物聯(lián)網(wǎng)安全課程中的密碼學(xué)算法教學(xué)改革

余健

摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)安全課程《密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中存在的問題，分析目前《密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)》教學(xué)中采用的軟件所存在的弊病，提出以Python語言為實(shí)驗(yàn)編程工具的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：信息安全；密碼學(xué)；Python；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-0-03

0 引 言

密碼學(xué)算法是物聯(lián)網(wǎng)安全等信息安全課程教學(xué)的基礎(chǔ)[1]。密碼學(xué)算法的教學(xué)效果直接影響到學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)安全課程的掌握程度。目前密碼學(xué)算法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用現(xiàn)成的密碼學(xué)算法軟件演示[2]，或采用C，C++及Matlab等編程實(shí)現(xiàn)，但是密碼學(xué)算法軟件的演示只是使學(xué)生了解算法的最終結(jié)果，無法使學(xué)生理解算法原理；采用C，C++等高級語言編程實(shí)現(xiàn)密碼學(xué)算法，有利于學(xué)生掌握算法原理，但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)當(dāng)中，學(xué)生普遍反映編程難度大，算法實(shí)現(xiàn)繁瑣等問題；而采用Matlab編程的優(yōu)點(diǎn)是編程語言簡單、算法容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是無法直接應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目中。

因此，采用合適的編程語言對密碼學(xué)算法的實(shí)踐教學(xué)改革是極其重要的[3]。Python語言被稱為膠水語言[4]，它具有Matlab語言的優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用范圍廣，采用Python語言編程可直接應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[5]?？紤]到Python語言的簡單易用性，以及包含了大量的算法包，密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)教學(xué)全部采用Python編程實(shí)現(xiàn)。這樣既能夠加深學(xué)生對密碼學(xué)算法的理解，提高學(xué)生的編程能力和應(yīng)用能力，也有利于學(xué)生編寫軟件參加學(xué)科競賽及各種項(xiàng)目，提高學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)能力。

密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)主要包括古典密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)、DES和AES對稱密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)和RSA公鑰密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)[6-8]。

1 古典密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)

古典密碼學(xué)算法主要包括凱撒密碼、維吉尼亞密碼和Hill矩陣加密算法。采用Python語言編程實(shí)現(xiàn)，以凱撒密碼為例，代碼如下所示：

def Encrypt（P，key）：//加密函數(shù)

P = list（P）

P = map（ord，P）

import numpy as np

P = np.array（P）

P = P - ord（‘a(chǎn)）

C =（P + key）%26

C = C + ord（‘A）

C = map（chr，C）

C = ‘.join（C）

return C

def Decrypt（C，key）： //解密函數(shù)

C = list（C）

D = map（ord，C）

import numpy as np

D = np.array（D）

D = D-ord（‘A）

D =（D-key）%26

D = D + ord（‘a(chǎn)）

D = map（chr，D）

D =‘.join（D）

return D

#主函數(shù)

user_input=raw_input（‘加密請按E，解密請按D：）；

while（user_input！=‘E and user_input！=‘D）：

//輸入合法性判斷

user_input=raw_input（‘輸入有誤！請重新輸入：）

key=raw_input（‘請輸入密鑰：）

while（int（key.isdigit（）==0））：//輸入合法性判斷

key=raw_input（‘輸入有誤！密鑰為數(shù)字，請重新輸入：）

if user_input==‘E：//加密

P=raw_input（‘請輸入明文：）

C=Encrypt（P，int（key））

print ‘密文為：＼n%s % C

else：//解密

C=raw_input（‘請輸入密文：）

P=Decrypt（C，int（key））

print ‘明文為：＼n%s % P

學(xué)生完成了凱撒密碼算法的實(shí)現(xiàn)之后，可讓在以上程序的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)維吉尼亞密碼。

2 DES和AES對稱加密算法實(shí)驗(yàn)

數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Data Encryption Standard，DES），除了被廣泛應(yīng)用于金融交易中，它還被嵌入到許多商業(yè)應(yīng)用中。1977年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局正式公布實(shí)施了美國的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（DES），公開了它的加密算法，并批準(zhǔn)用于非機(jī)密單位和商業(yè)上的保密通信。高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）又稱為Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)用來替代日益不安全的DES算法。

DES和AES算法的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，采用Python語言做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以調(diào)用Crypto密碼學(xué)算法包的相關(guān)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，具體的編程代碼如下所示：

