INTRODUZIONE ALLA BIOINFORMATICA.

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出版者:McGraw-Hill
作者:Arthur M. Lesk
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2004
价格:0
装帧:Paperback
isbn号码:9788838661907
丛书系列:
图书标签:
  • 生物信息学
  • 计算生物学
  • 基因组学
  • 蛋白质组学
  • 序列分析
  • 算法
  • 数据挖掘
  • 生物统计学
  • 系统生物学
  • 生物学
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具体描述

《现代密码学与信息安全》 内容提要 本书深入探讨了现代密码学的基础理论、核心算法及其在信息安全领域中的广泛应用。全书结构严谨,内容涵盖了从古典密码学到量子密码学的演进历程,重点剖析了对称加密、非对称加密、数字签名、散列函数等关键技术的工作原理、安全证明和实际部署考量。本书不仅侧重于理论的严谨性,更强调其实际操作性和前沿发展动态,旨在为读者提供一个全面、深入且与时俱进的密码学知识体系。 第一部分:密码学基础与历史回顾 第一章:密码学绪论 本章首先界定了密码学的定义、研究范围及其在现代社会中的重要地位,尤其是在数据保护、隐私维护和身份认证方面。讨论了密码学的基本组成要素:明文、密文、密钥、加密算法和解密算法,并引入了信息论中的熵(Entropy)概念,用以量化信息的不确定性和密码分析的难度。接着,介绍了密码学的基本目标:保密性(Confidentiality)、完整性(Integrity)、认证性(Authentication)和不可否认性(Non-repudiation)。 第二章:古典密码学的演进与局限 追溯密码学的历史源头,本章详细分析了凯撒密码(Caesar Cipher)、仿射密码(Affine Cipher)以及维吉尼亚密码(Vigenère Cipher)等替换密码和易位密码的结构。重点阐述了频率分析法(Frequency Analysis)作为破解古典密码的基石,并展示了如何利用统计学原理来破解这些加密体制。通过对古典密码的深入理解,引出了现代密码学从人工设计转向数学结构化设计的必然性。 第二部分:对称加密算法 第三章:分组密码与流密码 本部分聚焦于对称加密技术,即加密方和解密方使用相同密钥的系统。首先,深入剖析了现代分组密码的设计原理,特别是费斯透尔结构(Feistel Structure)和替代-置换网络(SPN Structure)。详细讲解了数据加密标准(DES)的结构,并着重分析了其后继者——高级加密标准(AES/Rijndael)。AES的每一轮操作,包括字节代替(SubBytes)、行移位(ShiftRows)、列混淆(MixColumns)和轮密钥加(AddRoundKey),均进行了详尽的数学推导和实现细节说明。 接着,本章探讨了流密码(Stream Ciphers),如基于计数器模式(CTR)的流密码以及一次性密码本(One-Time Pad)的理论完备性与实际应用限制。针对伪随机数生成器(PRNGs)和密码学安全伪随机数生成器(CSPRNGs)的设计,特别是Mersenne Twister的局限性,进行了对比分析。 第四章:对称密码的工作模式 分组密码的有效应用依赖于合适的工作模式。