基于應(yīng)用密碼系統(tǒng)的教學(xué)方法研究

韓萌　申笑晨　商顯震

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，人們對于信息安全的要求也越來越高。如何更加安全地對信息進行保護，如何為各種數(shù)據(jù)提供可靠的保障，這使得密碼算法的研究與應(yīng)用逐漸被人們所關(guān)注。《密碼學(xué)》是信息安全的重要基礎(chǔ)課程，是研究信息安全的理論基礎(chǔ)。設(shè)計基于教學(xué)的應(yīng)用密碼系統(tǒng)，提高學(xué)生對加解密過程的理解，取得了較好的教學(xué)效果，為同行提供了一定可參考的價值。

關(guān)鍵詞：《密碼學(xué)》；應(yīng)用密碼系統(tǒng)；教學(xué)；研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）31-0203-03

一、引言

隨著計算機通信技術(shù)的發(fā)展，用戶對信息的安全儲存、處理和傳輸?shù)囊笤絹碓礁摺Ｓ绕涫请S著計算機網(wǎng)絡(luò)的大面積使用，個人通信、多媒體通信、電子郵件、網(wǎng)上轉(zhuǎn)賬系統(tǒng)和網(wǎng)上零售業(yè)務(wù)的建立與實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的保護和安全問題就顯得尤為重要了。而解決這一問題的有效手段之一便是現(xiàn)代密碼技術(shù)的應(yīng)用[1-3]。在本科教學(xué)中，現(xiàn)代密碼技術(shù)的應(yīng)用主要通過《密碼學(xué)》等相關(guān)課程講述信息安全的理論基礎(chǔ)。

《密碼學(xué)》作為信息安全專業(yè)以及信息與計算科學(xué)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，它為信息安全提供了深刻的理論依據(jù)和豐富的應(yīng)用實踐，是數(shù)學(xué)在信息學(xué)科中應(yīng)用的典型[3-6]，并已在各大高校開設(shè)了相應(yīng)的本科生課程和研究生課程。到2004年止，全國已有366所大學(xué)開辦與信息安全相關(guān)的專業(yè)。但作為比較新的專業(yè)，如何建設(shè)和發(fā)展是國家教育部和各個學(xué)校一直都在探索的問題。把《密碼學(xué)》作為信息安全支撐的重點課程，由于課程開設(shè)的時間較短、積累的經(jīng)驗較少，雖然有部分教材和教學(xué)研究論文，但其中還有許多教學(xué)問題有待研究、解決并加以實踐驗證。

二、應(yīng)用密碼系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計用于實現(xiàn)應(yīng)用密碼系統(tǒng)，采用C++編程語言在Visual Studio 2010平臺上進行開發(fā)?？蓪ξ谋緮?shù)據(jù)，進行五種方式的加密解密操作。分別為維吉尼亞密碼算法、仿射密碼算法、RC4密碼算法、DES密碼算法和AES密碼算法。

本系統(tǒng)的用戶主體為全體學(xué)習(xí)《密碼學(xué)》課程的學(xué)生，通過課程中使用應(yīng)用密碼系統(tǒng)可以增加學(xué)生對加解密過程的理解。目前本系統(tǒng)只考慮到文本數(shù)據(jù)的加密解密，后續(xù)將繼續(xù)增加圖形圖像和音頻等數(shù)據(jù)的加密解密。

1.系統(tǒng)簡介。本應(yīng)用密碼系統(tǒng)的總功能圖如圖1所示。本系統(tǒng)可對文本信息進行五種密碼算法的加密解密，分別是仿射密碼、維吉尼亞密碼、RC4密碼、DES密碼和AES密碼。

應(yīng)用密碼系統(tǒng)

本應(yīng)用密碼系統(tǒng)的主功能界面如圖2所示。用戶打開本軟件后，可根據(jù)界面上的五個按鈕選擇待使用的密碼算法，對文本數(shù)據(jù)進行加密解密操作。

2.系統(tǒng)設(shè)計。本文以仿射密碼為例，介紹系統(tǒng)子模塊的設(shè)計與現(xiàn)實過程。其他功能實現(xiàn)與此模塊相類似，因此文中不一一介紹。

（1）仿射密碼原理介紹。仿射密碼是由加法密碼和乘法密碼的結(jié)合，仿射密碼的加密和解密公式分別為：

c =（k *m +k ）mod n；

m =k （c -k ）mod n。

其中，密鑰為 0 —n-1之間的數(shù)字對（k ，k ）。要求k 與n的最大公約數(shù)必須為1，即：gcd（k ，n）= 1。k 是k 的逆元，即：（k *k ）mod n=1。

（2）功能界面。仿射密碼系統(tǒng)功能界面如圖3所示。用戶可對文本數(shù)據(jù)按仿射密碼算法進行加密解密操作。

加密流程：用戶可單擊如下區(qū)域一的按鈕載入需要加密的文本文件。原文顯示在區(qū)域二中?；蛘咧苯釉趨^(qū)域二輸入需要加密的文本信息。在區(qū)域三輸入密鑰。單擊區(qū)域四的按鈕選擇加密操作。加密結(jié)果顯示在區(qū)域五的文本框中。單擊區(qū)域六的按鈕，可保存密文為文本文件。

解密流程：用戶可單擊區(qū)域七的按鈕載入需要解密的文本文件，密文顯示在區(qū)域五中。或者直接在區(qū)域五輸入需要解密的文本信息。在區(qū)域三輸入密鑰。單擊區(qū)域八的按鈕選擇解密操作。解密結(jié)果顯示在區(qū)域二的文本框中，同樣單擊區(qū)域九的按鈕可保存解密后的原文為文本文件。

區(qū)域六

具體加載文件時的加密操作如下圖所示步驟：

第一步：單擊區(qū)域一按鈕，選擇需要加密的文件。

第二步：需要加密的文本顯示在區(qū)域二的文本框中。

第三步：在區(qū)域三輸入密鑰后，單擊區(qū)域四的加密按鈕。加密結(jié)果顯示在區(qū)域五中。

第四步：單擊區(qū)域六，可保存密文文件。路徑和文件名都可自行選擇。

保存完成后，在桌面生成密文文檔，如下圖所示。

具體加載文件時的解密操作如下圖所示步驟：

第一步：單擊區(qū)域七的按鈕，選擇需要解密的文件。

第二步：在區(qū)域三輸入解密密鑰，單擊區(qū)域八的解密按鈕，解密后的明文顯示在區(qū)域二的文本框中。

第三步：單擊區(qū)域九的按鈕，保存明文。路徑和文件名可自行選擇輸入。

保存完成后，在桌面生成明文文檔2，如下圖所示：

三、小結(jié)

密碼學(xué)作為一個新興學(xué)科和一個正在發(fā)展中的學(xué)科，通過貫穿教育讓學(xué)生對密碼學(xué)有更深的理解和擴展，而更重要的目的是將部分基礎(chǔ)比較好、興趣稍微濃厚的學(xué)生引入科研的大門。本文介紹了應(yīng)用密碼系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，從設(shè)計原理、算法描述和系統(tǒng)實現(xiàn)三個方面進行描述。通過將本應(yīng)用密碼系統(tǒng)應(yīng)用至《密碼學(xué)》課程教學(xué)中，能夠有效提高學(xué)生對密碼加解密過程的理解。