一種基于基礎(chǔ)安全機制構(gòu)建的組合加密安全方案

周金杰

同濟大學計算機科學及技術(shù)系，上海 201804

0 引言

隨著信息共享范圍的不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)上的許多不安全因素對用戶數(shù)據(jù)構(gòu)成了極大的威脅。出于日常應(yīng)用的各種需要，一些敏感的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)上供多人共享，這也增加了信息泄露的可能性。面對巨大的，無處不在的信息安全威脅，人們想出了各種應(yīng)對措施。其中最通常的方式就是對數(shù)據(jù)進行加密操作，只有通過相應(yīng)的解密才能使其恢復(fù)原貌，獲取有用信息。

近年來隨著密碼學技術(shù)的不斷發(fā)展，各種加密算法也層出不窮，然而加密安全性與加密效率如何兼顧一直是一個讓人頭疼的問題。

本文從這個實際問題出發(fā)，旨在設(shè)計并實現(xiàn)一種高級的加密方案。該方案既能保障數(shù)據(jù)的絕對安全性，又具有較高的加解密效率，為保護私密數(shù)據(jù)信息抵御各種不安全因素的威脅提供了一個較為良好的解決方案，具有一定的實用價值。

1 密碼學基礎(chǔ)安全機制概述

1.1 加密算法

在整個密碼學安全機制中，加密算法可謂是它的核心[1]。實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的算法可以根據(jù)密鑰類型的不同分成兩大類別：對稱加密算法和非對稱加密算法。

1.1.1 對稱加密算法

對稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。所謂的對稱加密算法，就是數(shù)據(jù)加密和解密采用的是同一個密鑰，因此，它的安全性依賴于該密鑰的安全性。在對稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)送方將明文（原始數(shù)據(jù)）和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文后發(fā)送出去。收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密鑰及相同算法的逆算法對密文進行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。在對稱加密算法中，使用的密鑰只有一個，發(fā)送和接收雙方都使用這個密鑰對數(shù)據(jù)進行加密和解密操作，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。

1.1.2 非對稱加密算法

非對稱加密算法使用兩把完全不同但又是完全匹配的一對鑰匙—公鑰和私鑰。在使用非對稱加密算法加密數(shù)據(jù)時，只有使用匹配的一對公鑰和私鑰，才能完成對明文的加密和解密過程。加密明文時采用公鑰加密，解密密文時使用私鑰才能完成，而且加密者知道接收方的公鑰，只有解密者才是唯一知道自己私鑰的人。非對稱加密算法的基本原理是，如果加密方想發(fā)送只有解密方才能解讀的加密信息，加密方必須首先知道解密方的公鑰，然后利用解密方的公鑰來加密原文；解密方收到加密密文后，使用自己的私鑰才能解密密文。

1.2 數(shù)字簽名

簡單地說，所謂數(shù)字簽名就是在數(shù)據(jù)單元上附加一些數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)單元作一定的密碼變換，以達到允許數(shù)據(jù)單元的接收者用以確認數(shù)據(jù)單元的來源和并保護數(shù)據(jù)完整性，防止被偽造的目的，是對數(shù)據(jù)進行簽名的一種方法。基于公鑰密碼體制和私鑰密碼體制都可以進行數(shù)字簽名，目前主要得以應(yīng)用的是基于公鑰密碼體制的數(shù)字簽名。

基于公鑰密碼體質(zhì)的數(shù)字簽名機制通常定義兩種互補的運算，一個用于簽名，另一個用于驗證。數(shù)字簽名主要的功能是：保證信息的完整性、認證發(fā)送者的身份。從本質(zhì)上說，數(shù)字簽名是一個對數(shù)據(jù)進行加密的過程，而數(shù)字簽名的驗證則是一個對數(shù)據(jù)解密的過程。

2 組合加密安全方案設(shè)計

2.1 加密方案設(shè)計

之前我們曾經(jīng)提到，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的算法可以根據(jù)密鑰類型的不同分成兩大類別：對稱加密算法和非對稱加密算法。對稱加密算法速度較快，但是存在一定的安全隱患。非對稱加密算法雖然安全性高，卻速度偏慢。顯然，如果只使用其中任何一種單一的加密算法，都無法使加密系統(tǒng)兼顧安全性與高效性。因此，我們需要取兩類加密算法之所長，在加密過程中通過對這兩種加密算法的結(jié)合使用，來構(gòu)建一個既安全又高效的加密系統(tǒng)。

