高校網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加密傳輸

張家貴 池水明

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017）

高校網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加密傳輸

張家貴 池水明

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321017）

本文利用AES算法、RSA算法和Hash函數(shù)構(gòu)建一種能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)快速加密、安全傳輸，并具有數(shù)字簽名功能的數(shù)據(jù)加密傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、身份驗(yàn)證和不可否認(rèn)性。

高校數(shù)據(jù)安全；AES算法；RSA算法；Hash函數(shù)

一、引言

隨著高校計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，越來越多的高校為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源共享、數(shù)據(jù)通信建立了校園網(wǎng)，并且為了使用公共網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源接入互聯(lián)網(wǎng)，這樣就造成一些安全問題。其中網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的數(shù)據(jù)安全顯得尤為重要。高校為了保障數(shù)據(jù)的安全，一般采用的被動(dòng)方法有物理隔離、防火墻、網(wǎng)絡(luò)代理、內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與過濾等；主動(dòng)的保護(hù)方法一般可以建立安全通信通道 （物理或者虛擬）、加密傳輸數(shù)據(jù)等。

高校網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸安全指的是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性、不可篡改性未遭到破壞，而且順利到達(dá)目的地的過程。當(dāng)前一種高效的、廣泛應(yīng)用的方法是使用加密技術(shù)來保障數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全，同時(shí)加密技術(shù)還能有效保護(hù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全，密碼技術(shù)是保護(hù)數(shù)據(jù)最基本也是最有效的技術(shù)。

二、加密技術(shù)

為了保護(hù)高校網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)的安全，可從廣義上將數(shù)據(jù)安全分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)傳輸安全和身份認(rèn)證管理。數(shù)據(jù)加密是對(duì)傳輸中的數(shù)據(jù)流加密，以防止傳輸線路上的信息被竊聽和泄漏，保證信息的機(jī)密性；傳輸安全是確保傳輸信息不被篡改和破壞以保證其完整性；身份認(rèn)證要求信息交換雙方的合法身份，保證信息不被錯(cuò)誤地傳輸給錯(cuò)誤的人。

加密技術(shù)利用置換和變換的方法將信息轉(zhuǎn)化成為密文，它的安全性取決于所采用的加密算法和密鑰強(qiáng)度，根據(jù)密鑰的類型可將密碼技術(shù)分為對(duì)稱加密體制和非對(duì)稱加密體制，也即私鑰密碼和公鑰密碼。對(duì)稱加密算法采用相同的密鑰進(jìn)行加解密，算法的安全性完全依賴于密鑰，最大的困難是密鑰秘密分發(fā)問題。非對(duì)稱加密算法采用公鑰進(jìn)行加密而利用私鑰進(jìn)行解密，公鑰是對(duì)外公開的，算法的安全性依賴于算法與私鑰，其不足之處是加密速度慢。數(shù)字簽名在密碼技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)是不可逆加密算法，它利用散列函數(shù)提供消息完整性保護(hù)。對(duì)稱加密算法、非對(duì)稱加密算法和不可逆加密算法可以分別應(yīng)用于數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)安全傳輸。

1.對(duì)稱加密技術(shù)

對(duì)稱密碼體制是較為傳統(tǒng)成熟的加密體制，用于保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性。對(duì)稱加密算法是將明文和密鑰一起經(jīng)過加密算法，加密形成密文發(fā)送，解密則使用加密的密鑰和加密算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行解密，恢復(fù)明文信息。其優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單并公開、加解密速度快、計(jì)算量小、效率高、運(yùn)行占用資源少，目前仍然是主流的密碼體制之一。

數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES）是最常用的對(duì)稱加密算法，隨著現(xiàn)代密碼技術(shù)的發(fā)展，其56位有效密鑰已難以滿足現(xiàn)在密鑰的要求，同時(shí)DES算法還存在弱密鑰、半密鑰、互補(bǔ)對(duì)稱性等諸多弱點(diǎn)。旨在用來取代DES成為新一代加密標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES），其算法實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單，具有強(qiáng)擴(kuò)散性，形成的密文有很高的隨機(jī)性，抗差分和線性密碼分析能力強(qiáng)。

