基于哈夫曼樹壓縮的加密技術

苑思明，鄭 晗，李俊杰（通訊作者）

（河北農(nóng)業(yè)大學理工學院 河北 滄州 061100）

1 引言

二十一世紀是信息技術的時代，計算機網(wǎng)絡已深入的各個領域，其安全問題尤為突顯。網(wǎng)絡用戶來自社會各階層，網(wǎng)絡中傳輸數(shù)據(jù)必須要有加密保護措施[1-2]，而計算機數(shù)據(jù)加密算法是核心、重中之重。

目前主流的數(shù)據(jù)加密技術有DES、RSA、AES和橢圓加密算法[3]等。當用戶A向B發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用某種加密算法，將明文變?yōu)槊芪?，發(fā)送到計算機網(wǎng)絡；用戶B接收到密文，使用對應的解密算法解密，恢復明文原始內(nèi)容。在實際通信中，明文碼長一般較長，占用空間大，明文在網(wǎng)絡傳輸過程中易被截獲、篡改，且加密比較繁瑣，耗時較長。故本文提出對基于哈夫曼壓縮的、MD5算法數(shù)據(jù)壓縮加密方法，即為傳送的數(shù)據(jù)構建哈夫曼樹，根據(jù)哈夫曼樹對明文壓縮編碼，然后將得到的壓縮明文通過單向MD5哈希散列算法進行加密。

2 哈夫曼編碼

哈夫曼編碼是基于哈夫曼二叉樹構建的無重復前綴的、電文總長最短的二進制前綴碼數(shù)據(jù)。將報文中n種字符出現(xiàn)的次數(shù)作為二叉樹的葉子節(jié)點，即為wi，各自編碼長度設為li，則計算報文中的n種字符總長度WPL[4-6]，如公式（1-1）所示。

WPL值最小時，構建的二叉樹即為哈夫曼樹。構建好的哈夫曼樹，從根節(jié)點到每個葉子節(jié)點都有一條路徑，此時用二進制數(shù)字進行編碼，即從根節(jié)點開始，左子樹路徑都用“0”編碼，右子樹都用“1”來編碼，這樣每條路徑都有唯一的前綴編碼。

3 基于哈夫曼樹的壓縮加密技術

哈夫曼樹編碼能較好的實現(xiàn)對數(shù)據(jù)文件的壓縮，被廣泛的用于計算機網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)加密過程中。

3.1 數(shù)據(jù)加密模型

一般的數(shù)據(jù)加密模型如圖1所示。用A向B發(fā)送明文數(shù)據(jù)D，經(jīng)過加密算法E加密后，得到密文Y[1]，加密過程如圖1所示。加密函數(shù)如公式（2-1）所示。

圖1 數(shù)據(jù)加密模型

2.2 MD5散列加密算法

（1）MD5算法簡介

MD5的全稱是Message-Digest Algorithm，即信息摘要算法，是最常見的單向散列（Hash）函數(shù)[7-9]，把明文的數(shù)組進行加密后，輸出密文數(shù)組，而根據(jù)密文逆向推出多個明文，所以MD5加密算法具有不可逆性和碰撞性[10]。

（2）MD5算法的分析過程

MD5算法的分析過程如圖2所示。

圖2 MD5加密算法過程

用戶A向B發(fā)送的明文，先通過哈夫曼樹編碼的第一層壓縮后，然后再通過單向的MD5算法的加密后，得到密文，最后再加上密鑰，然后把結果送向用戶B。

3 MD5算法壓縮函數(shù)MD5c

用戶加密后的密文在通信介質上傳輸時，非法人員通過某種技術手段截獲后，采用常用的窮舉暴力破解法，將明文通過MD5算法得到所有的密文數(shù)據(jù)庫，將截獲的密文與數(shù)據(jù)庫明文密文對應列表查詢匹配，以獲取截獲的密文對應的明文。

MD5算法因為容易被破解經(jīng)常不被使用，可通過壓縮函數(shù)MD5c來對MD5算法進行改進。步驟如下。

Si和Yj是與步長值相關的常數(shù)，Wi是擴展的第i塊，其中（0=

Q-1…Q-4是通過鏈值確定的壓縮的MD5算法。因此：

鏈值的初步建立，在大端字節(jié)：

計算完64個步驟以后，MD5c的計算結果如下：

4 結語

在實際生活中，明文碼長一般比較長，在進行加密時比較繁瑣，占用的空間也比較大，而且明文出現(xiàn)的過程中可能會出現(xiàn)密文的攻擊者，編碼較長的明文更容易被攻擊，因此本文通過對數(shù)據(jù)進行哈夫曼編碼能解決此問題。而使用MD5散列算法，因為加密和解密算法是不對稱的，通過改進后，也對數(shù)據(jù)的加密提供了一定的保障。因此，基于哈夫曼樹的壓縮加密技術為計算機的網(wǎng)絡安全提供了一定的保障。

[1] 王曉東.計算機算法分析與設計[M].第4版.北京：電子工業(yè)出版社：2012：96-100.

[2] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡[M].第6版.北京：電子工業(yè)出版社：2013.

[3] 奠愛民.主流VPN技術的安全性研究與改進[D].南京：南京理工大學.2009.

[4] 韓相軍，郭春英.淺談哈夫曼樹及其應用[J].濮陽教育學院學報，2001，14(3)：45-45.

[5] 石博文，苑海潮，路慧澤，等.基于二叉樹和一維數(shù)組的哈夫曼編碼[J].通信技術，2017，50(5)：867-872.

[6] 謝娜.哈夫曼樹算法的改進[J].電腦知識與技術，2010(29)：8224-8226.

[7] 毛熠，陳娜.MD5算法的研究與改進[J].計算機工程，2012，38(4)：111-114.

[8] 陸琳琳.MD5算法的技術研究及性能優(yōu)化[D].長春：吉林大學，2009.

[9] 張裔智，趙毅，湯小斌.MD5算法研究[J].計算機科學，2008，35(7)：295-297.

[10] 趙素萍.MD5加密算法的改進及應用[J].現(xiàn)代計算機，2017(15)：60-62.