基于CrypTool的應(yīng)用密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計

摘要：針對當(dāng)前應(yīng)用密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計存在的內(nèi)容單薄、難度失衡等問題，介紹基于開源軟件CrypTool設(shè)計的一套應(yīng)用密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中涵蓋古典密碼學(xué)、現(xiàn)代密碼學(xué)、身份認(rèn)證與數(shù)字簽名三大部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

關(guān)鍵詞：CrypTool；密碼學(xué)；實(shí)驗(yàn)

1 密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的問題

密碼學(xué)是信息安全專業(yè)的核心課程和主干課程，理論性深入，實(shí)踐性也很強(qiáng)。一方面，它在理論上需要較多的數(shù)學(xué)知識作為學(xué)習(xí)基礎(chǔ)；另一方面，它在密碼算法實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用方面都具有很強(qiáng)的實(shí)踐性。

密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程是密碼學(xué)理論課程的配套實(shí)驗(yàn)課程，更強(qiáng)調(diào)密碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。然而，正如羅芳等撰文指出的那樣，當(dāng)前各大高校信息安全專業(yè)的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程存在著一些普遍問題：①學(xué)時較少，局限于古典密碼和DES密碼的算法體驗(yàn)等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容相對單??；②DES、RSA等算法編程難度大，直接影響學(xué)生的編程實(shí)驗(yàn)興趣；③缺少密文分析和密碼破譯實(shí)驗(yàn)，但是現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用當(dāng)中，密文分析及密碼破澤是黑客們很重要的一個攻擊手段，同時也是算法編寫者驗(yàn)證算法安全性的手段；④鑒于課時所限，大部分的密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課題之間完全獨(dú)立，缺乏密碼應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，直接影響學(xué)生的積極性和學(xué)習(xí)興趣。

針對以上問題，在信息安全專業(yè)的應(yīng)用密碼學(xué)課程建設(shè)中，我們提出基于開源軟件CrypTool設(shè)計一套應(yīng)用密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，以達(dá)到既能幫助學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和加深理解密碼學(xué)原理的目的，又能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和應(yīng)用密碼學(xué)技術(shù)的興趣，還能進(jìn)一步提高學(xué)生的密碼應(yīng)用創(chuàng)新的能力。

2 實(shí)驗(yàn)平臺CrypTool

CrypTool是一個專門為密碼學(xué)教學(xué)而設(shè)計的免費(fèi)、開源Windows圖形化軟件。CrypTool的研發(fā)始于1988年，最初目的是提高德意志銀行員工的計算機(jī)安全意識。目前，CrypTool已成為開源軟件，全球60多位志愿者為其提供了200多個密碼學(xué)的算法實(shí)現(xiàn)功能，被全球許多著名大學(xué)所采用。CrypTool不僅包含了豐富的密碼學(xué)算法和密碼分析工具，還提供了詳細(xì)的文檔來解釋算法以及可能的攻擊，并通過封裝對外提供可視化的圖形界面。因此，CrypTool既可以作為密碼學(xué)基本概念的可視化工具（包括數(shù)字簽名、對稱非對稱、混合加密、協(xié)議等），又可以被IT專家用于評估算法。

CrypTool目前主要有3個版本：CrypTool-I、CrypTool-2和JCryptool。

CrypTool-l是使用C++實(shí)現(xiàn)的Windows應(yīng)用程序，可用于算法可視化展示和加密一解密一破譯實(shí)驗(yàn)。主要功能不但涵蓋古典密碼學(xué)和現(xiàn)代密碼學(xué)的所有算法及部分算法的動態(tài)演示過程，還包括了消息認(rèn)證、數(shù)字簽名等其他信息安全功能的實(shí)現(xiàn)，以及安全協(xié)議如密鑰交換協(xié)議Diffie-Hellman的分步實(shí)現(xiàn)過程。

CrypTool-2是基于可視化編程概念在Visual Studio平臺上使用C#實(shí)現(xiàn)的Windows應(yīng)用程序，支持基于圖形化密碼學(xué)算法組件來創(chuàng)建項(xiàng)目描述密碼在機(jī)密性、完整性等方面的應(yīng)用，用戶可以將最初始的各種算法進(jìn)行組合和變換得到可視化的結(jié)果。CrypTool-2靈活性還體現(xiàn)在開發(fā)人員可以通過插件在.net框架下增加新功能。