AES加密標(biāo)準(zhǔn)使用的Rijndael加密算法，該算法是一個(gè)分組長(zhǎng)度和密鑰長(zhǎng)度均可變的迭代型分組密碼，分組和密鑰長(zhǎng)度可分別是128位、192位、256位。AES加密標(biāo)準(zhǔn)可使用 128 位 （AES-128）、192 位 （AES-192）、256位（AES-256）加密128位明文數(shù)據(jù)，其中標(biāo)準(zhǔn)的AES即128位密鑰的AES-128算法，Rijndael算法的密鑰長(zhǎng)度和分組長(zhǎng)度共同決定算法中輪函數(shù)的迭代次數(shù)，128位密鑰加密128位明文時(shí)迭代的次數(shù)是10次。AES加解密的過程如圖1所示。

128位AES加密強(qiáng)度是56位DES加密強(qiáng)度的1021倍，即如果當(dāng)前存在一臺(tái)能用1秒時(shí)間破解DES密碼的密碼機(jī)，那么利用這臺(tái)密碼機(jī)破解128位的AES密碼需要大約149萬億年的時(shí)間，由此可知AES加密算法的安全性。

2.非對(duì)稱加密技術(shù)

非對(duì)稱加密技術(shù)即公鑰密碼技術(shù)，它利用一對(duì)不同的密鑰進(jìn)行加解密，公開的公鑰進(jìn)行加密，私鑰進(jìn)行解密，兩個(gè)密鑰之間不可能從一個(gè)推導(dǎo)出另一個(gè)。公鑰密碼算法的安全性是基于一些數(shù)學(xué)難題，而且是公認(rèn)短期內(nèi)不可能得以解決的難題。公鑰算法的密鑰分配協(xié)議簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛，不僅可以加密還可以提供數(shù)字簽名。

公鑰加密算法中使用最廣的是RSA算法，它是一種基于數(shù)論中歐拉定理的公鑰密碼系統(tǒng)，它的安全性依賴于大數(shù)因子分解的困難性，即它的密碼強(qiáng)度是建立在計(jì)算復(fù)雜性的基礎(chǔ)上。RSA的密鑰長(zhǎng)度從40位到2048位可變，加密時(shí)也將明文分成大小可變的塊，塊大小不能超過密鑰的長(zhǎng)度。RSA算法把明文塊轉(zhuǎn)化為與密鑰長(zhǎng)度相等的密文塊，密鑰越長(zhǎng)，加密效果越佳，但加解密的開銷也隨之增加，所以一般會(huì)折中考慮安全與性能，普遍認(rèn)為64位是較合適的選擇。

RSA算法的加解密過程可分為初始化、加密、解密三部分。初始化階段進(jìn)行如下處理，隨機(jī)選擇兩個(gè)素?cái)?shù)p和 q， 計(jì)算公開模數(shù) n=p×q 和歐拉指示函數(shù)?（n）=（p-1）（q-1），再選擇與?（n）互素的隨機(jī)數(shù) e作為公鑰，計(jì)算私鑰 d 滿足（d×e）mod?（n）=1，公開模數(shù) n、公鑰 e，保密私鑰 d，銷毀 p、q，增強(qiáng)安全性。

3.不可逆加密技術(shù)

不可逆加密算法不完全符合加密算法的模式，它是通過將明文信息作為不可逆函數(shù)的輸入，計(jì)算得出的函數(shù)值即為密文，因?yàn)榧用芎瘮?shù)是不可逆的，因此不存在所謂的解密。只有輸入相同的明文和相同的加密函數(shù)才能得到相同的密文。因此，不可逆加密算法不存在密鑰的分發(fā)與保管問題，適合在分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上使用，但加密計(jì)算復(fù)雜，工作量大。Hash算法也叫消息摘要或單向散列，是一種不可逆的加密算法，使用Hash函數(shù)的通信雙方必須各自計(jì)算Hash函數(shù)，且目前的計(jì)算機(jī)對(duì)計(jì)算Hash函數(shù)的逆過程是無能為力的。Hash散列主要用于加密檢查，通信雙方必須各自計(jì)算Hash函數(shù)來驗(yàn)證消息。最常用的兩種Hash函數(shù)分別是MD5和SHA，消息摘要算法MD5是使用64個(gè)32位常數(shù)，通過散列計(jì)算后，得出128位的完整性校驗(yàn)和，安全Hash算法SHA是使用79個(gè)32位常數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)160位的完整性校驗(yàn)和，SHA校驗(yàn)和長(zhǎng)度比MD5更長(zhǎng)，因此安全性要高。

