基于混合加密算法的安全通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳金娥，陳 濤，童緒軍

(安徽醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校, 安徽 合肥 230601)

0 引言

21世紀(jì)以來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，各行各業(yè)的發(fā)展對(duì)通信系統(tǒng)的依賴性越來越強(qiáng)，保障通信過程中信息的安全性成為了首要任務(wù)[1-2].目前，信息安全所面臨的威脅包括：竊聽，造成秘密泄露；篡改，發(fā)送的信息被修改；偽裝，偽裝成真正的發(fā)送者；否認(rèn)，事后否認(rèn)自己做過此事.這些威脅破壞信息的機(jī)密性、完整性、認(rèn)證性以及不可否認(rèn)性[3].悉宇航等[4]設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于國(guó)密算法混合加密系統(tǒng)，該系統(tǒng)更適用于軍工、政府等機(jī)密要求較為嚴(yán)格的機(jī)構(gòu).鮑海燕等[5]設(shè)計(jì)了一個(gè)RSA算法、IDEA算法及MD5算法混合加密的系統(tǒng)，能有效的預(yù)防外來攻擊.關(guān)宇哲等[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于RSA算法和DES算法混合加密的通信系統(tǒng)，通過混合算法提高加密、解密的時(shí)間效率.

通過對(duì)比分析相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用性更廣、時(shí)間效率更快、安全性更高的混合加密算法的通信系統(tǒng).本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全通信的思路如下：首先采用RSA算法對(duì)服務(wù)端和客戶端進(jìn)行雙向認(rèn)證，即驗(yàn)證通信雙方證書的合法性.考慮到RSA是一種非對(duì)稱加密算法，計(jì)算較為復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，不適用于對(duì)明文實(shí)時(shí)進(jìn)行加解密；從而雙向認(rèn)證通過后，采用由客戶端向服務(wù)端發(fā)送其支持的所有對(duì)稱加密算法，服務(wù)端選擇本文系統(tǒng)使用的AES-SHA組合加密算法，并將選擇結(jié)果反饋給客戶端；然后通信雙方隨機(jī)生成一個(gè)通信會(huì)話密鑰，該隨機(jī)密鑰在通信雙方發(fā)送接收數(shù)據(jù)的加解密過程中被使用；最后通過SHA算法對(duì)數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，從而能有效避免接收篡改后的數(shù)據(jù)，保障系統(tǒng)的安全性.

1 通信系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

1.1 加密算法的介紹

RSA算法是目前最常用的非對(duì)稱加密算法之一[7]，算法首先需要生成一對(duì)公鑰pk和私鑰sk，然后使用pk對(duì)明文進(jìn)行加密，使用sk對(duì)密文進(jìn)行解密，大致歸結(jié)為以下步驟：

(1)選擇兩個(gè)大素?cái)?shù)x和y；

(2)計(jì)算a=x*y；

(3)計(jì)算b=(x- 1)*(y- 1)；

(4)選擇公鑰指數(shù)k，k小于b且不是b的因子；

(5)計(jì)算私鑰指數(shù)t，t小于b且根據(jù)(k*t)modb= 1計(jì)算出t；

(6)生成公鑰pk=(a，k)，私鑰sk=(a，t)；

(7)明文M加密成密文C，C = Mkmod a;

(8)密文C解密成明文M，M = Ctmod a.

分析以上步驟可以得出，RSA算法的安全性與大整數(shù)做因數(shù)分解的難度密切相關(guān)，即算法的安全性與公私鑰的位數(shù)相關(guān)，位數(shù)越大越安全.然而，RSA算法的加解密的運(yùn)算都是指數(shù)級(jí)的運(yùn)算，計(jì)算起來較為復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng).綜合考慮之后，本系統(tǒng)選擇了2048位的公私鑰，既能大概率保證RSA算法的安全性，又能節(jié)省加密解密的耗時(shí).

AES算法是一種對(duì)稱加密算法，相對(duì)于非對(duì)稱加密算法來說，加解密的速度會(huì)快幾百倍[8]，因此在雙方通信證書驗(yàn)證通過后，將改為使用AES算法對(duì)雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密.AES算法加密過程如圖1所示.

