關(guān)于數(shù)據(jù)加密技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用分析

許俊良

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京，100018）

在互聯(lián)網(wǎng)輻射范圍日漸寬泛及通信技術(shù)不斷成熟的大背景下，電子信息化數(shù)據(jù)量正在逐漸增大，并且不斷充斥于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域、各個(gè)方面；但需指出的是，與之伴隨而來的安全性問題，也正在變得越發(fā)凸顯，所以，為了能夠更好地對(duì)信息泄露等問題進(jìn)行應(yīng)對(duì)，迫切需要一種能夠?qū)?shù)據(jù)實(shí)施加密的新技術(shù)、新手段、新方式。有報(bào)道指出，通過對(duì)混沌系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的初值敏感性進(jìn)行合理化利用，有助于密鑰復(fù)雜性、穩(wěn)定性的提高，進(jìn)而可達(dá)到提高數(shù)據(jù)加密安全性、科學(xué)性的目的；但需強(qiáng)調(diào)的是，此方法無論是在加密上，還是在解密上，都需要過長(zhǎng)的操作時(shí)間，故整體效率不高。另有學(xué)者圍繞非對(duì)稱數(shù)據(jù)，以環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)其實(shí)施加密，但在實(shí)際運(yùn)算過程中，需有一個(gè)延遲時(shí)間，故會(huì)使加密的效率有一定程度的下降。針對(duì)上述情況，本文探討了一種新型且實(shí)用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)加密技術(shù)，即把多種加密算法相融合（如RSA、Blowfish 等），將常規(guī)技術(shù)當(dāng)中的多種問題有效解決到，如非對(duì)稱算法加解、密有著較低的效率，密鑰較難進(jìn)行管理，以及對(duì)稱算法所存在的安全性問題等。現(xiàn)就此種混合算法的具體應(yīng)用探討如下。

1 混合數(shù)據(jù)加密方法概述

■1.1 Blowfish 加密算法分析

針對(duì)此算法而言，其實(shí)為一種比較典型且常用的對(duì)稱加密算法，在對(duì)字符串（64 比特長(zhǎng)度）實(shí)施加密時(shí)，可以在較短時(shí)間內(nèi)完成；還需指出的是，此算法可以準(zhǔn)確且快速地加、解密，且根據(jù)實(shí)際情況及需要，調(diào)整密鑰的長(zhǎng)度。

在圍繞數(shù)據(jù)實(shí)施加、解密操作時(shí)，如果采用Blowfish加密算法，通常情況表，需要完成如下步驟：其一，圍繞加密算法相對(duì)應(yīng)的密鑰，對(duì)其實(shí)施預(yù)處理，在設(shè)計(jì)Blowfish加密算法過程中，其會(huì)將Blowfish 算法的源密鑰（sbox 與pbox）予以提供，并且維持不變，各用戶在實(shí)際使用時(shí)，所采用的是同一套源密鑰（sbox 與pbox）。在加密數(shù)據(jù)過程中，需提前準(zhǔn)備一個(gè)密鑰，并且將其組合于源密鑰（sbox與pbox），從中生成所需要的子密鑰（key-sbo 與key-pbox）。其二，借助子密鑰對(duì)數(shù)據(jù)展開加密操作。圖1 是加密的基本流程（Blowfish 加密算法）。

圖1 Blowfish算法加密操作的基本流程

從此圖中得知，因Blowfish 實(shí)為一種具有對(duì)稱性特征的加密算法，因此，雜解密過程中，也需要進(jìn)行密鑰預(yù)處理，以此來生成所需要的子密鑰（key-sbo 與key-pbox），只不過借助子密鑰實(shí)施解密、加密等操作的順序是相反的。在整個(gè)Blowfish 加密算法架構(gòu)當(dāng)中，因不能明確加密密鑰的長(zhǎng)度，因此，可對(duì)其長(zhǎng)短進(jìn)行調(diào)整，盡管這給用戶進(jìn)行密鑰的設(shè)計(jì)提供了切實(shí)便利，但在數(shù)據(jù)安全方面，也帶來了巨大隱患。因選擇密鑰及保密是Blowfish 加密算法實(shí)施解密、加密等操作的核心所在，因此，需圍繞Blowfish 加密算法，在選擇其密鑰及進(jìn)行保密上，給予適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)與優(yōu)化。

