基于DES和RSA算法的數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng)設(shè)計

朱作付， 徐 超， 葛紅美

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0 引言

目前的數(shù)據(jù)加密技術(shù)根據(jù)密鑰類型可分為私鑰加密(對稱加密)系統(tǒng)和公鑰加密(非對稱加密)系統(tǒng).對稱加密系統(tǒng)與非對稱加密相比，在加密、解密處理速度、防范能力、數(shù)字簽名和身份認(rèn)證等方面各有優(yōu)劣.對稱加密算法 DES和非對稱加密算法RSA的安全性都較好，還沒有在短時間內(nèi)破譯它們的有效方法，常常采用DES與RSA相結(jié)合的加密算法.在加密、解密的處理效率方面，DES算法優(yōu)于RSA算法.在密鑰的管理方面，RSA算法比DES算法更加優(yōu)越，DES算法從原理上不可能實現(xiàn)數(shù)字簽名和身份認(rèn)證.因此，本文將采用對稱加密DES算法、非對稱加密RSA算法相結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng)。[1]

1 數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng)WDES的設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計

研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)加密問題，首先需要建立一個可以進(jìn)行信息交互的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境，在該環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密傳輸才有意義，否則，脫離數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境而研究數(shù)據(jù)加密技術(shù)是沒有任何意義的。[2]因此本文提出建立一個分布式入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計采用了分布式的結(jié)構(gòu)，各個分布式部件的設(shè)計采用了Agent的形式，每個Agent既可單獨運(yùn)行，同時又作為整個系統(tǒng)不可分割的一部分，受整個系統(tǒng)的調(diào)控，另一方面，由于采用了Agent的結(jié)構(gòu)，使得任何一個部件的故障對系統(tǒng)的負(fù)面影響達(dá)到最小，從而保證了整個系統(tǒng)運(yùn)行的健壯性。如下頁圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)加解密方案的設(shè)計

發(fā)送端將要發(fā)送的明文交給數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊根據(jù)要求使用特定的加密算法對明文進(jìn)行加密，然后將加密后的密文發(fā)送給接收端，接收端的數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到相應(yīng)的密文后選擇相應(yīng)的解密函數(shù)進(jìn)行解密，解密后的明文再傳給接收端的應(yīng)用程序。[3]這個過程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)的整體框架

圖2 數(shù)據(jù)加密工作流程

1.3 DES和RSA算法設(shè)計

（1）對稱密碼體制算法的選擇和實現(xiàn)

對稱密碼體制中DES算法是一種采用傳統(tǒng)加密方法的區(qū)組密碼。在該數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計中，DES采用64位分組進(jìn)行加密，密鑰長度為56位，對64位的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行16輪自循環(huán)編碼。在每輪編碼時，48位的子密鑰由56位的完整密鑰經(jīng)過循環(huán)左移、置換選擇得出來。

為進(jìn)一步提高安全性，在數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計中使用 DES的改進(jìn)算法，這種方法用三個密鑰對明文進(jìn)行三次加密，假設(shè)三個密鑰是K1、K2和K3，P是明文，C是密文，則C=EK3［DK2［EK1［P］］］這要花費原來三倍的時間，但是采用三重DES的168位密鑰是很“強(qiáng)壯”的加密方式了。DES算法的實現(xiàn)過程由密鑰生成、加密、解密三個部分組成。為了使算法具有良好的跨平臺性，選擇了標(biāo)準(zhǔn)C語言作為算法的實現(xiàn)語言，將這三個過程封裝成三個子函數(shù)，并在 Linux和Windows環(huán)境下對算法的正確性進(jìn)行檢驗。由于采用軟件實現(xiàn)DES加解密，速度較硬件實現(xiàn)慢，但軟件實現(xiàn)方便、成本低，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

（2）非對稱密碼體制算法的選擇

非對稱密碼體制中RSA算法是一個既能用于數(shù)據(jù)加密也能用于數(shù)字簽名的加密算法。根據(jù)RSA算法的特點，可以使用RSA算法加密DES的加密密鑰，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳遞經(jīng)加密以后的密文，可有效的提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。?RSA加密算法僅適用于組件向控制臺注冊的過程。[4]

實現(xiàn)過程中采用標(biāo)準(zhǔn)C語言將RSA密鑰的生成、加密、解密過程封裝成三個子函數(shù)，并在Linux和Windows環(huán)境下對算法的正確性進(jìn)行檢驗。實驗表明RSA密鑰生成過程所需時間較長，根據(jù)不同機(jī)器的性能大約需要2～3 min，能夠滿足分布式入侵檢測系統(tǒng)的要求。[5]

