基于RSA和Hash的一對(duì)多可靠通信隱私保護(hù)研究

陳艾琳++李斌勇

摘 要：圍繞一對(duì)多通信的隱私保護(hù)安全問題，針對(duì)通信過程中面臨的惡意攻擊風(fēng)險(xiǎn)，分析了攔截監(jiān)聽和中斷信息兩種主流攻擊方式。結(jié)合兩種方式的惡意攻擊特點(diǎn)，在分析RSA算法的加解密原理基礎(chǔ)上，結(jié)合Hash算法和通信消息的確認(rèn)原理，提出了一種基于Hash算法的消息確認(rèn)機(jī)制。通過對(duì)消息確認(rèn)機(jī)制的安全性分析，表明該機(jī)制在一對(duì)多通信過程中能有效地保障消息傳輸?shù)陌踩煽啃?，從而達(dá)到通信隱私保護(hù)的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：一對(duì)多；RSA算法；Hash算法；消息確認(rèn)機(jī)制；可靠性

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，一對(duì)多通信逐漸演變?yōu)槟壳皵?shù)據(jù)通信過程中廣泛采用的信息交互方式?；ヂ?lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展使得通信更加便捷高效，但同時(shí)也使通信雙方的數(shù)據(jù)隱私安全受到前所未有的挑戰(zhàn)與威脅，尤其是一對(duì)多通信過程中的數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)問題，已成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)安全亟待解決的問題之一?；诖?，論文將圍繞如何實(shí)現(xiàn)一對(duì)多可靠通信隱私保護(hù)問題展開重點(diǎn)研究。

密碼技術(shù)[1]是解決上述信息安全問題的核心手段之一，其主要由密碼編碼和密碼分析兩部分組成。上世紀(jì)70年代，Diffie和Hellman發(fā)表了題為“密碼學(xué)的新方向”的非對(duì)稱密碼奠基性論文，首次建立了公鑰密碼的思想和概念。后來，Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman等人共同提出并實(shí)現(xiàn)了Diffie和Hellman思想的一種算法，即如今廣泛采用的RSA算法。RSA算法基于一個(gè)十分簡單的數(shù)論事實(shí)：將兩個(gè)大質(zhì)數(shù)相乘十分容易，但是想要對(duì)其乘積進(jìn)行因式分解卻極其困難，因此可以將乘積公開作為加密密鑰。

此外，Hash算法可以將任意長的消息m映射為較短的、固定長度的一個(gè)值，以消息的Hash值作為驗(yàn)證信息，可以得知消息是否被接收方收到，并且通過比較發(fā)送和接受的消息哈希值判斷消息是否被篡改。由此，可起到消息可靠傳輸?shù)淖饔谩?/p>

2 普通一對(duì)多通信

一對(duì)多通信是指由一個(gè)發(fā)送方和多個(gè)接收方組成的通信系統(tǒng)，發(fā)送方可以對(duì)所有接收方發(fā)送相同或不同的一組信息，也可以僅向其中部分接收方發(fā)送信息。一對(duì)多通信適用范圍很廣，如學(xué)校通知學(xué)生的成績、醫(yī)院發(fā)送病人的病情信息、福利機(jī)構(gòu)公布獲獎(jiǎng)名單等。不難看出，諸如上述通信內(nèi)容均屬于用戶隱私部分，故應(yīng)當(dāng)防止第三方攔截攻擊。

上述信息在未經(jīng)任何處理的一對(duì)多通信中，由于一些惡意攻擊者的存在，用戶的隱私岌岌可危。惡意攻擊者不僅可通過攔截監(jiān)聽的方式獲取用戶隱私，而且也可通過中斷信息方式來阻止用戶接受信息。上述兩種攻擊方式分別如圖1和圖2所示。

3 RSA加密信息

3.1 RSA算法

RSA公開密鑰密碼體制。所謂的公開密鑰密碼體制就是使用不同的加密密鑰與解密密鑰，是一種“由已知加密密鑰推導(dǎo)出解密密鑰在計(jì)算上是不可行的”密碼體制。

