周期LFSR的设计以及多项式分解等。同时，我们将探讨LFSR在流密码设计中的应用，以及其存在的固有弱点（如线性攻击）。 非线性组合器 (Nonlinear Combiners): 为了克服LFSR的线性弱点，本书将介绍如何将LFSR与其他非线性组件结合，设计更安全的密钥流生成器。我们将探讨常见的非线性组合器，如： 组合器 (Combiner): 将多个LFSR的输出通过一个非线性函数进行组合。 门控 (Gating): 使用一个LFSR的输出作为另一个LFSR的使能信号。 阈值函数 (Threshold Functions): 基于输入信号的数量而非具体数值进行决策。 第二部分：流密码的设计原则与方法 本部分将深入探讨流密码的设计过程和技术。 设计一个安全的流密码生成器 (Stream Cipher Generator - SCG) 的一般原则： 总结设计安全流密码的核心原则，强调综合运用多种密码学原语，避免单点故障。我们将讨论如何平衡安全性和性能，以及在不同应用场景下对流密码设计的权衡。 基于LFSR的流密码设计： 组合器生成器 (Combiner Generators): 详细介绍基于多个LFSR通过非线性组合函数生成密钥流的设计，例如著名的 BBS (Blum Blum Shub) 算法（虽然BBS是基于模平方的伪随机数生成器，但其思想可以应用于密钥流生成，并在此处作为引入概念的基础），以及更具体的组合器结构。我们将分析这类设计的安全性，包括对代数攻击和相关密钥攻击的抵抗能力。 输出反馈 (Output Feedback - OFB) 模式的LFSR应用： 介绍OFB模式如何将LFSR的输出反馈到其自身，生成连续的密钥流，并讨论其在流密码设计中的应用。 计数器 (Counter) 模式的LFSR应用： 介绍如何使用计数器模式配合LFSR生成密钥流，以及其在分组密码中的应用与流密码设计的关联。 非线性反馈移位寄存器 (NLFSR): 介绍直接在反馈路径上引入非线性函数的NLFSR，分析其比LFSR更强的抗线性攻击能力，但同时也带来更复杂的分析和设计挑战。 基于查找表 (Look-up Table) 的设计： 探讨使用预先计算好的查找表来生成密钥流的设计，分析其性能和安全性trade-off。 混合设计： 介绍结合LFSR、NLFSR以及其他非线性组件（如S-boxes）的混合设计方法，以期获得更强的安全性。 新型流密码设计思路： 展望流密码设计的前沿研究，例如基于代数几何、混沌理论等的可能性，以及新兴的密码学原语在流密码设计中的潜在应用。 第三部分：流密码的分析与攻击 本部分将深入探讨分析流密码安全性的方法和常见的攻击手段。 已知明文攻击 (Known-Plaintext Attack): 假设攻击者知道一部分明文和对应的密文，分析如何利用这些信息来推断密钥流生成器的内部状态或密钥。 选择明文攻击 (Chosen-Plaintext Attack): 假设攻击者可以选择明文并获得对应的密文，分析如何利用这种能力来揭示密钥流生成器的弱点。 选择密文攻击 (Chosen-Ciphertext Attack): 假设攻击者可以选择密文并获得对应的明文，分析这种攻击方式对流密码的影响。 已知密钥流攻击 (Known-Keystream Attack): 假设攻击者能够获取一部分密钥流（例如由于密钥重用），分析如何利用这些信息来破坏流密码的安全性。 统计分析技术： 线性分析 (Linear Cryptanalysis): 介绍如何通过逼近密钥流生成器的非线性函数为线性函数，然后利用线性方程组来逼近密钥或内部状态。我们将重点关注对LFSR相关设计的分析。 差分分析 (Differential Cryptanalysis): 介绍如何通过分析明文差分对密文差分的影响来推断密钥流生成器的内部结构。虽然差分分析主要用于分组密码，但其思想也对流密码的某些方面有启发。 代数分析 (Algebraic Cryptanalysis): 介绍如何将密钥流生成器表示为代数方程组，然后利用SAT求解器等工具来求解这些方程组，从而恢复密钥。 特定流密码的弱点分析： 举例分析一些经典的流密码算法（如RC4）的已知弱点及其被攻破的原理，以便读者从中吸取教训。 抗攻击性设计考量： 基于对各种攻击手段的理解，讨论如何在设计流密码时就考虑到抗攻击性，例如如何选择合适的非线性函数，如何避免生成具有统计学偏差的密钥流等。 第四部分：流密码的应用 本部分将探讨流密码在实际通信和安全系统中的应用。 通信协议中的应用： TLS/SSL (Transport Layer Security/Secure Sockets Layer): 介绍流密码在TLS/SSL协议中的应用，例如早期版本的TLS/SSL曾使用RC4算法。 IPsec (Internet Protocol Security): 探讨流密码在IPsec协议中用于数据加密的场景。 Wi-Fi 安全协议 (WEP, WPA/WPA2/WPA3): 分析流密码在无线网络安全协议中的应用，包括其历史演变和安全性的改进。 其他通信协议： 提及流密码在其他特定通信协议中的应用，如蓝牙、VoIP等。 硬件实现与性能优化： FPGA/ASIC 设计： 讨论在硬件平台上高效实现流密码生成器的方法，包括资源消耗、速度和功耗的优化。 软件实现考虑： 在软件层面，如何高效地实现流密码，例如指令集优化、缓存利用等。 流密码的标准化与发展趋势： NIST 标准化过程： 介绍NIST（美国国家标准与技术研究院）对流密码的标准化工作，例如AES（Advanced Encryption Standard）虽然是分组密码，但其作为整体安全方案的一部分，其对流密码设计也产生了深远影响。同时，介绍像ChaCha20这样的现代流密码。 后量子密码学对流密码的影响： 探讨后量子密码学研究背景下，流密码是否以及如何受到影响，以及未来流密码的发展方向。 轻量级流密码： 介绍针对资源受限设备（如物联网设备）设计的轻量级流密码，平衡安全性和计算开销。 结论 《流密码的分析与设计：通信与控制工程系列》是一本系统而深入的著作，它不仅为读者提供了流密码的坚实理论基础，更通过详细的设计原则、分析方法和实际应用案例，帮助读者全面掌握流密码的精髓。无论您是信息安全领域的从业者、密码学研究者，还是通信工程专业的学生，本书都将是您深入了解和掌握流密码技术的宝贵资源，助您在瞬息万变的数字世界中构建更安全的通信与控制系统。