三、高校數(shù)據(jù)安全方案

1.設(shè)計(jì)思想

當(dāng)使用對(duì)稱密碼加密時(shí)，需要使用惟一密鑰，這就會(huì)使通信雙方所擁有的密鑰數(shù)量成幾何倍數(shù)增長(zhǎng)，因此密鑰管理困難，使用成本高，在分布式網(wǎng)絡(luò)中使用較為困難。公鑰加密算法使用兩個(gè)密鑰，因而特別適用于分布式系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)加密，公鑰密碼的應(yīng)用也非常廣泛，但公鑰密碼加密速度慢，RSA算法加密時(shí)間大約是DES算法的1000倍。

保證數(shù)據(jù)傳輸安全不僅需要對(duì)傳輸中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，同時(shí)還要防止數(shù)據(jù)遭到惡意破壞和確定發(fā)送者的身份，因此還需要數(shù)字簽名技術(shù)的支持。加密可以有效地防止傳輸線路上的內(nèi)容被竊聽，造成數(shù)據(jù)信息泄漏，數(shù)字簽名是利用單向不可逆的Hash函數(shù)或者消息摘要算法計(jì)算所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，形成消息摘要，將消息摘要作為數(shù)字簽名隨數(shù)據(jù)一起發(fā)送，數(shù)字簽名可以防止傳輸數(shù)據(jù)被篡改或破壞。

在目前的高校網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，公鑰密碼符合網(wǎng)絡(luò)開放性要求，密鑰管理簡(jiǎn)單，在電子商務(wù)等技術(shù)上應(yīng)用廣泛；對(duì)稱密碼加密具有速度快、效率高、計(jì)算量小等優(yōu)點(diǎn)，因此在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)，加密效率異常突出；Hash函數(shù)的不可逆性，對(duì)密文的解密造成了幾近無法破解的效果，對(duì)保證數(shù)據(jù)的完整性提供了保障。

數(shù)字信封技術(shù)是組合使用了公鑰密碼和私鑰密碼，用對(duì)稱密鑰加密數(shù)據(jù)，用公鑰加密對(duì)稱密鑰，將加密的對(duì)稱密鑰和加密數(shù)據(jù)一起發(fā)送。在數(shù)字信封技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合數(shù)字簽名技術(shù)，充分利用對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密和數(shù)字簽名技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)在網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)能有效保障傳輸數(shù)據(jù)安全的安全傳輸系統(tǒng)。首先利用公鑰加密算法傳遞對(duì)稱加密算法所使用的密鑰，然后利用該密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱算法加密形成密文，再利用Hash函數(shù)對(duì)密文進(jìn)行Hash散列計(jì)算，最后將散列值連同密文一起發(fā)送。

2.組合方案設(shè)計(jì)

高校信息安全的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的保密性、完整性以及發(fā)送者的不可否認(rèn)性，因此數(shù)據(jù)加密傳輸方案中應(yīng)包括對(duì)稱密鑰的分發(fā)、傳輸數(shù)據(jù)的加密和數(shù)字簽名?；跀?shù)字信封技術(shù)的安全傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想滿足信息安全傳輸系統(tǒng)的這種要求。保密性使用高效的對(duì)稱加密算法實(shí)現(xiàn)，同時(shí)利用公鑰分發(fā)對(duì)稱加密密鑰，數(shù)字簽名既檢查了傳輸數(shù)據(jù)的完整性，又保證數(shù)據(jù)的合法來源。

在該方案中，選擇當(dāng)前最為先進(jìn)高效的AES算法作為對(duì)稱加密算法，采用公鑰加密算法RSA來分發(fā)對(duì)稱加密密鑰，以彌補(bǔ)對(duì)稱加密在密鑰分發(fā)上的安全弱點(diǎn)，利用Hash函數(shù)MD5作為消息摘要算法來驗(yàn)證信息的完整性，和SHA算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名確保數(shù)據(jù)來源合法。系統(tǒng)發(fā)送端處理過程如圖2所示。

發(fā)送端具體處理步驟如下：

（1）在發(fā)送端和接收端分別利用RSA算法的初始化處理產(chǎn)生自己公鑰密碼的密鑰對(duì)，公鑰對(duì)外公布，私鑰加以保管，發(fā)送端還需要生成對(duì)明文數(shù)據(jù)加密的對(duì)稱密鑰。