在公開密鑰密碼體制[2]中，加密密鑰（即公開密鑰）PK是公開信息，而解密密鑰（即秘密密鑰）SK是需要保密的。加密算法E和解密算法D也都是公開的。雖然解密密鑰SK是由公開密鑰PK決定的，但卻不能根據(jù)PK計(jì)算出SK。

算法簡述如下[3]：

RSA的算法涉及三個(gè)參數(shù)，n、e、d。

其中，n是兩個(gè)大質(zhì)數(shù)p、q的積，n的二進(jìn)制表示時(shí)所占用的位數(shù)，就是所謂的密鑰長度。

e和d是一對(duì)相關(guān)的值，e可以任意取，但要求e與（p-1）*（q-1）互質(zhì)；再選擇d，要求（d*e）mod（（p-1）*（q-1））=1。

（n，e），（n，d）就是密鑰對(duì)。其中（n，e）為公鑰，（n，d）為私鑰。

RSA加解密的算法完全相同，設(shè)m為明文，s為密文，則：m≡sd mod n；s≡me mod n；在公鑰加密體制中，通常采用公鑰進(jìn)行加密，私鑰進(jìn)行解密。

3.2 RSA加密用戶信息

一對(duì)多信息傳送密鑰分配規(guī)則為：機(jī)構(gòu)與n個(gè)用戶分別有獨(dú)立的n對(duì)密鑰，其中機(jī)構(gòu)保存n個(gè)公鑰，n個(gè)用戶各自保存自己的1個(gè)私鑰。機(jī)構(gòu)同時(shí)向多個(gè)用戶發(fā)送信息時(shí)，就分別采用每個(gè)用戶所對(duì)應(yīng)的公鑰加密，加密后的信息在公共信道進(jìn)行傳輸。由于信息以密文形式進(jìn)行傳輸，即使被攻擊者攔截，也不能得到有效信息。若攻擊者試圖將密文解密，則需要知道私鑰d，私鑰d被用戶秘密保存，且?guī)缀醪荒芡ㄟ^公鑰e計(jì)算出來，因而攻擊者亦無法將攔截監(jiān)聽的信息解密得到有效信息。

這種隱私保護(hù)的方法基于RSA大數(shù)分解難題，在已知兩個(gè)大素?cái)?shù)乘積和其中一個(gè)大素?cái)?shù)時(shí)，難以計(jì)算出另一個(gè)大素?cái)?shù)，因此這樣的加密方式在計(jì)算上是安全的。

4 消息確認(rèn)

4.1 Hash算法概述

Hash函數(shù)[3]又稱為哈希函數(shù)、雜湊函數(shù)和散列函數(shù)，在現(xiàn)代密碼學(xué)中扮演者重要角色，Hash函數(shù)是一公開函數(shù)，通常記為H或h，Hash函數(shù)可以將任意長的消息m映射為較短的、固定長度的一個(gè)值，記為H（m）。

從密碼算法角度看，Hash函數(shù)也可以看作是一種單項(xiàng)密碼體制，即它從一個(gè)明文到密文是不可逆映射，只有加密過程，不能解密。哈希值是消息中所有比特的函數(shù)，因此提供了一種錯(cuò)誤檢測能力，即改變消息中任何一個(gè)比特或幾個(gè)比特都會(huì)使哈希值發(fā)生變化。

4.2 消息確認(rèn)原理

消息確認(rèn)[4]是收到信息的接收方發(fā)送確認(rèn)信息給發(fā)送方，確認(rèn)已收到的信息。消息確認(rèn)的實(shí)現(xiàn)過程是數(shù)字簽名和消息認(rèn)證部分方法的結(jié)合。

與數(shù)字簽名[5]實(shí)現(xiàn)過程不同之處在于消息確認(rèn)只發(fā)送對(duì)消息m進(jìn)行Hash變化的H（m）的簽名s≡H（m）d mod n，而不是發(fā)送m||s，這樣能有效防止攻擊者劫持消息確認(rèn)從而得到有效消息內(nèi)容m。具體過程如下：