■1.2 RSA 公鑰加密算法分析

在整個(gè)非對(duì)稱加密算法體系當(dāng)中，RSA 算法實(shí)為其中成熟度最高且實(shí)用性最理想的公鑰加密算法，其作為一種常用的非對(duì)稱算法，在密碼體制上，所采取的是公開加密密鑰方式。針對(duì)此種體制來講，即為選用一種在加、解密密鑰上并不相同的加密算法方式，且借助不可逆算法（數(shù)學(xué)當(dāng)中），使得借助已知的加密算法密鑰，或者是解密算法密鑰，不能將另一算法密鑰推導(dǎo)出來的方法，可通過將其加密算法密鑰予以公開的方式，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確傳輸。針對(duì)RSA 公鑰加密算法來考量，其關(guān)鍵在于借助因式（2個(gè)大素?cái)?shù)乘積），對(duì)np 類問題進(jìn)行分解，以此使加、解密密鑰之間形成良好的不可求解性。另外，還需強(qiáng)調(diào)的是，RSA 加密算法在實(shí)際操作中，可借助若干相關(guān)數(shù)據(jù)，且與2個(gè)大素?cái)?shù)相聯(lián)合，生成與加密算法相對(duì)應(yīng)的私、公鑰，對(duì)于其中的公鑰來講，多用作對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施加密，而私鑰主要用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。表1 為RSA 加密算法的基本組成。

表1 RSA算法的組成

從此表中發(fā)現(xiàn)，第一步需要做的便是對(duì)2個(gè)素?cái)?shù)進(jìn)行選擇，即P 與Q，為了使破解難度得到提高，通常情況下，會(huì)對(duì)較大位數(shù)并且有著相同位數(shù)的素?cái)?shù)進(jìn)行選??；需強(qiáng)調(diào)的是，P 與Q 之間的乘積，與公共模數(shù)N 對(duì)等；針對(duì)歐拉函數(shù)F(N)而言，應(yīng)與(P-1)(Q-1)對(duì)等；對(duì)于公鑰E 來講，其所代表的是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，不僅滿足1 ＜E ＜F(N)，并且還與F(N)互質(zhì)；針對(duì)私鑰D 來分析，其所代表的則為D=E-1(mod(P-1)(Q-1))，其中，mod 表示的是求余；設(shè)定C、m 分別表示的密文與明文，加、解密方法分別是c ≡mE-mod(N)、m ≡cDmod(N)。其中，對(duì)于公鑰來考量，其由N 與E 所構(gòu)成，而對(duì)于私鑰來講，則由N 與D 所構(gòu)成。

在整個(gè)RSA 公鑰加密算法架構(gòu)當(dāng)中，若僅有一組密鑰，那么僅可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)單反向上的信息傳遞（從一方傳送給另外一方），要想實(shí)現(xiàn)彼此互轉(zhuǎn)信息，通常情況下，需要≥2組密鑰。圖2 為用戶間進(jìn)行加密數(shù)據(jù)傳遞的流程圖（基于RSA 加密算法）。

圖2 用戶之間進(jìn)行信息傳遞的流程圖

需指出的是，伴隨人們?cè)谇筚|(zhì)因數(shù)能力上的日漸增強(qiáng)，為了能夠最大程度提高RSA 加密算法的整體安全性，在具體的公共模數(shù)N 上，復(fù)雜度需要超過600 比特，所以，在加密過程中，往往有著非常高的數(shù)據(jù)運(yùn)算代價(jià)，而且還有著較低的加、解密效率，一般來講，較之對(duì)稱性加密算法的效率，要低數(shù)百倍之多，且伴隨大數(shù)分解因數(shù)技術(shù)的持續(xù)推新，公共模數(shù)N 在具體的長(zhǎng)度上，也會(huì)持續(xù)性增加，因而對(duì)數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)建造成不利影響。