2.1.1 加密方案概述

加密方首先利用對稱加密算法對主加密數(shù)據(jù)進行加密，然后利用接收方的公鑰給對稱密鑰進行非對稱加密，將加密了的對稱密鑰與主加密數(shù)據(jù)的密文一同存入加密數(shù)據(jù)中（如圖 1所示）。解密方在收到數(shù)據(jù)后，利用對應(yīng)的非對稱私鑰對加密了的對稱密鑰進行解密操作。得到對稱密鑰后，再用該密鑰對主加密數(shù)據(jù)密文進行解密操作，從而得到主加密數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

圖1

2.1.2 安全性分析

在上述加密方案中，雖然主要數(shù)據(jù)是由安全性較差的對稱加密機制加密的，但是鑒于對稱密鑰通過非對稱加密算法得到了加密，所以整個系統(tǒng)的安全性也就可以說是逼近于非對稱加密機制了。因為對稱加密算法的安全性依賴于其密鑰的安全性，而其密鑰的安全性又由非對稱加密算法得以保障，故而可以消除對稱加密中存在的最大安全隱患，即每次交換對稱密鑰時的不安全性。

2.1.3 加密效率分析

由于上述加密方案中，主要加密數(shù)據(jù)都是由速度較快的對稱加密算法加密的，而速度較慢的非對稱加密算法只負責加密對稱加密算法的密鑰（其長度一般為幾十到上百個字節(jié)不等，相對于主加密數(shù)據(jù)，基本可以忽略不計），故其效率基本上可與對稱加密算法相媲美。

2.2 數(shù)字簽名安全方案設(shè)計

上述加密方案保證了加密的安全性與效率，但是為了讓這個組合加密安全方案更加完備，我們需要提供消息完整性的驗證，以及發(fā)送方身份認證的功能。

于是在上述加密方案的基礎(chǔ)上：我們讓加密方對主加密數(shù)據(jù)的摘要再做一次非對稱加密的操作，并將加密了的主加密數(shù)據(jù)消息摘要密文一起放入加密數(shù)據(jù)（如圖 2所示）。該非對稱加密操作使用的密鑰與之前加密對稱密鑰時使用的密鑰不同，它使用的是一個能夠標識加密方身份的非對稱密鑰中的私鑰，該私鑰只有加密方自己擁有，其相應(yīng)的公鑰則是對外公開的，其實這就是一種常見的數(shù)字簽名方案，因為私鑰只有加密方擁有，所以能夠表明其身份，而公開的公鑰則用來讓解密方驗證加密方的身份。解密方在獲取了主加密數(shù)據(jù)的原文之后，通過計算得到其消息摘要。同時，通過加密方公開的公鑰對主加密數(shù)據(jù)消息摘要的密文進行非對稱解密操作，將主加密數(shù)據(jù)的消息摘要明文還原出來，并將該明文與之前計算而得的主加密數(shù)據(jù)原文的消息摘要進行比較。若匹配，則在證明了數(shù)據(jù)完整性未遭破壞的同時也驗證了數(shù)據(jù)來源的可靠性，這樣做可以讓解密方驗證加密方的身份，以防止有惡意破壞企圖的第三方冒充加密方，將虛假信息發(fā)送給解密方。

3 組合加密安全方案的實現(xiàn)

3.1 基礎(chǔ)加密算法的選取

3.1.1 對稱加密算法

當前最常用的對稱加密標準無疑是AES[2]加密標準與DES加密標準。AES加密標準作為DES加密標準的替代者，其效率與安全性均高于DES。故選擇AES加密標準的實現(xiàn)算法Rijndael[3]算法作為對稱加密算法。

3.1.2 非對稱加密算法與數(shù)字簽名算法

RSA加密算法是當下最常見的非對稱加密算法，由于數(shù)字簽名也是基于非對稱加密算法的，故本加密方案將選擇RSA算法作為非對稱加密與數(shù)字簽名所使用的算法。

3.1.3 驗證數(shù)據(jù)完整性的散列算法

本文加密方案選擇SHA1算法作為驗證數(shù)據(jù)完整性的散列算法。SHA1散列算法可以對任意長度的數(shù)據(jù)運算生成一個160位的數(shù)值，它具有不可從消息摘要中恢復(fù)原信息及兩個不同的消息不會產(chǎn)生同樣的消息摘要的特性，可以滿足驗證數(shù)據(jù)完整性的需求。