JcrypTool是在Eclipse開發(fā)環(huán)境中使用Java語言實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序，在CrypTo011.4的基礎(chǔ)上豐富了內(nèi)容，既包含一些算法體驗(yàn)，也為開發(fā)人員提供實(shí)現(xiàn)插件程序的環(huán)境。Jcryptool支持Windows、Linux等多種操作系統(tǒng)，也支持插件程序，使得新的加密算法和協(xié)議可以很容易地被添加到環(huán)境中。

這3個版本都需要下載和安裝后才能得以運(yùn)行，在線運(yùn)行的CrypTool-Online則無需下載安裝，只要訪問www.cryptool-online.org 即可。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路

高等教育發(fā)展的核心任務(wù)是提高質(zhì)量。高等教育中，實(shí)踐教學(xué)是學(xué)生理解并運(yùn)用理論知識、接受科學(xué)思維方法、培養(yǎng)創(chuàng)新意識和能力的重要手段。要提高實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量，就需要面向不同實(shí)踐能力學(xué)員、把創(chuàng)新教學(xué)的理念貫穿于實(shí)踐環(huán)節(jié)始終，引領(lǐng)學(xué)生以濃厚的興趣完成實(shí)踐教學(xué)的每個環(huán)節(jié)。

密碼技術(shù)是信息安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，幾乎所有的信息安全技術(shù)都應(yīng)用到密碼技術(shù)。密碼設(shè)計與分析具有深入的理論性，但是密碼算法只有實(shí)際實(shí)現(xiàn)才能應(yīng)用，才能發(fā)揮密碼算法的作用。因此，密碼學(xué)實(shí)踐能力成為信息安全專業(yè)學(xué)生應(yīng)當(dāng)具備的實(shí)踐能力的重要組成部分。

作為密碼學(xué)理論課程的配套實(shí)驗(yàn)課程，密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的人才培養(yǎng)目標(biāo)更加強(qiáng)調(diào)密碼技術(shù)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。通過密碼學(xué)實(shí)踐能力的培養(yǎng)，學(xué)生應(yīng)掌握密碼標(biāo)準(zhǔn)算法的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用能力，能夠使用常用密碼軟件工具，進(jìn)而具有一定的密碼應(yīng)用能力。

實(shí)驗(yàn)任務(wù)應(yīng)包括3個層次：①幫助學(xué)生理解密碼學(xué)理論知識，尤其是理解加密算法和密碼分析方法；②培養(yǎng)提高學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)換為實(shí)際成果的能力，主要是將算法編程實(shí)現(xiàn)成為可以實(shí)際應(yīng)用的程序；③拓展學(xué)生的視野，設(shè)置常用密碼應(yīng)用的模擬情景，為學(xué)生將來的實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。

密碼學(xué)主要包括古典密碼體制、現(xiàn)代密碼體制、消息認(rèn)證、身份認(rèn)證與數(shù)字簽名等內(nèi)容，它們各自具有不同的特點(diǎn)，實(shí)踐內(nèi)容選取的方向也就各不相同。

古典密碼學(xué)的算法通常都比較簡單易于理解，而且算法的編程實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用編程難度不大，所以這部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多偏向于密碼分析的應(yīng)用；現(xiàn)代密碼學(xué)特點(diǎn)通常算法都比較難，不容易理解，獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)難度較大，加解密過程復(fù)雜，所以這部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多偏向于對算法和編碼過程的理解、算法的分析比較、算法的應(yīng)用編程；身份認(rèn)證與數(shù)字簽名的實(shí)際應(yīng)用較廣泛，所以這部分的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多偏向于以模擬應(yīng)用加強(qiáng)對相關(guān)原理的理解。

4 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計

（1）代換密碼的手工破譯實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖亲寣W(xué)生掌握基于Cryptool工具進(jìn)行手工密碼破譯的方法，加深學(xué)生對密碼學(xué)英文術(shù)語的印象。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是已知給定的一段密文中第一個密文詞Ivxzoo對應(yīng)的明文是“Recall”，使用CrypTool進(jìn)行密碼分析，并恢復(fù)加密密鑰和明文。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交以上代換密碼使用的密鑰即字母映射表以及恢復(fù)出的明文。

（2）愷撒密碼破譯實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握在Cryptool軟件環(huán)境中使用頻率分析破譯愷撒密碼的方法，學(xué)會使用熵值、字母頻率等工具進(jìn)行明文和密文的比較，理解唯密文分析的過程和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為已知給定的一段密文是基于愷撒密碼加密的，利用CrypTool工具對其進(jìn)行破譯；計算明文和密文的字母頻率分布并比較，總結(jié)明密文字母頻率滿足的規(guī)律并給出解釋；計算明文和密文的熵值，比較明密文熵值的規(guī)律并給出解釋；思考愷撒密碼成功破譯條件：當(dāng)文檔少于20個字符時破譯成功概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交實(shí)驗(yàn)中得到的密鑰、熵值、明密文字母頻率分布圖、愷撒密碼成功破譯的條件。

