周金杰

同濟(jì)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)及技術(shù)系，上海 201804

0 引言

隨著信息共享范圍的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)上的許多不安全因素對(duì)用戶數(shù)據(jù)構(gòu)成了極大的威脅。出于日常應(yīng)用的各種需要，一些敏感的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)上供多人共享，這也增加了信息泄露的可能性。面對(duì)巨大的，無處不在的信息安全威脅，人們想出了各種應(yīng)對(duì)措施。其中最通常的方式就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作，只有通過相應(yīng)的解密才能使其恢復(fù)原貌，獲取有用信息。

近年來隨著密碼學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種加密算法也層出不窮，然而加密安全性與加密效率如何兼顧一直是一個(gè)讓人頭疼的問題。

本文從這個(gè)實(shí)際問題出發(fā)，旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種高級(jí)的加密方案。該方案既能保障數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全性，又具有較高的加解密效率，為保護(hù)私密數(shù)據(jù)信息抵御各種不安全因素的威脅提供了一個(gè)較為良好的解決方案，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 密碼學(xué)基礎(chǔ)安全機(jī)制概述

1.1 加密算法

在整個(gè)密碼學(xué)安全機(jī)制中，加密算法可謂是它的核心[1]。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的算法可以根據(jù)密鑰類型的不同分成兩大類別：對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法。

1.1.1 對(duì)稱加密算法

對(duì)稱加密算法是應(yīng)用較早的加密算法，技術(shù)成熟。所謂的對(duì)稱加密算法，就是數(shù)據(jù)加密和解密采用的是同一個(gè)密鑰，因此，它的安全性依賴于該密鑰的安全性。在對(duì)稱加密算法中，數(shù)據(jù)發(fā)送方將明文（原始數(shù)據(jù)）和加密密鑰一起經(jīng)過特殊加密算法處理后，使其變成復(fù)雜的加密密文后發(fā)送出去。收信方收到密文后，若想解讀原文，則需要使用加密用過的密鑰及相同算法的逆算法對(duì)密文進(jìn)行解密，才能使其恢復(fù)成可讀明文。在對(duì)稱加密算法中，使用的密鑰只有一個(gè)，發(fā)送和接收雙方都使用這個(gè)密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密操作，這就要求解密方事先必須知道加密密鑰。

1.1.2 非對(duì)稱加密算法

非對(duì)稱加密算法使用兩把完全不同但又是完全匹配的一對(duì)鑰匙—公鑰和私鑰。在使用非對(duì)稱加密算法加密數(shù)據(jù)時(shí)，只有使用匹配的一對(duì)公鑰和私鑰，才能完成對(duì)明文的加密和解密過程。加密明文時(shí)采用公鑰加密，解密密文時(shí)使用私鑰才能完成，而且加密者知道接收方的公鑰，只有解密者才是唯一知道自己私鑰的人。非對(duì)稱加密算法的基本原理是，如果加密方想發(fā)送只有解密方才能解讀的加密信息，加密方必須首先知道解密方的公鑰，然后利用解密方的公鑰來加密原文；解密方收到加密密文后，使用自己的私鑰才能解密密文。

1.2 數(shù)字簽名

簡單地說，所謂數(shù)字簽名就是在數(shù)據(jù)單元上附加一些數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)單元作一定的密碼變換，以達(dá)到允許數(shù)據(jù)單元的接收者用以確認(rèn)數(shù)據(jù)單元的來源和并保護(hù)數(shù)據(jù)完整性，防止被偽造的目的，是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名的一種方法。基于公鑰密碼體制和私鑰密碼體制都可以進(jìn)行數(shù)字簽名，目前主要得以應(yīng)用的是基于公鑰密碼體制的數(shù)字簽名。

基于公鑰密碼體質(zhì)的數(shù)字簽名機(jī)制通常定義兩種互補(bǔ)的運(yùn)算，一個(gè)用于簽名，另一個(gè)用于驗(yàn)證。數(shù)字簽名主要的功能是：保證信息的完整性、認(rèn)證發(fā)送者的身份。從本質(zhì)上說，數(shù)字簽名是一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的過程，而數(shù)字簽名的驗(yàn)證則是一個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)解密的過程。

2 組合加密安全方案設(shè)計(jì)

2.1 加密方案設(shè)計(jì)

之前我們?cè)?jīng)提到，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的算法可以根據(jù)密鑰類型的不同分成兩大類別：對(duì)稱加密算法和非對(duì)稱加密算法。對(duì)稱加密算法速度較快，但是存在一定的安全隱患。非對(duì)稱加密算法雖然安全性高，卻速度偏慢。顯然，如果只使用其中任何一種單一的加密算法，都無法使加密系統(tǒng)兼顧安全性與高效性。因此，我們需要取兩類加密算法之所長，在加密過程中通過對(duì)這兩種加密算法的結(jié)合使用，來構(gòu)建一個(gè)既安全又高效的加密系統(tǒng)。