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阅读体验方面，这本书的行文风格可以用“冷峻而精确”来形容。完全没有那种为了鼓励读者而设置的暖心提示或者口语化的解释。作者的语气就像是在撰写一份技术规范文档，每一个句子都信息量爆炸，且表达方式极其书面化。很多地方，一个复杂的概念可能被浓缩在短短两三句话内，如果读者分心，错过一个关键词，后面的推导很可能就跟不上了。这对于习惯了轻松阅读的读者来说，无疑是一种挑战，我好几次不得不停下来，反复阅读同一段落，甚至需要借助外部工具来确认某个特定术语的精确定义。不过，一旦你适应了这种高强度的信息密度，你会发现它的效率极高。它没有重复论述，所有的例子都服务于理论的阐述，没有一个是凑数的。比如，在讲解特定反馈结构（LFSRs的变种）的周期性分析时，作者直接给出了一个高度抽象化的矩阵模型，然后通过一系列代数变换来导出结论，这种直击核心的叙述方式，虽然阅读难度大，但极大地节省了时间。这本书要求读者必须带着批判性的思维和扎实的预备知识去阅读，它更像是一本“操作手册”而非“入门故事书”。

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这本书的结构安排，简直就是对工程学严谨性的极致体现。它不是那种按照时间顺序或者应用场景来组织的叙事，而是完全遵循了从基础理论到高级构造的逻辑链条。我记得第一部分花了大量篇幅去铺陈信息论和代数结构的基础知识，这部分内容虽然基础，但深度和广度都超出了我预想的入门教材范畴。作者似乎在强调，没有坚实的数学基础，后面所有的加密和设计都将是空中楼阁。接着，进入到具体的流密码类型划分时，那种层层递进的讲解方式，让我感觉自己像是在参与一次精密的工程分解。每引入一个新概念，都会立刻给出其数学描述和性能分析，绝不拖泥带水。最让我印象深刻的是，它在探讨抗差错性能和复杂性分析时，引用了大量的案例和证明，那些密集的公式推导，虽然看着头疼，但每一步的逻辑衔接都天衣无缝，让人不得不佩服作者对整个领域的掌控力。这种编排方式，对于需要将流密码应用于特定系统的工程师来说，简直是量身定制的——你可以清晰地追踪到任何一个设计决策背后的理论根源。它没有过多地纠结于历史背景或者最新的“网红”算法，而是将精力集中在那些经得起时间考验的核心原理上，这使得这本书的“保质期”显得格外长久。