（2）利用對(duì)稱密鑰對(duì)明文數(shù)據(jù)進(jìn)行AES算法加密，形成密文。

（3）用接收端的公鑰加密對(duì)稱密鑰，形成對(duì)稱密鑰密文，再對(duì)對(duì)稱密鑰密文進(jìn)行SHA算法的Hash散列，使用發(fā)送端自己的私鑰對(duì)散列值進(jìn)行加密，作為數(shù)字簽名。這里選擇SHA算法是因?yàn)榭紤]到其安全性要高于MD5，另外基于效率的考慮，這里使用對(duì)稱密鑰進(jìn)行散列作為數(shù)字簽名。

（4）將對(duì)稱密鑰密文、數(shù)字簽名和密文三部分一起進(jìn)行MD5散列，得出的散列值與這三部分一起作為發(fā)送端數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。這里使用MD5 Hash算法是考慮MD5的速度要優(yōu)于SHA算法。

接收端具體處理步驟如下：

（1）將接收到的數(shù)據(jù)密文、對(duì)稱密鑰密文、數(shù)字簽名三部分進(jìn)行MD5 Hash散列，得出的散列結(jié)果與Hash值2進(jìn)行比較，以確保傳輸過程中數(shù)據(jù)的完整性。

（2）使用發(fā)送方的公鑰對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行解密，解密Hash值1，再利用SHA散列算法計(jì)算對(duì)稱密鑰密文，得出的散列值與Hash值1進(jìn)行比較，校驗(yàn)數(shù)字簽名，以保證數(shù)據(jù)來源的合法。

（3）接收者使用自己的私鑰對(duì)對(duì)稱密鑰密文進(jìn)行RSA算法解密，得到對(duì)稱加密的密鑰。

（4）對(duì)密文使用對(duì)稱密鑰和AES解密算法進(jìn)行明文恢復(fù)。

3.安全性分析

對(duì)設(shè)計(jì)的安全傳輸系統(tǒng)從完整性和機(jī)密性兩方面來考慮其安全性。在完整性方面，如果發(fā)送數(shù)據(jù)被截獲，攻擊者就獲得了Hash值2、密文、數(shù)字簽名、對(duì)稱密鑰密文。因?yàn)橛蠬ash值2存在，想破壞它的完整性，只能將密文、數(shù)字簽名和對(duì)稱密鑰密文全部替換掉，重新計(jì)算Hash值2。但從解密處理過程中，數(shù)字簽名使用的是發(fā)送者的私鑰，所以通過驗(yàn)證數(shù)字簽名可以很容易校驗(yàn)信息是否被篡改過，所以該方案的完整性是可以保證的。

在機(jī)密性方面，攻擊者獲取Hash值2、密文、數(shù)字簽名、對(duì)稱密鑰密文后，欲對(duì)密文進(jìn)行解密，需要有對(duì)稱密鑰，而對(duì)稱密鑰密文是利用接收者的公鑰加密的，需要有接收者的私鑰才能解密，因此機(jī)密性也是可以保證的。

綜上分析，可知該方案具有很高的安全性，破解需要涉及私鑰層面。另外該加密傳輸過程不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全傳輸，還實(shí)現(xiàn)了數(shù)字簽名，接收端可以認(rèn)定信息是發(fā)送端所發(fā)，而不會(huì)被假冒。

四、總結(jié)

隨著公鑰密碼體制應(yīng)用的日益廣泛，高校網(wǎng)絡(luò)對(duì)其效率、速度等提出了更高的要求，但限于公鑰密碼的設(shè)計(jì)思路這個(gè)問題難以克服，對(duì)稱密碼正好彌補(bǔ)了公鑰密碼的不足。將二者取長(zhǎng)補(bǔ)短結(jié)合使用，雖然在發(fā)送端和接收端增加了處理，但可以有效地彌補(bǔ)公鑰和對(duì)稱密碼各自被破解的可能性，增加了密碼強(qiáng)度，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

[1]劉平.淺談網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的加密傳輸[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2008(3).

[2]李長(zhǎng)連,李福慶,黃強(qiáng)華.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境文件端到端加密傳輸[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2010（5）:69-73.

（編輯：楊馥紅）

TP309.2

B

1673-8454(2011)15-0061-03