2 數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng)WDES的實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與中控器間的秘密數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸模塊的主要功能為：創(chuàng)建監(jiān)聽線程監(jiān)聽固定的端口，以便其它組件和中央控制器建立連接，發(fā)送信息給中央控制器；中央控制器和其它組件建立連接，發(fā)送信息給其它組件。數(shù)據(jù)傳輸模塊對應(yīng)的類為 CCommunicator。數(shù)據(jù)傳輸模塊包括發(fā)送和接收信息和信息處理兩個子模塊。發(fā)送和接收信息子模塊：將一定格式的信息發(fā)送到中控器、從中控器接收信息；信息處理子模塊：負(fù)責(zé)信息的處理，如處理注冊過程、事件信息、處理中控器發(fā)送到主防火墻的信息以及向中控器發(fā)送信息。

2.2 WDES的DES加解密模塊

（1）DES算法（見圖3）

DES算法的入口參數(shù)有三個：Key、Data、Mode。

其中Key為8個字節(jié)共64位，是DES算法的工作密鑰；Data是8個字節(jié)64位，是要被加密或被解密的數(shù)據(jù)；Mode為DES的工作方式，有兩種：加密或解密。

DES算法工作方式：如Mode為加密，則用Key 把數(shù)據(jù)Data進(jìn)行加密， 生成Data的密碼形式（64位）作為DES的輸出結(jié)果；如Mode為解密，則用Key去把密碼形式的數(shù)據(jù)Data解密，還原為Data的明碼形式（64位）作為DES的輸出結(jié)果。在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的兩端，雙方約定一致的Key，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑袋c用Key對核心數(shù)據(jù)進(jìn)行DES加密，然后以密碼形式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)綌?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的終點，數(shù)據(jù)到達(dá)目的地后，用同樣的Key對密碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，便再現(xiàn)了明碼形式的核心數(shù)據(jù)。這樣，便保證了核心數(shù)據(jù)（如PIN、MAC等）在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?。[6]

圖3 DES算法示意

（2）DES算法的實現(xiàn)

DES加解密算法主要由三個部分組成：密鑰生成、加密函數(shù)、解密函數(shù)。為了使算法具有良好的跨平臺性，選擇了標(biāo)準(zhǔn)C作為算法的實現(xiàn)語言。

（3）DES加密模塊發(fā)送、接收的實現(xiàn)

發(fā)送子模塊的作用是將加解密子模塊的輸出作為輸入，然后按照設(shè)計的協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后利用 TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)完整的發(fā)送出去。[7]

接收子模塊的作用是利用 TCP/IP協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)接收完整的數(shù)據(jù)，然后按照協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解包，并將解包后的結(jié)果作為加解密子模塊的輸入，在完成解密后會將結(jié)果傳給上層的應(yīng)用。

為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確、可靠，在發(fā)送、接收子模塊的具體實現(xiàn)中使用TCP協(xié)議作為低層的傳輸協(xié)議，同樣，為了使生成的代碼能運(yùn)行于不同的平臺，使用了標(biāo)準(zhǔn)C的套接字編程，經(jīng)過windows下的傳輸測試，一切工作良好。

2.3 WDES系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)采用VC6.0開發(fā)，是采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計，所有的功能全部集成到每一個子模塊里了，每一個子模塊由很多類組成，每一個類執(zhí)行不同的功能。因此本系統(tǒng)的模塊圖層次很清楚，也很容易理解。系統(tǒng)由控制模塊、數(shù)據(jù)加密模塊、數(shù)字簽名模塊、數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模塊四個模塊組成，[8]模塊間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)模塊的關(guān)系

系統(tǒng)控制模塊給加密模塊、簽名模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送指令，對他們進(jìn)行控制；數(shù)據(jù)加密模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的 DES加解密功能，簽名模塊進(jìn)行數(shù)字簽名的功能，數(shù)據(jù)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸功能，它有三種模式，第一是對話模式，考慮到數(shù)據(jù)傳輸雙方在傳送文件前可能進(jìn)行簡單的對話，因此設(shè)計這個模式，可以將對話內(nèi)容直接顯示在屏幕上；二是明文傳送模式，[9]它可以傳送各種正規(guī)格式的文件，只要文件不含有亂碼，都可以使用這種模式傳送文件；第三種模式可以傳送含有不規(guī)則符號的文件，它是專門為傳送一些特殊文件設(shè)計，一般不使用。

3 結(jié)語

采用 DES、RSA和單程函數(shù)加密算法共同完成信息數(shù)據(jù)加、解密，提高了密文傳輸和認(rèn)證的安全性。RSA的加密解密處理速度快，單程函數(shù)加密算法對于密鑰的管理比較簡單等特點，使其有很高的推廣價值。本文對網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過程中的加密設(shè)計方案進(jìn)行現(xiàn)實，并在分布式系統(tǒng)中進(jìn)行檢測，試驗表明該數(shù)據(jù)傳輸方案可靠、穩(wěn)定、安全，能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下數(shù)據(jù)加密傳輸?shù)囊?。系統(tǒng)操作方便、簡單。但是所謂的計算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全不是絕對的，[10]也不可能是永久性的，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)需要不斷完善和更新。

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