基于DES和RSA加密算法的數(shù)據(jù)安全傳輸技術(shù)的研究

夏淑華

XIA Shu-hua

（湖南司法警官職業(yè)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410131）

1 DES和RSA計(jì)算方法概述

1.1 DES計(jì)算方法

這個(gè)DES即也就是一種標(biāo)準(zhǔn)的加密方式，計(jì)算的方式可以看做是分組加密，其核心的方法是按64bit分組，將數(shù)據(jù)分成若干組進(jìn)行加密，使用的是8bit的奇數(shù)偶數(shù)檢驗(yàn)，按照長(zhǎng)度為56bit字節(jié)為密鑰的有效長(zhǎng)度。計(jì)算過程為64bit的明文從輸入端進(jìn)入，從另一端輸出的即為64位的密文。DES加密的算法在對(duì)數(shù)據(jù)加密和解密是使用一種計(jì)算方法，安全的保證完全依靠密鑰。執(zhí)行過程中，DES對(duì)64bit的明文進(jìn)行分組，實(shí)現(xiàn)加密，通過轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，即明文進(jìn)行左右兩組，其長(zhǎng)度相等為32bit。在相同的16輪次計(jì)算過程中，完成加密的實(shí)現(xiàn)，預(yù)算的整個(gè)過程被命名為f，運(yùn)算的目的就是讓數(shù)據(jù)和密鑰進(jìn)行結(jié)合。經(jīng)過16輪次的計(jì)算，輪次計(jì)算，左右兩邊的兩組數(shù)據(jù)就會(huì)在此組合，在完成后輸出經(jīng)由另一個(gè)轉(zhuǎn)換器，在這里的計(jì)算和前面的過程正好是相反的，也就完成了算法的進(jìn)行。在每個(gè)輪次的處理中，密鑰就會(huì)產(chǎn)生固定的位移，過程為在56位中選取48位，并通過擴(kuò)展器的作用讓右邊的數(shù)據(jù)形成一個(gè)48位的信息，并在這里完成與48位的密鑰相結(jié)合的目的，通過裝置內(nèi)的8個(gè)s盒的轉(zhuǎn)化，這樣就得到了32位新的數(shù)據(jù)，這樣就完成了加密的運(yùn)算過程。同樣的操作在數(shù)的左半邊同時(shí)進(jìn)行，利用異或運(yùn)算，函數(shù)f和左半邊數(shù)據(jù)結(jié)合，形成了新的右半邊部分，原來的右半邊數(shù)據(jù)形成了新的左邊數(shù)據(jù)。這個(gè)操作在重復(fù)了16次后，就實(shí)現(xiàn)了DES的16論計(jì)算。

1.2 RSA計(jì)算方法

這個(gè)計(jì)算方法與DES不同的是，RSA在加密的過程中有兩個(gè)密鑰，其中一個(gè)為公共密鑰，相對(duì)的就是私有的密鑰。在加密的過程中，使用其中的一個(gè)加密，則另一個(gè)為解密。在RSA的算法中密鑰為40-2048字節(jié)，加密的時(shí)候?qū)⒚魑姆纸獬伞靶K”，其大小是可以變化的，但是，無論這樣的設(shè)置都不能超過密鑰，RSA算法核心的思路就是將明文分解成小塊，其長(zhǎng)度和密鑰相一致。顯而易見的是密鑰長(zhǎng)則加密效果好。但是，隨之產(chǎn)生的加密和解密的消耗也就越大，因此要在安全性和應(yīng)用性之間進(jìn)行權(quán)衡，一般采用的都是64位。RSA算法的實(shí)現(xiàn)，首先是對(duì)安全大素?cái)?shù)的選取，其分別為P和Q。為了達(dá)到最佳的安全效果，這兩個(gè)素?cái)?shù)的長(zhǎng)度是相等的。計(jì)算n=p×q，而n＞512bit，這時(shí)為了保證安全性，因?yàn)檫@個(gè)算法的安全性是建立在因子分解大數(shù)上的；其次，計(jì)算出n的歐拉函數(shù)?（n）=（p-1）（q-1），其中?（n）的是不應(yīng)超過n，而且和n的互素?cái)?shù)；第三，[0，?（n）-1]的數(shù)列當(dāng)中隨機(jī)選取出加密的密鑰e，同時(shí)讓e和?（n）；第四，計(jì)算利用Euclid方法，得出密鑰解密的d,并且且de=1（mod ?（n））。其中的n與d為互質(zhì)。數(shù)e和n即公共密鑰，d為私有密鑰。算法加密和解除：如加密的信息為m，則將m視為一長(zhǎng)度整數(shù)：若m大于n則將m分成等長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)塊，即m1……mi，其長(zhǎng)度為s位，滿足2^s＜=n的條件，且s盡量大。

結(jié)束前面的過程后，將對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密。分組加密的過程中，mi所產(chǎn)生的密文是ci=mi^e（mod n）；分塊進(jìn)行解密為，ci與之配合的是明文為：mi=ci^d（mod n）。