圖1 AES算法的加密過程

解密過程是加密過程的逆操作，加解密使用的密鑰是相同的.根據(jù)AES算法的加解密流程可知其安全性的關(guān)鍵是保障密鑰的安全，而密鑰的安全性是由加密鏈中的RSA算法保障的.根據(jù)密鑰長(zhǎng)度分為3個(gè)版本AES-128、AES-192、AES-256，為了加快其加解密的速度，本文系統(tǒng)選擇了AES-128版本.

SHA算法是繼MD5算法之后使用最廣泛的Hash加密算法，該算法具有加密不可逆性，通常用作數(shù)字簽名，來驗(yàn)證數(shù)據(jù)簽名的合法性.本文系統(tǒng)選擇采用SHA-256加密算法，該算法相對(duì)于MD5、SHA1算法的耗時(shí)要高200 ms左右，但是安全性較高，綜合考慮還是通過犧牲一點(diǎn)時(shí)間換數(shù)據(jù)的安全性.

綜上所述，本文系統(tǒng)是由RSA算法、AES算法和SHA算法混合形成了一套安全的通信加密鏈.RSA算法的優(yōu)點(diǎn)是安全性高，因此通信雙方使用其傳遞并協(xié)商通信密鑰；其缺點(diǎn)是加解密計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng)，因此當(dāng)通信雙方協(xié)商好通信密鑰后，將改為使用AES算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作.在整個(gè)系統(tǒng)的通信過程中，RSA算法對(duì)數(shù)據(jù)加解密的運(yùn)算量占比非常小，因此其對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的加解密耗時(shí)影響可忽略不計(jì)[9-10].加密密鑰協(xié)商完成之后，將使用AES算法和SHA算法一起對(duì)通信雙方發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作，從而實(shí)現(xiàn)保障通信過程中雙方數(shù)據(jù)的安全.

1.2 通信系統(tǒng)建立連接的過程

本文是基于混合RSA算法、AES算法及SHA算法實(shí)現(xiàn)的安全通信系統(tǒng)，通信系統(tǒng)建立連接的流程如圖2所示.

圖2 通信系統(tǒng)建立連接的流程圖

當(dāng)客戶端向服務(wù)端發(fā)起通信連接請(qǐng)求后，首先雙方根據(jù)證書對(duì)其身份的合法性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后雙方使用RSA算法商榷出用于之后通信使用的加密算法AES和加密密鑰，最后再通過SHA算法對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名驗(yàn)證.雙方握手通信的具體步驟如下所示：

(1)客戶端A向服務(wù)端B發(fā)起通信連接的請(qǐng)求， A將生成的第1個(gè)隨機(jī)數(shù)random_f和通信雙方支持的加密算法cipher suites列表一起發(fā)送給B.其中random_f需要A和B雙方各自保存好，生成通信加密密鑰時(shí)會(huì)用到.

(2)服務(wù)端B接收到連接請(qǐng)求后， B將其證書cert_s、生成的第2個(gè)隨機(jī)數(shù)random_s和在cipher suites中選擇的加密套件一起發(fā)送給A，并向A索要證書，來驗(yàn)證A的身份的合法性.其中random_s也需要A和B雙方各自保存好，生成通信加密密鑰時(shí)會(huì)用到.

(4)服務(wù)端B對(duì)客戶端A的cert_c進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證失敗則會(huì)斷開通信連接，并給出相應(yīng)的錯(cuò)誤提示；驗(yàn)證成功后，B使用自己的私鑰key_s將pre-master解密，將解密后的pre-master、random_f和random_s一起計(jì)算生成AES算法的通信密鑰session_secret_s.

(5)客戶端A將pre-master、random_f、random_s一起計(jì)算生成AES算法的通信密鑰session_secret_c，A使用SHA-256算法將“步驟3”中發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后得到hash值，然后通過AES算法使用session_secret_c對(duì)hash值加密后得到handshake_message_c,A將handshake_message_c通過B的公鑰key_p使用RSA算法加密后發(fā)送給B進(jìn)行數(shù)據(jù)簽名驗(yàn)證.