# DES加密解密

from Crypto.Cipher import DES

from Crypto import Random

key =‘keyskeys//必須為8 B

plaintext = ‘計(jì)算機(jī)與信息工程

print ‘明文：，plaintext

cipher = DES.new（key，DES.MODE_ECB）

ciphertext = cipher.encrypt（plaintext）

print ‘密文：，ciphertext.encode（‘hex） //16進(jìn)制表示

decrypttext = cipher.decrypt（ciphertext）

print ‘解密結(jié)果：，decrypttext

# AES 加密解密

from Crypto.Cipher import AES

from binascii import b2a_hex，a2b_hex

from Crypto import Random

def encrypt（text，key，IV）：

cryptor = AES.new（key，AES.MODE_CBC，IV）

length = 16

count = len（text）

add = length-（count% length）

text = text +（‘＼0 * add）

ciphertext = cryptor.encrypt（text）

return b2a_hex（ciphertext）

def decrypt（text，key，IV）：

cryptor = AES.new（key，AES.MODE_CBC，IV）

plain_text = cryptor.decrypt（a2b_hex（text））

return plain_text.rstrip（‘＼0）//解密后，去掉補(bǔ)足的空格

key = ‘keyskeyskeyskeys

#初始化密鑰，密鑰長度必須16，24或32 B長

plaintext = ‘韓山師范學(xué)院

print ‘明文：，plaintext

IV = Random.new（）.read（AES.block_size）

//加密或解密的初始化向量

ciphertext = encrypt（plaintext，key，IV）

decrypttext = decrypt（ciphertext，key，IV）

print‘密文：，ciphertext

print‘解密結(jié)果：，decrypttext

在DES和AES對稱密碼算法實(shí)驗(yàn)中，要強(qiáng)調(diào)DES的密鑰必須為8 B，而AES的密鑰為16，24或32 B，DES的加密文本長度必須為8 B的倍數(shù)，而AES的加密文本長度必須為16，24或32 B的倍數(shù)。

3 RSA公鑰密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)

RSA公鑰密碼學(xué)算法廣泛應(yīng)用于信息安全領(lǐng)域，包括非對稱加密解密、認(rèn)證技術(shù)以及數(shù)字簽名等。RSA算法主要通過求乘法逆元、加密和解密函數(shù)實(shí)現(xiàn)。這三個(gè)函數(shù)的Python代碼如下所示：

def multip_inverse（e，fn）：

A=0； B=1； m=fn；

b=e； Q=m/b； R=m%b；

while（R>1）：

X=A-Q×B； A=B；

B=X； m=b； b=R；

Q=m/b； R=m%b；

if（R == 1）：

X=A-Q×B

return X% fn

if（R == 0）：

print ‘乘法逆元不存在！

return ‘none

def Encrypt（P，e，n）：//加密函數(shù)

C =（ P×e）%n//加密得出密文C

return C

def Decrypt（C，d，n）：//解密函數(shù)

D =（C×d）%n//解密得出明文P

return D

另外，學(xué)生在完成RSA公鑰密碼學(xué)算法的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生完成RSA數(shù)字簽名程序，進(jìn)一步提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

4 結(jié) 語

通過以上示例，我們可以發(fā)現(xiàn)，使用Python語言實(shí)現(xiàn)密碼學(xué)算法，簡單易用，學(xué)生容易掌握，可降低使用高級語言編寫密碼學(xué)法的難度，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。除了古典密碼學(xué)實(shí)驗(yàn)，DES和AES對稱密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)和RSA公鑰密碼學(xué)算法實(shí)驗(yàn)，還可布置一些趣味密碼學(xué)問題，例如分別采用蠻力破解和字典攻擊方法破解壓縮文件密碼，破解無線WiFi密碼和破解谷哥瀏覽器登錄密碼等，提高學(xué)生對這些課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)實(shí)踐能力和應(yīng)用能力。通過在物聯(lián)網(wǎng)安全的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用Python編程工具，鍛煉了學(xué)生的實(shí)際編程能力。筆者指導(dǎo)的學(xué)生參加2106年和2017年全國信息安全競賽（作品賽），共獲得了3個(gè)三等獎(jiǎng)。對其他高校物聯(lián)網(wǎng)安全課程中的密碼學(xué)算法教學(xué)改革具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1]胡小明，楊寅春，吳秀梅，等. 信息安全專業(yè)密碼學(xué)課程教學(xué)改革[J]. 計(jì)算機(jī)教育，2014（1）：49-52.

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[8]石井，吳哲，譚璐，等. RSA數(shù)據(jù)加密算法的分析與改進(jìn)[J]. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（3）：66-69.