本章系统地介绍了六种主要的密码操作模式:电子密码本(ECB)、密码分组链接(CBC)、密码反馈(CFB)、输出反馈(OFB)、计数器模式(CTR)以及带认证的加密模式(GCM)。对于每种模式,不仅解释了其加密和解密流程,还对比了它们在安全性(如重放攻击、位翻转攻击的防御能力)和并行处理效率上的优劣。特别强调了GCM模式如何同时提供保密性和数据认证,成为现代TLS/SSL协议中的首选。 第三部分:非对称加密与公钥基础设施 第五章:基于数论的公钥加密 本章是全书的核心难点之一,专注于非对称加密,即使用不同的公钥和私钥进行加密和解密的系统。首先,回顾了数论在密码学中的基础地位,包括欧拉定理、模逆运算以及费马小定理。随后,详细阐述了迪菲-赫尔曼密钥交换(Diffie-Hellman Key Exchange)的原理及其在建立共享秘密中的作用,并分析了其对“离散对数问题”(DLP)的依赖。 第六章:RSA算法与椭圆曲线密码学(ECC) 本章将重点放在两个应用最广泛的公钥算法上。首先是RSA算法:从欧拉定理到大数因子分解难题(Factoring Problem),系统介绍了密钥生成、加密和签名的具体步骤,并讨论了填充方案(如OAEP)对抵抗选择密文攻击的重要性。 其次,本章深入介绍了椭圆曲线密码学(ECC)。阐述了有限域上的椭圆曲线方程,定义了点加法和点乘的几何和代数操作。重点分析了ECC相较于RSA的效率优势,即在相同安全强度下,ECC密钥长度更短,计算速度更快。对“椭圆曲线离散对数问题”(ECDLP)作为其安全基石进行了论证。 第七章:数字签名与认证 本章探讨了如何验证数据来源和内容未被篡改的技术。详细介绍了数字签名的三个阶段:签名生成、签名验证和密钥管理。深入剖析了基于RSA的签名算法(RSASSA-PKCS1-v1_5和PSS)和基于椭圆曲线的数字签名算法(ECDSA)的内部机制。此外,还讨论了证书颁发机构(CA)在公钥基础设施(PKI)中扮演的角色,以及X.509证书的标准结构。 第四部分:密码分析与前沿领域 第八章:散列函数与消息认证码 本章讲解了单向函数在密码学中的应用——散列函数(Hash Functions)。阐述了散列函数的关键特性:抗原像性(Pre-image Resistance)、第二抗原像性(Second Pre-image Resistance)和抗碰撞性(Collision Resistance)。详细分析了MD5的结构缺陷和SHA-1的潜在危险,并着重介绍了SHA-2和SHA-3(Keccak)的设计理念和安全优势。同时,讨论了消息认证码(MAC)和基于散列的消息认证码(HMAC)在数据完整性校验中的应用。 第九章:高级主题与未来展望 本章将视角拓展至当代密码学研究的前沿。讨论了零知识证明(Zero-Knowledge Proofs),特别是zk-SNARKs和zk-STARKs在隐私保护和区块链技术中的应用潜力。此外,系统性地介绍了格密码(Lattice-based Cryptography)等后量子密码学(Post-Quantum Cryptography, PQC)的主要方案,如Kyber和Dilithium,分析了它们如何抵抗量子计算机的Shor算法攻击。最后,对安全多方计算(MPC)和安全同态加密(Fully Homomorphic Encryption, FHE)的基本概念和技术挑战进行了概述。 适用读者 本书适合计算机科学、信息安全、通信工程等专业的高年级本科生和研究生作为教材,同时也为密码学研究人员、软件开发者以及系统架构师提供了一本全面、深入的专业参考书。阅读本书需要具备离散数学、线性代数和基础数论的知识背景。