■1.3 混合加密算法分析

從上述可知，采用RSA、Blowfish 算法對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施加密，各有不足，故本文將這兩種方法相聯(lián)合，且將MD5 算法引入，以此對(duì)密文實(shí)施數(shù)字簽名操作，與此同時(shí)，還對(duì)文件的完整性進(jìn)行細(xì)致檢查，預(yù)防發(fā)生數(shù)據(jù)丟失情況，促進(jìn)加密數(shù)據(jù)傳輸安全性的提高，并促進(jìn)其加、解密效率的強(qiáng)化。現(xiàn)設(shè)定用戶A 需將一些數(shù)據(jù)信息傳輸給用戶B，而M 是數(shù)據(jù)信息。

1.3.1 發(fā)送端操作的基本流程

針對(duì)用戶A 而言，在將數(shù)據(jù)信息M 發(fā)送給用戶B 時(shí)，不僅要將MD5 算法、Blowfish 加密算法準(zhǔn)備好，而且還需將用戶B 相對(duì)應(yīng)的公鑰（RSA 加密算法）同時(shí)準(zhǔn)備好，圖3 是發(fā)送端操作的基本流程。從中可知，對(duì)于用戶A 發(fā)送端來講，應(yīng)首先借助Blowfish 加密算法，圍繞電子文件，實(shí)施加密處理，獲得所需要的公文密文；然后將密鑰（Blowfish加密算法）借助RSA 加密算法公鑰（由公網(wǎng)所接收）實(shí)施加密，如此一來，便能夠獲得更加符合要求的Blowfish 密鑰密文；最后借助MD5 算法，將公文密文當(dāng)作對(duì)象，實(shí)施數(shù)字簽名操作，這樣便能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸完成與否進(jìn)行檢驗(yàn)；需強(qiáng)調(diào)的是，因所加密的為公文密文，即便對(duì)MD5 算法進(jìn)行暴力迫切，也僅能從中獲得公文密文，故有著非常高的安全性。

圖3 發(fā)送端操作的基本流程

1.3.2 接收端進(jìn)行操作的基本流程

對(duì)于用戶B 來講，需要對(duì)多種數(shù)據(jù)進(jìn)行接收，除了有摘要用的哈希函數(shù)、公文密文之外，還有簽名塊、MD5 算法公鑰等，具體流程見圖4所示。首先，應(yīng)對(duì)公文密文來源是否完整、安全進(jìn)行驗(yàn)證，圍繞簽名塊，用MD5 算法公鑰對(duì)其實(shí)施解密，并將其對(duì)比于公文密文（經(jīng)哈希函數(shù)摘要過），若相同，則有著安全的來源，并且文件處于完整狀態(tài)，相反，需重新進(jìn)行發(fā)送（發(fā)送端）；針對(duì)私鑰（RSA 加密算法）而言，需對(duì)密鑰密文實(shí)施解密操作，這樣便能得到基于Blowfish 加密算法的密鑰；最后借助Blowfish 加密算法相對(duì)應(yīng)的密鑰，圍繞公文密文，實(shí)施解密操作，便能最終得到電子文件M。

圖4 接收端操作的基本流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

■2.1 測(cè)試加、解密的工作效率

以各數(shù)據(jù)量為對(duì)象（不僅有0.5、1、2G，而且還有5、10、20G），實(shí)施加、解密操作，且開展多次實(shí)驗(yàn)，各數(shù)據(jù)加密算法進(jìn)行加、解密操作的時(shí)間見表2。

表2 加解密時(shí)間（s）

將混合加密算法對(duì)比于DES 加密算法，由于前者較后者的操作步驟更多，且需借助非對(duì)稱加密算法RSA 來分配、管理Blowfish 加密算法相對(duì)應(yīng)的密鑰，因此，所需加解密操作時(shí)間更多；但需說明的是，在混合算法當(dāng)中，因Blowfish 算法的加解密時(shí)間自身就短于DES 算法，故伴隨數(shù)據(jù)量的持續(xù)擴(kuò)充，混合算法在具體的效率上，會(huì)最終大于DES 算法。而把混合算法對(duì)比于DH 算法，得知前者的效率為后者的100 倍之多，因非對(duì)稱算法需要計(jì)算大素?cái)?shù)，故會(huì)有著非常大的計(jì)算量，因此，在對(duì)那些大數(shù)據(jù)量的文件實(shí)施加密時(shí)，DH 算法其實(shí)并不適用。