3.2 高級加密方案實現(xiàn)流程

本高級加密方案實現(xiàn)流程分兩大部分流程闡述，即加密流程與解密流程。

3.2.1 加密流程

功能定義：對于輸入的原始數(shù)據(jù)進行加密與組合

輸入：待加密數(shù)據(jù)原文

輸出：加密后的密文組合

具體流程：

Step1:使用對稱密鑰，通過Rijndael算法加密主數(shù)據(jù)，得到密文1

Step2:用非對稱加密算法的公鑰，通過RSA算法加密先前Rijndael算法的對稱密鑰，得到密文2

Step3:用SHA1算法對主數(shù)據(jù)做消息摘要計算

Step4:用簽名密鑰的私鑰，為消息摘要做RSA加密，得到密文3

Step5:將密文1，密文2，密文3組合成新的密文數(shù)據(jù)

3.2.2 解密流程

功能定義：對于輸入的密文組合進行逐步拆分與解密

輸入：待解密的密文組合

輸出：數(shù)據(jù)原文

具體流程：

Step1:使用非對稱加密的私鑰，通過RSA算法解密Rijndael算法的對稱密鑰

Step2:使用上一步解密所得的對稱密鑰解密，通過Rijndael算法解密主加密數(shù)據(jù)明文

Step3:用簽名密鑰的公鑰，通過RSA算法解密消息摘要獲得其明文

Step4:使用SHA1算法對Step2獲得的主加密數(shù)據(jù)明文進行消息摘要的計算，并與Step3所獲得的解密的消息摘要明文進行比較，若相同，則解密成功，輸出明文，否則輸出錯誤信息

4 實驗分析

基于上述組合加密安全方案，我們在Windows .NET Framework 2.0上進行了實驗，并對實驗結(jié)果進行分析。

4.1 實驗平臺選取

由于.NET Framework 2.0環(huán)境集成了本加密安全方案所需的基礎(chǔ)加密算法（即 Rijndael對稱加密算法，RSA非對稱加密算法以及SHA1散列算法）的實現(xiàn)，故我們選取該平臺作為我們的實驗平臺。

4.2 實驗對象與目的

由于數(shù)據(jù)安全性的測試很難用量化數(shù)據(jù)來界定，而之前第二節(jié)中提到的安全性分析也表明本高級安全加密方案的安全性可以逼近于非對稱加密。鑒于非對稱加密的安全性是業(yè)界公認的，所以其安全性應(yīng)該可以得到保障。

這里我們主要對本組合加密安全方案的效率做實驗與分析。

4.3 實驗方案

實驗中，我們將通過組合加密安全方案，分別對不同大小的數(shù)據(jù)（1MB, 2MB, 5MB, 10MB）進行加/解密，記錄加/解密時間，并且將該加密時間與單純使用對稱加密或非對稱加密的加/解密時間進行比較。

為了保證實驗數(shù)據(jù)的有效性，同時將實驗中可能發(fā)生的偶然事件的影響降到最低，我們分別對每個大小的數(shù)據(jù)，取100個樣本進行實驗，然后求得其時間的平均值。

4.4 實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述實驗方案，我們得到如下的實驗結(jié)果，如圖 3圖4所示

圖3

通過實驗數(shù)據(jù)我們可以看到，無論是加密還是解密，本組合加密安全方案所使用的時間都很接近于純對稱加密的時間（多出來的時間開銷主要為使用非對稱加密算法加密對稱密鑰，以及對明文做計算散列時的開銷，但由于數(shù)據(jù)量不大，這些開銷與主要加密用時相比可以忽略不計），在保證了安全性接近于非對稱加密的前提下，在效率上有很大的提升，與之前的分析相符。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于基礎(chǔ)安全機制構(gòu)建的組合加密安全方案，對傳統(tǒng)加密方法效率與安全性難以兼得的問題做出了一個較為合理的解答。同時通過理論分析與實驗說明并驗證了該方案的安全性與效率性。為保護數(shù)據(jù)安全提供了一種較為切實可行的解決方案。

圖4

[1]R.Stinson Douglas.密碼學原理與實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]姚華楨.AES和DES的效率及安全性比較[J].仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學院學報，2006，19(2)：44-48.

[3]Barr,T.Invitation to Cryptology.Upper Saddle River, NJ:Prentice Hall, 2002.