(6)服務(wù)端B使用自己的私鑰key_s將收到數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后使用“步驟4”中的session_secret_s對(duì)handshake_message_c進(jìn)行解密，解密得到的hash值和 “步驟4”中接收到的數(shù)據(jù)使用SHA-256算法計(jì)算后得到的hash值進(jìn)行比較，比較結(jié)果相同則簽名驗(yàn)證成功，表示數(shù)據(jù)沒有遭到篡改，是A發(fā)送的完整數(shù)據(jù).B通過同樣的方法計(jì)算生成簽名數(shù)據(jù)handshake_message_s，并將handshake_message_s通過A公鑰key_pc使用RSA算法加密后發(fā)送給A進(jìn)行數(shù)據(jù)簽名驗(yàn)證.

(7)客戶端A使用自己的私鑰key_sc將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密,然后使用“步驟5”中的session_secret_c對(duì)收到的加密數(shù)據(jù)handshake_message_s進(jìn)行解密，解密得到的hash值和“步驟3”中接收到的數(shù)據(jù)使用SHA-256算法計(jì)算后得到hash值進(jìn)行比較，比較結(jié)果相同則簽名驗(yàn)證成功，表示數(shù)據(jù)沒有遭到篡改，是B發(fā)送的完整數(shù)據(jù).此時(shí)通信雙方的通信加密協(xié)議和通信加密密鑰協(xié)商完成，安全通道正式建立.

1.3 通信系統(tǒng)安全性的分析

通信系統(tǒng)在雙方通信的過程中，會(huì)面臨各種各樣的攻擊風(fēng)險(xiǎn)，其中主要存在以下幾方面的安全風(fēng)險(xiǎn)如圖3所示.本文系統(tǒng)通過各種技術(shù)手段和管理措施，使系統(tǒng)正常工作，從而確保通信系統(tǒng)的可用性、完整性和保密性.

圖3 通信過程中面臨的幾種風(fēng)險(xiǎn)

(1)竊取信息的情況分析

有些不法分子通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽系統(tǒng)通信過程中發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，可能會(huì)獲取到雙方通信的公鑰和通過公鑰加密的通信密鑰.2009年RSA-729算法已經(jīng)被成功破解，因此RSA-1024算法的安全性受到威脅.根據(jù)之前RSA算法的原理分析，算法的破解難度在于大素?cái)?shù)的分解，窮舉難度大，耗時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)位數(shù)足夠大時(shí)，算法的安全性是能夠得到保障的.本文系統(tǒng)選擇的2048位RSA算法，安全性高，因此通信過程中即使被人監(jiān)聽獲取數(shù)據(jù)信息后，也不能在短時(shí)間通過公鑰破解出私鑰，再通過私鑰破解出通信的加密密鑰，再通過加密密鑰破解出通信過程中的明文，系統(tǒng)的安全性有保障.

(2)篡改數(shù)據(jù)的情況分析

語言作為一種重要的非物質(zhì)文化要素，是推動(dòng)歷史發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要力量，是文化得以發(fā)生、發(fā)展、傳遞的根本保證，因此應(yīng)該把開發(fā)和運(yùn)用方言所承載的優(yōu)秀文化視為當(dāng)前語言文字工作中的重點(diǎn)。在語言可持續(xù)發(fā)展道路上，要突出方言文化多元豐富的特色，要依靠新技術(shù)、新媒體進(jìn)行創(chuàng)新傳播，最大程度地激發(fā)大眾的自我需求和文化認(rèn)同，真正做到在新媒體環(huán)境下保護(hù)、傳播和傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。

有些不法分子通過網(wǎng)絡(luò)截獲到系統(tǒng)雙方的通信數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改后再發(fā)送給對(duì)方，想通過發(fā)送篡改數(shù)據(jù)來攻擊通信系統(tǒng)，造成通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)的損壞.本文系統(tǒng)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)將數(shù)字簽名信息一起發(fā)送過去，當(dāng)數(shù)據(jù)遭到篡改以后，接收方通過驗(yàn)證數(shù)字簽名即可發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性遭到破壞，則會(huì)自動(dòng)丟棄數(shù)據(jù)，并斷開連接來保障系統(tǒng)的安全性.