2 DES和RSA算法綜合利用

RSA的計(jì)算主要的計(jì)算方式遵循以下原則，即在對(duì)N位密鑰、N位資料處理時(shí)，加減法所消耗的時(shí)間為O（N），而乘除法所消耗的時(shí)間為O（n^2）,在計(jì)算a^b mod c需要消耗的時(shí)間就為O（N^3）。由此可以推算出，對(duì)N位數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算所消耗的時(shí)間為O（N^3）。一般采用的加密，資料N的長(zhǎng)度為512-1024之間，主要是考慮到安全長(zhǎng)度保證，因此計(jì)算N^3的計(jì)算量將相當(dāng)?shù)木薮?。這樣利用RSA來進(jìn)行數(shù)據(jù)的加密和解密降消耗大量的時(shí)間，如果需要加密的數(shù)據(jù)過大，就將消耗更長(zhǎng)的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間將是DES的N多倍。

另外，所產(chǎn)生RSA密鑰所耗費(fèi)的時(shí)間也相當(dāng)巨大，以N列為密鑰的話，兩個(gè)相鄰質(zhì)數(shù)平均間隔為O（N）。2、RSA與DES的結(jié)合方式假設(shè)發(fā)送的信息為A，加密密鑰為kea，解密密鑰為kda，接收方為B，加密密鑰為keb，解密密鑰為kdb，其結(jié)合方式為：1）在數(shù)據(jù)的傳輸中，發(fā)送者先生成DES的密鑰K；2）發(fā)送者對(duì)數(shù)據(jù)的加密采用的是接收者上傳至服務(wù)器上的RSA計(jì)算的公共密鑰keb，并利用這個(gè)密鑰將DES的密鑰K進(jìn)行加密處理，3）發(fā)送者將編制好的信息利用kda和keb進(jìn)行簽名，以方便在解密的時(shí)候進(jìn)行識(shí)別；4）發(fā)送者將加密數(shù)據(jù)利用K進(jìn)行加密，并形成簽名文件，再將其和CK結(jié)合形成完整的加密數(shù)據(jù)發(fā)送給接收方。5）接收的一端受到C后，首先利用自己的解密密鑰kdb解密出C中的DES密鑰，即K，在利用K解密出明文以及簽名信息；6）接收端用發(fā)送方的公開密鑰kea和自己的解密密鑰kdb對(duì)簽名的信息進(jìn)行認(rèn)證，然后再進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，在形成自己的?shù)字簽名信息發(fā)往對(duì)方；7）發(fā)送和接收雙方在接收和處理完成后刪除DES密鑰K。

3 基于DES和RSA加密算法的數(shù)據(jù)安全傳輸技術(shù)

3.1 DES和RSA實(shí)現(xiàn)過程

1）對(duì)稱加密的算法

在對(duì)稱的數(shù)據(jù)加密過程中，利用DES算法來實(shí)現(xiàn)，從根本上看是一種傳統(tǒng)的分組加密模式。在其進(jìn)行加密的實(shí)現(xiàn)過程中，采用的是DES的64位加密分組的方式，密鑰的長(zhǎng)度和前面說闡述的一樣，為56位，而且在加密數(shù)據(jù)的時(shí)候進(jìn)行16輪次的計(jì)算和編制。可以看到每個(gè)計(jì)算輪次都會(huì)產(chǎn)生48位的子密鑰，其產(chǎn)生的來源是在56位的基礎(chǔ)上進(jìn)行移位計(jì)算而得來的。為了在數(shù)據(jù)傳輸中提高安全性，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，增加了DES的算法改進(jìn)技術(shù)，也就是利用三個(gè)密鑰來實(shí)現(xiàn)逐層加密，在這里假定密鑰為K1、K2、K3，而P為明文，C為密文，則C=EK3［DK2［EK1［P］］］可見需要三倍的時(shí)間來處理，但是三重加密編制的168位密鑰無疑可以增強(qiáng)加密的安全度。按照三個(gè)步驟就產(chǎn)生了密鑰生成、計(jì)算加密、解讀解密為基礎(chǔ)的DES算法。在使用的過程中還考慮到了平臺(tái)多元適應(yīng)性，因此多采用C語言的作為算法設(shè)計(jì)的基本語言，把加密的三個(gè)關(guān)鍵分組打包成三個(gè)函數(shù)，并可以在主流的操作系統(tǒng)上進(jìn)行驗(yàn)證。這種軟件加密的形式，速度雖然比電子硬件形式要慢，但是成本、操作、應(yīng)用范圍都具備了優(yōu)勢(shì)。

2）非對(duì)稱數(shù)據(jù)加密

對(duì)非對(duì)稱數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的時(shí)候，采用RSA方法實(shí)現(xiàn)有其明顯的實(shí)用性。即可以是相對(duì)數(shù)據(jù)本身的加密也可以對(duì)數(shù)字簽名進(jìn)行安全維護(hù)，如利用RSA的特殊功能，來實(shí)現(xiàn)對(duì)DES密鑰的加密就是一個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)，并通過網(wǎng)絡(luò)將這些二次加密的文件進(jìn)行傳輸，就大大提高了數(shù)據(jù)的安全性傳輸。這就是兩種算法提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘母驹?。和前面的?duì)稱加密相似，在設(shè)計(jì)中也應(yīng)當(dāng)考慮到廣泛應(yīng)用的問題。