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这本书的封面设计，嗯，说实话，有点让人提不起精神。那种传统的工科书籍配色，灰蒙蒙的背景配上略显生硬的字体，一看就知道这不是什么追求视觉享受的读物。我刚把它从书架上抽出来的时候，内心是有些抗拒的。不过，既然是领域内的参考资料，颜值就不那么重要了。拿到手里分量十足，感觉纸张的质量还算扎实，不是那种一翻就烂的廉价纸张，这点倒是让人稍感安慰。翻开目录，密密麻麻的章节标题，各种数学符号和缩写交织在一起，立刻让人感受到这是一本硬核的学术著作。它没有试图用花哨的图表或者名人推荐来吸引眼球，完全是一种“我是专业的，爱看不看”的态度。这种直截了当的方式，对于已经有一定基础的读者来说，反而是一种尊重，省去了很多不必要的寒暄。我当时就想，这本书的价值，绝对不在于它看起来是否“好看”，而在于它肚子里装了多少真家伙。那个“Communications and Control Engineering Series”的标识，也进一步确认了它的专业定位，意味着它会深入到理论的底层逻辑，而不是停留在应用层面的皮毛介绍。那种沉甸甸的感觉，仿佛握住了知识的重量，让人对接下来要进行的“啃书”之旅，既紧张又充满期待。封面上的那一抹单调的色彩，仿佛在预示着，接下来的阅读过程，需要的是专注和毅力，而不是轻松愉快的心情。

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从实用价值的角度来看，这本书更像是一座知识的“金矿”，而不是一个现成的“工具箱”。它没有提供即插即用的代码实现或者详细的软件工程实践指南，它关注的是“为什么”要这样设计，而不是“如何”在特定平台上实现。例如，在讨论安全性分析部分，它深入探讨了代数攻击、差分分析等各种侧信道攻击的理论模型，并给出了如何从理论上评估一个密码结构的抗攻击能力的数学工具箱。对于从事密码算法研究或者需要设计定制化安全协议的专业人士而言，这本书提供的理论深度是无可替代的。我发现，当我试图去评估市场上某些商业流密码实现方案的安全性时，这本书里提到的各种理论边界和性能指标，成了我判断其优劣的唯一可靠依据。它教会你如何“思考”密码，而不是仅仅“使用”密码。虽然初次阅读时可能会觉得有些枯燥，但随着你在实际工作中遇到更复杂的安全难题，你会越来越频繁地回溯到书中的某一章节，去寻找那些被精心隐藏在复杂公式背后的设计哲学。它是一本可以伴随职业生涯成长的参考书，而不是一本读完就束之高阁的教材。

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这本书的另一个显著特点是其对“工程实现”中的非理想因素考虑得非常周全。虽然它侧重理论，但作者始终没有忘记这些理论最终要落地到物理世界中。例如，在讨论时序约束和资源消耗时，它不仅仅停留在渐近复杂度的分析上，还引入了关于硬件资源（如逻辑门数量、寄存器位宽）的讨论，这对于嵌入式系统和资源受限环境下的密码学应用至关重要。我记得其中一章专门讨论了在非完美信道（存在噪声或丢包）下，流密码性能如何退化，以及如何通过特定的编码和纠错机制来维持安全性和吞吐量，这一点在很多纯理论书籍中是被略过的。这种对“真实世界干扰”的关注，使得整本书的价值从纯粹的数学游戏提升到了真正的工程解决层面。它成功地架起了理论世界与实际工程之间的桥梁，让读者明白，一个看似完美的数学结构，在实际部署中会遇到哪些意想不到的“摩擦”。这种务实的态度，体现了作者深厚的工程背景，也使得这本书在众多偏向纯理论的密码学著作中，显得尤为独特和实用。

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