接收者將信息m輸入Hash函數(shù)，得到H（m），然后將s≡H（m）d mod n發(fā)送給發(fā)送方。endprint

發(fā)送方收到確認(rèn)信息后，將原信息輸入Hash函數(shù)，若與接收到的s解密所得值相等，即信息傳送成功，否則信息傳送中途出現(xiàn)問題，需要重新傳送信息。其消息確認(rèn)過程如圖3所示。

4.3 消息確認(rèn)機(jī)制安全性分析

消息確認(rèn)機(jī)制能抵抗攔截監(jiān)聽。

由于消息經(jīng)過Hash函數(shù)處理，若傳送消息途中有攻擊者劫持，攻擊者可以通過公鑰e解密得到H（m），但由于Hash算法的單向性，攻擊者也無法在已知H（m）的條件下推出m。因此，消息確認(rèn)算法在傳送至發(fā)送方的公共信道上是安全的。

消息確認(rèn)機(jī)制能檢查消息是否被篡改。

由于Hash算法能夠抵抗弱碰撞[3]，即給定消息m和H（m），找到另外一個(gè)m≠m?，使得H（m）=H（m?）是不可能的。而且，Hash算法能夠抵抗強(qiáng)沖突[3]，即可以有兩個(gè)有意義的消息m和m?，使得H（m）=H（m?）幾乎是不可能的。因此，若在消息傳送過程中，當(dāng)攻擊者對(duì)消息進(jìn)行了篡改，即m被改為m?，那么接收方并不能發(fā)現(xiàn)消息已被篡改，但當(dāng)接收方發(fā)送對(duì)消息的確認(rèn)時(shí)，由上述Hash算法的特殊性質(zhì)可知，H（m?）≠H（m），故發(fā)送方可判斷出消息被篡改，從而進(jìn)行消息重傳或者采用其他手段與接收方進(jìn)行通信。

此外，若攻擊者在消息發(fā)送或消息確認(rèn)發(fā)送過程中進(jìn)行消息中斷，發(fā)送方事先設(shè)置的超時(shí)計(jì)時(shí)器到期后，就會(huì)因未收到確認(rèn)而重新發(fā)送RSA加密消息，繼續(xù)等待接收方發(fā)回對(duì)消息的確認(rèn)。上述步驟將反復(fù)進(jìn)行，直到發(fā)送方收到消息確認(rèn)。如圖4和圖5所示。

綜上，上述確認(rèn)機(jī)制能有效對(duì)抗攻擊者進(jìn)行攔截監(jiān)聽和中斷攻擊，并且能有效確保消息發(fā)送成功。

5 結(jié)束語

文中提出了利用RSA和Hash算法進(jìn)行一對(duì)多可靠通信的方法，使消息的傳送不再有隱私被竊取的隱患，并通過確認(rèn)機(jī)制保證了消息能被接收方獲取?？梢源藶槔砟钤O(shè)計(jì)一個(gè)軟件，通過使用上述系列算法，實(shí)現(xiàn)一對(duì)多消息傳送，并保證重要消息傳送過程的安全性和可靠性。

基金項(xiàng)目：

1.四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（17ZA0069）；

2.成都信息工程大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目（KYTZ201618）。

參考文獻(xiàn)

[1] 韋茜，王晨，李星毅.基于RSA算法的快遞信息隱私保護(hù)應(yīng)用[J].信息安全，2014，（4）：58-60.

[2] 石志堅(jiān)，譚全權(quán)，段海龍.RSA算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名的研究與應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2008，（6）：50-51.

[3] 張仕斌，萬武南，張金全.應(yīng)用密碼學(xué)[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2017.

[4] 曾晟珂，陳勇，夏梅宸.車載自組網(wǎng)的隱私保護(hù)問題[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（4）：1-15.

[5] 石志堅(jiān)，譚全權(quán)，段海龍.RSA算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名的研究與應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2008，（6）：50-51.endprint