3.2 數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕K

在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸模塊是所有加密過程的中間環(huán)節(jié)，是各個(gè)模塊的橋梁。首先傳輸模塊與中央控制器形成關(guān)聯(lián)，在功能實(shí)現(xiàn)時(shí)創(chuàng)建一個(gè)檢視窗口，讓所有的組件和中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；反過來中央處理器也通過它將指令傳遞給其他控制組件。要達(dá)成這個(gè)功能就需要數(shù)據(jù)傳輸模塊具備接受和發(fā)送功能。

2）安全傳輸中的加密算法實(shí)現(xiàn)

DES的計(jì)算設(shè)計(jì)讓其形成了主要的三個(gè)功能參數(shù)，即Key、Data、Mode。其中Key有8個(gè)字節(jié)，共計(jì)64位大小，是計(jì)算中的工作性密鑰；Data有8個(gè)字節(jié)，其大小也是64位，它是DES計(jì)算處理的對(duì)象；Mode解讀的是算法的共工作形式。

該算法對(duì)數(shù)據(jù)的處理為：當(dāng)Mode指令加密時(shí)，系統(tǒng)利用Key將對(duì)象Data做相應(yīng)的密鑰結(jié)合，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，而其生成的數(shù)據(jù)就是系統(tǒng)的輸出結(jié)果；如Mode指令為解密，則系統(tǒng)就利用Key數(shù)據(jù)解讀，將數(shù)據(jù)還原，結(jié)果輸出。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)送和接收中，雙方應(yīng)約定好Key，并在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)起方，用該密鑰對(duì)核心的秘密數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后再以加密文件的形式在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)傳遞，數(shù)據(jù)達(dá)到目標(biāo)地后，接收方利用密鑰對(duì)密碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，這樣就可得到明文形式的數(shù)據(jù)。這樣保證了核心數(shù)據(jù)的傳輸安全性。DES算法設(shè)計(jì)在利用DES的過程中，設(shè)計(jì)的算法主要有三個(gè)步驟，即密鑰生成、加密函數(shù)、解密函數(shù)。為了更好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)跨越性，統(tǒng)一選擇了C語言作為實(shí)現(xiàn)加密的語言。其語言構(gòu)成為：struct deskeytype{int keylen；//密鑰長(zhǎng)度char key[20]；//密鑰}；

DES在數(shù)據(jù)安全傳輸中的功能實(shí)現(xiàn)，在整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程中，負(fù)責(zé)發(fā)送的模塊可以將加密模塊所生成的加密數(shù)據(jù)作為輸入信息，然后按照約定好的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前的處理，隨后利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將整個(gè)文件傳輸?shù)浇邮辗健＿@時(shí)接收的模塊就把這個(gè)完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來，并按照協(xié)議進(jìn)行分解和解讀，也就是將數(shù)據(jù)向下一級(jí)模塊進(jìn)行處理。在完成解密后將輸出數(shù)據(jù)傳遞給其他應(yīng)用程序。這個(gè)過程中，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，在發(fā)送和接收的模塊中利用TCP協(xié)議作為低層次的傳輸協(xié)議，并且為了生成的代碼可以跨平臺(tái)使用，應(yīng)當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)C的套接自編程，在經(jīng)過測(cè)試。

4 安全傳輸系統(tǒng)的總體構(gòu)成

如果采用的是VC6.0系統(tǒng)構(gòu)建，就需要考慮到集成性。也就是將某個(gè)處理的方式匯集到一個(gè)特定的模塊上，并使之能夠完成功能的實(shí)現(xiàn)。這樣就可以將整個(gè)加密和解密的系統(tǒng)人為的分解成簡(jiǎn)單的模塊化處理區(qū)域。這樣可以讓系統(tǒng)更加的簡(jiǎn)單化清晰化。簡(jiǎn)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是對(duì)加密和解密功能的優(yōu)化，這種優(yōu)化就是將系統(tǒng)分解成為四個(gè)模塊，控制、加密、簽字、傳輸模塊，在這些模塊中控制模塊是負(fù)責(zé)對(duì)其他模塊的控制和調(diào)節(jié)，整個(gè)加密的功能實(shí)現(xiàn)依靠的是控制模塊的指揮。與此同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)附加某些功能，如對(duì)話功能的實(shí)現(xiàn)，主要是幫助接收和傳送雙方實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的對(duì)話，并保證傳輸?shù)臅r(shí)間一致。采用明文的傳輸模式，這主要是傳輸一些正規(guī)的文件，只有文件不含有亂碼就可在這種方式的幫助下進(jìn)行傳輸；傳送含有不規(guī)則符號(hào)的文件，它是專門為傳送一些特殊文件設(shè)計(jì)，一般不使用。

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