(3)偽裝通信雙方的情況分析

有些不法分子在通信雙方建立連接時(shí)，截取雙方的通信證書，并將自己生成的偽造證書發(fā)送給雙方，想充當(dāng)中間者跟雙方建立通信連接，從而給雙方發(fā)送虛假數(shù)據(jù).本文系統(tǒng)中雙方各有一個(gè)CA證書，CA證書能判斷發(fā)送者的證書是否是經(jīng)過CA證書認(rèn)證過的安全證書.當(dāng)有中間人將通信證書替換為自己生成的證書來進(jìn)行通信時(shí)，在CA證書認(rèn)證的過程中會(huì)被判斷出是假證書，從而斷開連接，保證系統(tǒng)的安全性.

通過對(duì)以上幾種安全威脅情況的分析可以看出，本文系統(tǒng)對(duì)于以上幾種安全攻擊行為，都有對(duì)應(yīng)措施來避免系統(tǒng)遭到攻擊.因此當(dāng)通信雙方成功建立通信連接后，通信雙方發(fā)送數(shù)據(jù)的安全性能夠得到保障.

2 安全通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與分析

采用C/S架構(gòu)模式，運(yùn)用IDEA工具進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和開發(fā)，雙方通信連接遵循HTTP協(xié)議.服務(wù)器和客戶端均使用java語言進(jìn)行開發(fā)，搭建SSM框架(Spring+SpringMVC+MyBatis)，應(yīng)用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù).本文系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了雙向認(rèn)證后的安全的實(shí)時(shí)通信功能，針對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能分別進(jìn)行功能測(cè)試、運(yùn)行時(shí)間效率測(cè)試以及系統(tǒng)安全性的測(cè)試.

首先測(cè)試系統(tǒng)雙方建立安全通信連接的功能，能保證客戶端連接的服務(wù)端是指定合法服務(wù)端，保證服務(wù)端連接的客戶端是合法授權(quán)的客戶端，即雙向認(rèn)證的過程.然后再測(cè)試雙方發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的功能，具體的測(cè)試內(nèi)容和反饋結(jié)果如表1所列.

表1 系統(tǒng)功能測(cè)試表

本文系統(tǒng)的服務(wù)端是支持多用戶并發(fā)訪問進(jìn)行通信連接的，因此系統(tǒng)的運(yùn)行效率對(duì)用戶的使用體驗(yàn)至關(guān)重要.系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間效率主要包括兩方面：建立通信連接的時(shí)間效率和通信發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間效率.本文系統(tǒng)主要針對(duì)這兩方面的時(shí)間效率進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化.首先測(cè)試系統(tǒng)的通信建立連接時(shí)間，如圖4所示.本文共進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)30次實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)取平均值得到的通信建立連接時(shí)間為155 ms，符合預(yù)期效果.

圖4 系統(tǒng)建立通信連接的時(shí)間

然后再對(duì)系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的加密解密時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于20個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密操作一共耗時(shí)28 ms.為了檢測(cè)本文系統(tǒng)的時(shí)間效率有沒有優(yōu)化，將與文獻(xiàn)[5]中的基于公鑰密碼的通信網(wǎng)絡(luò)安全加密系統(tǒng)和文獻(xiàn)[6]中的基于混合加密算法的通信網(wǎng)絡(luò)密文防丟失傳輸加密系統(tǒng)作為對(duì)照組，共同完成性能驗(yàn)證.對(duì)本文系統(tǒng)的加密解密速度進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)共30次，利用3個(gè)大小分別為466944字節(jié)即456 KB(文件1)、4739564字節(jié)即4.52 MB(文件2)和93847556字節(jié)即89.5 MB(文件3)的文件進(jìn)行測(cè)試，將30組測(cè)試結(jié)果取平均值.不同加密系統(tǒng)的加密解密耗時(shí)測(cè)試結(jié)果如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)對(duì)文件加密解密的耗時(shí)