■2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)加密的整體安全性

2.2.1 檢驗(yàn)平衡性

在數(shù)據(jù)平衡方面，為了能夠?qū)旌纤惴ǖ哪芰M(jìn)行檢驗(yàn)，本文統(tǒng)計(jì)了各算法密文字符的ASCII 值（即DH、DES、混合算法），最終得知，混合算法在實(shí)施加密后，其在具體的密文各字符分布上，較為均衡，而對(duì)于其他兩種算法來講，各個(gè)字符在具體分布上，較為分散，并且波動(dòng)也較大。對(duì)ASCII 值的分布規(guī)律進(jìn)行深入剖析，且借助日常生活當(dāng)中各個(gè)字符的使用頻率，對(duì)其分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如此一來，便能夠破譯密碼；需強(qiáng)調(diào)的是，若無法將其頻率分布給予改變，那么便有可能被破解，但本文所設(shè)計(jì)的混合加密算法，便能較好地對(duì)此種情況進(jìn)行預(yù)防。

2.2.2 檢驗(yàn)暴力破解方法

在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，為了能夠?qū)旌纤惴ㄔ趯?duì)抗破譯當(dāng)中的效能進(jìn)行檢驗(yàn)，可采取暴力破譯的方式來對(duì)其所具有的安全性進(jìn)行檢驗(yàn)。本文以多媒體視頻、文本文件、數(shù)據(jù)（200K）作為對(duì)象，分別采用混合算法及DH、DES 加密算法實(shí)施加密操作，并基于FTP 協(xié)議，使其在特定的局域網(wǎng)當(dāng)中進(jìn)行傳遞，另外，經(jīng)Sniffer（第三方數(shù)據(jù)抓包工具）來截取數(shù)據(jù)，后圍繞此類數(shù)據(jù)，實(shí)施暴力破解操作。將臺(tái)式機(jī)（英特爾i7-10700K 處理器）當(dāng)作暴力破解數(shù)據(jù)包，設(shè)定好時(shí)間（15min），對(duì)其開展重復(fù)性破譯（連續(xù)5 次），最終結(jié)果見表3。

表3 暴力破解的結(jié)果

從此表中的數(shù)據(jù)得知，混合算法對(duì)于數(shù)據(jù)所具有的保密效果，要明顯優(yōu)于單純的DH、DES 算法?；跀?shù)據(jù)加密的基本原理層面來分析，混合加密算法所用Blowfish 加密算法在安全性上，要明顯優(yōu)于DES 加密算法，且其借助RSA加密算法，能夠較好地管理Blowfish 加密算法的密鑰，故有助于安全性的強(qiáng)化。需指出的是，DH、DES 算法在核心理論上基本相似，均以大素?cái)?shù)難以被分解質(zhì)因數(shù)這一理論而得，而對(duì)于混合加密算法來講，則增加了一層加密，即Blowfish 算法，故安全性更高。

3 結(jié)語

綜上，伴隨互聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍越發(fā)寬廣，用戶信息安全問題越發(fā)受到社會(huì)的關(guān)注。需強(qiáng)調(diào)的是，因互聯(lián)網(wǎng)自身具有典型的共享特性，因此，基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)易被追蹤，而且還容易遭到竊取，故需要強(qiáng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)男逝c安全性。而通過研究非對(duì)稱、對(duì)稱數(shù)據(jù)加密算法，并將其優(yōu)點(diǎn)相融合，展開混合算法的設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)得知，其較之單純的DH、DES 算法，無論是在安全性上，還是在加解密效率上，均更優(yōu)，更適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的維護(hù)。