（3）維吉尼亞密碼破譯實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握在Cryptool軟件環(huán)境中進(jìn)行多表加密算法唯密文分析的方法，理解字母頻率、自相關(guān)等密碼分析工具的使用原理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為已知給定的密文是使用維吉尼亞密碼加密的，破譯并解釋破譯原理；比較明文和密文的字母統(tǒng)計頻率并給出解釋；計算明文和密文熵值并給出解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交密鑰、明密文字母頻率分布圖、熵值。

（4） Hill密碼破譯實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握在Cryptool軟件環(huán)境中對Hill密碼進(jìn)行已知明文分析的過程，理解破譯原理。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)已知的利用HILL密碼加密的明文和對應(yīng)密文，破譯該密碼使用的密鑰，并解釋破譯原理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交密鑰和體現(xiàn)密碼分析過程的重要截圖。

（5） DES算法的加密和破譯實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握在Cryptool軟件環(huán)境中使用DES算法進(jìn)行加密的方法，理解窮舉破譯的過程和結(jié)果。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是分別采用DES-ECB和DES-CBC算法加密同一個字符串，比較得到的兩組密文之間的差異，并給出解釋；分別加密兩個有部分差異的字符串，比較兩組密文的差異并給出解釋；使用DES-CBC和Triple-DES（ CBC）分別加密一段相同的明文，比較窮舉破解所需要的時間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交對DES算法的各種情況分析結(jié)果。

（6） RSA破譯和與AES的性能對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握在Cryptool軟件環(huán)境中使用RSA進(jìn)行加密的方法，體驗(yàn)大因子分解得到大素數(shù)的過程及其安全性。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是根據(jù)給定的RSA模數(shù)N、公鑰e和密文，恢復(fù)出明文；新建一個25MB大小的文件，分別利用AES和RSA算法對其進(jìn)行加解密，并對比AES和RSA加密和解密性能，分析它們性能差異的原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交分析出的私鑰和明文，AES和RSA性能分析結(jié)果。

（7） AES-RSA混合加密實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生通過實(shí)驗(yàn)加深理解對稱密碼體制和公鑰密碼體制作用，理解會話密鑰的作用和基于公鑰加密進(jìn)行會話密鑰分發(fā)的流程。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是按照指定的流程完成原理體驗(yàn)，包括體驗(yàn)混合加密流程，解釋此過程中涉及的session key、asymmetric key各自發(fā)揮的作用，體驗(yàn)解密流程并解密原理以及解密過程中遇到的PIN的作用、私鑰作用。

（8）散列函數(shù)的性質(zhì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱俗寣W(xué)生掌握在Cryptool軟件環(huán)境中使用散列函數(shù)生成散列值的方法，并驗(yàn)證散列函數(shù)的一些基本性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是分別使用MD5、SHA-1、SHA-256等算法生成散列值，觀察輸入長度與輸出長度之間的關(guān)系，不同散列算法產(chǎn)生的輸出長度的區(qū)別；觀察改變輸入1個字符時，輸出發(fā)生的改變，并結(jié)合散列函數(shù)實(shí)現(xiàn)給出解釋；對散列函數(shù)的基本性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證；對散列函數(shù)存在沖突/碰撞給出理論解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求提交各種分析驗(yàn)證的結(jié)果截圖及說明。

5 結(jié)語

從新的信息安全專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)課程標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)設(shè)計實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，并利用CrypTool T具驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在教學(xué)中取得了較好的教學(xué)效果。下一步應(yīng)充分利用CrypTool工具的3個不同版本，根據(jù)它們各自的特點(diǎn)，進(jìn)一步完善和豐富各類實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，特別是建設(shè)密碼應(yīng)用系統(tǒng)類綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容更加貼近當(dāng)代商務(wù)、公務(wù)、軍事等與生活工作密切相關(guān)的應(yīng)用情景，使這些基于CrypTool的實(shí)驗(yàn)更好地為應(yīng)用密碼學(xué)的教學(xué)和實(shí)踐服務(wù)。在激發(fā)學(xué)生對密碼技術(shù)產(chǎn)生興趣之后，能培養(yǎng)提高學(xué)生將理論知識轉(zhuǎn)換為實(shí)際成果的能力，同時又能拓展學(xué)生的視野，使其興趣長久、能力持續(xù)。