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读后感

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用户评价

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这本书给我的整体感受是:它像是一位技艺精湛但略显严肃的导师,他倾尽所学,将一个复杂学科的精髓浓缩在字里行间,要求你必须以最高的专注度去对待每一个章节。我尤其欣赏作者在探讨数据质量控制(QC)那一节时的态度,没有将QC视为一个可有可无的步骤,而是用相当篇幅阐述了“垃圾输入必然导致垃圾输出”的理念,并从统计学角度论证了低质量数据对下游分析的系统性偏差。这种对科研严谨性的强调,在很多快速入门的教材中是看不到的。然而,这种深入骨髓的严谨性也带来了一个挑战:语言风格上,它几乎完全摒弃了任何口语化或轻松的表达方式。通篇阅读下来,保持高度的学术警觉是必须的,这对于提升专业素养无疑是极好的训练,但对于那些在繁忙工作之余试图通过阅读来放松和学习的读者来说,它要求的注意力集中度是极高的,稍有分神就可能错过一个关键的逻辑转折点,导致后续理解受阻。总而言之,这是一部需要投入大量心力去征服的经典之作,它的价值在于奠定不可动摇的理论基石。

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这本书的结构安排,体现出一种严谨的、教科书式的逻辑美感,它从最基础的生物学背景知识(如DNA、RNA的结构)出发,稳步过渡到计算基础(算法、数据结构),再攀登到复杂的生物信息学模型(如基因组组装、变异检测)。这种由浅入深的铺陈,使得读者可以清晰地追踪知识点的演进脉络。我特别喜欢它在每一个章节末尾设置的“思考题”部分,这些问题往往不是简单的概念复述,而是需要读者进行一定程度的逻辑推理和资源整合才能勉强给出答案,极大地锻炼了批判性思维。遗憾的是,相较于其在理论层面的深入挖掘,它在软件和工具的应用实例方面显得相对薄弱。例如,虽然它详细解释了BWA和SAMtools的底层原理,但对于如何在主流的Linux环境下搭建一个高效的分析流水线(Pipeline),以及如何处理TB级别的数据集的实际操作技巧,描述得比较笼统。对于希望能够“即学即用”的科研工作者来说,可能还需要搭配一本更侧重于实践操作指南的书籍来作为补充,这本书更像是培养理论架构师的蓝图,而非提供现成工具箱的说明书。

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我拿到这本教材时,正值我职业生涯的一个关键转折点,我急需一个系统性的框架来重构我对生物数据的认知体系。这本书最让我印象深刻的地方,在于它对信息论在生物学中的应用所给予的独特视角。它不是简单地介绍熵和互信息,而是将它们置于一个更广阔的生物演化和信息传递的背景下进行考察。这种跨学科的视野,让我开始跳出单纯的编程和统计思维去看待生物问题,思考为什么某些序列结构会比其他结构更具生物学意义。书中对于“序列保守性”的解释,不仅仅停留在统计学意义上的显著性,更融入了进化压力和功能选择的观点,这无疑提升了整本书的理论高度。然而,我必须承认,在学习过程中,我花费了大量时间去查阅参考文献,因为很多重要的概念,比如特定的数据库结构或者最新的比对工具参数,书里只是点到为止,更多的是指引读者去深入阅读那些原著论文。这既是优点——因为它保证了理论的纯净性——但也意味着对于时间紧张的读者,它要求你有强大的自我驱动力和文献检索能力,否则很容易迷失在浩瀚的参考资料中。

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这本书的叙事节奏,说实话,有点像一部慢节奏的欧洲艺术电影,它不会用爆炸性的情节来吸引你,而是通过一系列精巧的镜头语言,让你在不经意间体会到整个学科的宏大与精妙。我特别欣赏作者在介绍不同算法时所采取的类比手法,虽然涉及到很多复杂的数学概念,但通过将这些概念与生活中的日常现象进行巧妙挂钩,使得原本高不可攀的知识点变得可以触摸。比如,书中对“数据挖掘在基因组学中的瓶颈”的讨论,它没有直接罗列技术难点,而是通过描述一个庞大的图书馆如何高效索引其海量藏书的困境,来隐喻计算资源和算法效率的权衡。这种教育方式极大地降低了初学者的心理门槛。不过,作为一本看起来内容相当全面的导论性著作,我感觉它在对一些新兴的、前沿的技术领域——比如深度学习在蛋白质结构预测中的突破性进展——的探讨上,深度略显不足,也许是由于出版时间的限制,内容更新的步伐未能完全跟上生物信息学突飞猛进的步伐。它更像是一部奠基之作,为你打下坚实的地基,但地基之上的摩天大楼的最新设计,你还得自己去寻找其他资料来补充。

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这本书,坦白讲,我是在一个非常偶然的机会下接触到的,当时我对计算生物学的了解还停留在非常表层的阶段,只知道它与基因测序和蛋白质结构预测有关。拿起这本书时,我的第一印象是它的排版和装帧非常经典,那种老派的学术书籍的风格,厚重而扎实。我本期望能从中找到一些关于生物信息学在实际应用中,比如在临床诊断或新药研发流程中的具体案例,毕竟理论知识再好,如果不能落地,对实际工作帮助也有限。然而,这本书的重点似乎更偏向于基础理论的构建和算法的推导,那些关于序列比对的动态规划原理,或是构建系统发育树的各种复杂模型,占据了大量的篇幅。我记得花了整整一个周末的时间去啃读其中关于“隐马尔可夫模型在基因识别中的应用”那一章,不得不说,作者的讲解逻辑性极强,每一步的数学推导都清晰可见,对于想要深入理解底层机制的读者来说,这绝对是一份宝藏。但对于像我这样,更希望快速掌握工具链并投入到实际项目中的“实战派”读者而言,前期可能会感到有些枯燥和晦涩,需要极大的耐心去消化那些密集的公式和抽象的概念,它的深度是毋庸置疑的,只是取向并不完全符合我当时急于解决实际问题的迫切需求。

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