2.1.1 加密方案概述

加密方首先利用對(duì)稱加密算法對(duì)主加密數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后利用接收方的公鑰給對(duì)稱密鑰進(jìn)行非對(duì)稱加密，將加密了的對(duì)稱密鑰與主加密數(shù)據(jù)的密文一同存入加密數(shù)據(jù)中（如圖 1所示）。解密方在收到數(shù)據(jù)后，利用對(duì)應(yīng)的非對(duì)稱私鑰對(duì)加密了的對(duì)稱密鑰進(jìn)行解密操作。得到對(duì)稱密鑰后，再用該密鑰對(duì)主加密數(shù)據(jù)密文進(jìn)行解密操作，從而得到主加密數(shù)據(jù)的內(nèi)容。

圖1

2.1.2 安全性分析

在上述加密方案中，雖然主要數(shù)據(jù)是由安全性較差的對(duì)稱加密機(jī)制加密的，但是鑒于對(duì)稱密鑰通過非對(duì)稱加密算法得到了加密，所以整個(gè)系統(tǒng)的安全性也就可以說是逼近于非對(duì)稱加密機(jī)制了。因?yàn)閷?duì)稱加密算法的安全性依賴于其密鑰的安全性，而其密鑰的安全性又由非對(duì)稱加密算法得以保障，故而可以消除對(duì)稱加密中存在的最大安全隱患，即每次交換對(duì)稱密鑰時(shí)的不安全性。

2.1.3 加密效率分析

由于上述加密方案中，主要加密數(shù)據(jù)都是由速度較快的對(duì)稱加密算法加密的，而速度較慢的非對(duì)稱加密算法只負(fù)責(zé)加密對(duì)稱加密算法的密鑰（其長度一般為幾十到上百個(gè)字節(jié)不等，相對(duì)于主加密數(shù)據(jù)，基本可以忽略不計(jì)），故其效率基本上可與對(duì)稱加密算法相媲美。

2.2 數(shù)字簽名安全方案設(shè)計(jì)

上述加密方案保證了加密的安全性與效率，但是為了讓這個(gè)組合加密安全方案更加完備，我們需要提供消息完整性的驗(yàn)證，以及發(fā)送方身份認(rèn)證的功能。

于是在上述加密方案的基礎(chǔ)上：我們讓加密方對(duì)主加密數(shù)據(jù)的摘要再做一次非對(duì)稱加密的操作，并將加密了的主加密數(shù)據(jù)消息摘要密文一起放入加密數(shù)據(jù)（如圖 2所示）。該非對(duì)稱加密操作使用的密鑰與之前加密對(duì)稱密鑰時(shí)使用的密鑰不同，它使用的是一個(gè)能夠標(biāo)識(shí)加密方身份的非對(duì)稱密鑰中的私鑰，該私鑰只有加密方自己擁有，其相應(yīng)的公鑰則是對(duì)外公開的，其實(shí)這就是一種常見的數(shù)字簽名方案，因?yàn)樗借€只有加密方擁有，所以能夠表明其身份，而公開的公鑰則用來讓解密方驗(yàn)證加密方的身份。解密方在獲取了主加密數(shù)據(jù)的原文之后，通過計(jì)算得到其消息摘要。同時(shí)，通過加密方公開的公鑰對(duì)主加密數(shù)據(jù)消息摘要的密文進(jìn)行非對(duì)稱解密操作，將主加密數(shù)據(jù)的消息摘要明文還原出來，并將該明文與之前計(jì)算而得的主加密數(shù)據(jù)原文的消息摘要進(jìn)行比較。若匹配，則在證明了數(shù)據(jù)完整性未遭破壞的同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)據(jù)來源的可靠性，這樣做可以讓解密方驗(yàn)證加密方的身份，以防止有惡意破壞企圖的第三方冒充加密方，將虛假信息發(fā)送給解密方。

3 組合加密安全方案的實(shí)現(xiàn)

3.1 基礎(chǔ)加密算法的選取

3.1.1 對(duì)稱加密算法

當(dāng)前最常用的對(duì)稱加密標(biāo)準(zhǔn)無疑是AES[2]加密標(biāo)準(zhǔn)與DES加密標(biāo)準(zhǔn)。AES加密標(biāo)準(zhǔn)作為DES加密標(biāo)準(zhǔn)的替代者，其效率與安全性均高于DES。故選擇AES加密標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)算法Rijndael[3]算法作為對(duì)稱加密算法。

3.1.2 非對(duì)稱加密算法與數(shù)字簽名算法

RSA加密算法是當(dāng)下最常見的非對(duì)稱加密算法，由于數(shù)字簽名也是基于非對(duì)稱加密算法的，故本加密方案將選擇RSA算法作為非對(duì)稱加密與數(shù)字簽名所使用的算法。