由圖5可以看出：本文系統(tǒng)的加密解密過程平均耗時(shí)在1 300 ms左右，文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的加密解密過程平均耗時(shí)在1 500 ms左右，文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)的加密解密過程平均耗時(shí)將近2 500 ms左右.由此可以看出：本文系統(tǒng)所提出的基于混合加密算法的安全通信系統(tǒng)的系統(tǒng)耗時(shí)更短，整體性能得到優(yōu)化.

為了對(duì)本文系統(tǒng)的安全性進(jìn)行驗(yàn)證，在系統(tǒng)雙方進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，采用wiershark抓包工具對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲，進(jìn)而模擬通信數(shù)據(jù)被監(jiān)聽的情況.捕獲數(shù)據(jù)內(nèi)容和發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比如表2所列.

表2 系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)與抓包數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可以看出，系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)被不法分子截獲以后，不能在短時(shí)間內(nèi)破解出通信明文的內(nèi)容.當(dāng)發(fā)送明文數(shù)據(jù)微小變化時(shí)，觀察到捕獲的信息變化很大，即系統(tǒng)加密的“雪崩效應(yīng)”好，從而能保證通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性.

3 結(jié)語

本文中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于混合加密算法的安全通信系統(tǒng)，根據(jù)RSA算法、AES算法以及SHA算法各自的優(yōu)勢(shì)融合組成了一套安全的加密鏈，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)雙方安全即時(shí)通信，并通過測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的高效性和有效性.

(1)系統(tǒng)在雙方首次握手連接時(shí)通信時(shí)耗為155 ms左右，發(fā)送數(shù)據(jù)的耗時(shí)大小跟數(shù)據(jù)的大小密切相關(guān)，測(cè)試時(shí)對(duì)于10字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)送方到接收方的耗時(shí)為20 ms；對(duì)于20字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從發(fā)送方到接收方的耗時(shí)為28 ms.由此可看出：當(dāng)通信雙方發(fā)送數(shù)據(jù)不頻繁時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用短鏈接，雖然首次握手的耗時(shí)長(zhǎng)，但相對(duì)于不發(fā)送數(shù)據(jù)卻一直占用通信通道所消耗的資源來說可以忽略不計(jì)；當(dāng)通信雙方發(fā)送數(shù)據(jù)頻繁，且即時(shí)性要求高時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用長(zhǎng)連接，從而避免不斷地重新建立通信連接導(dǎo)致增加系統(tǒng)的響應(yīng)耗時(shí).

(2)系統(tǒng)通信雙方收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)是明文顯示的，發(fā)送過程中的加密過程被黑盒化，但是當(dāng)?shù)谌酵ㄟ^抓包工具截獲的數(shù)據(jù)確實(shí)經(jīng)過系統(tǒng)加密后的數(shù)據(jù).由此可以看出系統(tǒng)只會(huì)對(duì)通信雙方展示明文數(shù)據(jù)，其他人獲取到的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過加密后的數(shù)據(jù).

與之前傳統(tǒng)的SSL通信加密系統(tǒng)相比，本文所提出的系統(tǒng)在整個(gè)通信過程中的耗時(shí)較短、安全性也能得到很好的保障.下一步將計(jì)劃考慮通信數(shù)據(jù)的存取效率的問題，將重要的通信數(shù)據(jù)已密文的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，當(dāng)需要獲取數(shù)據(jù)時(shí)再將密文轉(zhuǎn)換成明文的形式[11-12].當(dāng)然，現(xiàn)在應(yīng)用的通信算法也面臨著攻擊破解的風(fēng)險(xiǎn)，隨著加密算法的不斷成熟，應(yīng)該不斷地對(duì)系統(tǒng)的加密算法進(jìn)行更新替換，從而不斷地提高系統(tǒng)的安全性.