3.1.3 驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性的散列算法

本文加密方案選擇SHA1算法作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性的散列算法。SHA1散列算法可以對(duì)任意長度的數(shù)據(jù)運(yùn)算生成一個(gè)160位的數(shù)值，它具有不可從消息摘要中恢復(fù)原信息及兩個(gè)不同的消息不會(huì)產(chǎn)生同樣的消息摘要的特性，可以滿足驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性的需求。

3.2 高級(jí)加密方案實(shí)現(xiàn)流程

本高級(jí)加密方案實(shí)現(xiàn)流程分兩大部分流程闡述，即加密流程與解密流程。

3.2.1 加密流程

功能定義：對(duì)于輸入的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密與組合

輸入：待加密數(shù)據(jù)原文

輸出：加密后的密文組合

具體流程：

Step1:使用對(duì)稱密鑰，通過Rijndael算法加密主數(shù)據(jù)，得到密文1

Step2:用非對(duì)稱加密算法的公鑰，通過RSA算法加密先前Rijndael算法的對(duì)稱密鑰，得到密文2

Step3:用SHA1算法對(duì)主數(shù)據(jù)做消息摘要計(jì)算

Step4:用簽名密鑰的私鑰，為消息摘要做RSA加密，得到密文3

Step5:將密文1，密文2，密文3組合成新的密文數(shù)據(jù)

3.2.2 解密流程

功能定義：對(duì)于輸入的密文組合進(jìn)行逐步拆分與解密

輸入：待解密的密文組合

輸出：數(shù)據(jù)原文

具體流程：

Step1:使用非對(duì)稱加密的私鑰，通過RSA算法解密Rijndael算法的對(duì)稱密鑰

Step2:使用上一步解密所得的對(duì)稱密鑰解密，通過Rijndael算法解密主加密數(shù)據(jù)明文

Step3:用簽名密鑰的公鑰，通過RSA算法解密消息摘要獲得其明文

Step4:使用SHA1算法對(duì)Step2獲得的主加密數(shù)據(jù)明文進(jìn)行消息摘要的計(jì)算，并與Step3所獲得的解密的消息摘要明文進(jìn)行比較，若相同，則解密成功，輸出明文，否則輸出錯(cuò)誤信息

4 實(shí)驗(yàn)分析

基于上述組合加密安全方案，我們?cè)赪indows .NET Framework 2.0上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選取

由于.NET Framework 2.0環(huán)境集成了本加密安全方案所需的基礎(chǔ)加密算法（即 Rijndael對(duì)稱加密算法，RSA非對(duì)稱加密算法以及SHA1散列算法）的實(shí)現(xiàn)，故我們選取該平臺(tái)作為我們的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

4.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與目的

由于數(shù)據(jù)安全性的測試很難用量化數(shù)據(jù)來界定，而之前第二節(jié)中提到的安全性分析也表明本高級(jí)安全加密方案的安全性可以逼近于非對(duì)稱加密。鑒于非對(duì)稱加密的安全性是業(yè)界公認(rèn)的，所以其安全性應(yīng)該可以得到保障。

這里我們主要對(duì)本組合加密安全方案的效率做實(shí)驗(yàn)與分析。

4.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)中，我們將通過組合加密安全方案，分別對(duì)不同大小的數(shù)據(jù)（1MB, 2MB, 5MB, 10MB）進(jìn)行加/解密，記錄加/解密時(shí)間，并且將該加密時(shí)間與單純使用對(duì)稱加密或非對(duì)稱加密的加/解密時(shí)間進(jìn)行比較。

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)中可能發(fā)生的偶然事件的影響降到最低，我們分別對(duì)每個(gè)大小的數(shù)據(jù)，取100個(gè)樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后求得其時(shí)間的平均值。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，我們得到如下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖 3圖4所示

圖3

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)我們可以看到，無論是加密還是解密，本組合加密安全方案所使用的時(shí)間都很接近于純對(duì)稱加密的時(shí)間（多出來的時(shí)間開銷主要為使用非對(duì)稱加密算法加密對(duì)稱密鑰，以及對(duì)明文做計(jì)算散列時(shí)的開銷，但由于數(shù)據(jù)量不大，這些開銷與主要加密用時(shí)相比可以忽略不計(jì)），在保證了安全性接近于非對(duì)稱加密的前提下，在效率上有很大的提升，與之前的分析相符。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于基礎(chǔ)安全機(jī)制構(gòu)建的組合加密安全方案，對(duì)傳統(tǒng)加密方法效率與安全性難以兼得的問題做出了一個(gè)較為合理的解答。同時(shí)通過理論分析與實(shí)驗(yàn)說明并驗(yàn)證了該方案的安全性與效率性。為保護(hù)數(shù)據(jù)安全提供了一種較為切實(shí)可行的解決方案。

圖4

[1]R.Stinson Douglas.密碼學(xué)原理與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]姚華楨.AES和DES的效率及安全性比較[J].仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，19(2)：44-48.

[3]Barr,T.Invitation to Cryptology.Upper Saddle River, NJ:Prentice Hall, 2002.