密码学在网络安全中的应用

密码学在网络安全中的应用

０　引言

密码学自古就有，从古时的古典密码学到现如今数论发展相对完善的现代密码学。加密算法也经历了从简单到复杂、从对称加密算法到对称和非对称算法并存的过程。现如今随着网络技术的发展，互联网信息传输的安全性越来越受到人们的关注，很需要对信息的传输进行加密保护，不被非法截取或破坏。由此，密码学在网络安全中的应用便应运而生。

１　密码的作用和分类

密码学（Cryptology ）一词乃为希腊字根“隐藏”（Kryptós ）及“信息”（lógos ）组合而成。现在泛指一切有关研究密码通信的学问，其中包括下面两个领域：如何达成秘密通信（又叫密码编码学），以及如何破译秘密通信（又叫密码分析学）。密码具有信息加密、可鉴别性、完整性、抗抵赖性等作用。

根据加密算法的特点，密码可以分为对称密码体制和非对称密码体制，两种体制模型。对称密码体制加密和解密采用相同的密钥，具有很高的保密强度。而非对称密码体制加密和解密是相对独立的，加密和解密使用两种不同的密钥,加密密钥向公众公开，解密密钥只有解密人自己知道，非法使用者根据公开的加密密钥无法推算出解密密钥[1]。

２　常见的数据加密算法

２．１　ＤＥＳ加密算法

摘 要：本文主要探讨的是当今流行的几种加密算法以及他们在网络安全中的具体应用。包括对称密码体制中的ＤＥＳ加密算法和ＡＥＳ加密算法，非对称密码体制中的ＲＳＡ加密算法和ＥＣＣ加密算法。同时也介绍了这些加密方法是如何应用在邮件通信、ｗｅｂ通信和ｋｅｂｅｒｏｓ认证中，如何保证网络的安全通信和信息的加密传输的。

关键词：安全保密；密码学；网络安全；信息安全中图分类号：ＴＰ３０９ 文献标识码：Ａ

李文峰，杜彦辉

　（中国人民公安大学信息安全系，北京　１０２６００）

The Applying of Cryptology in Network Security

Li Wen-feng 1, Du Yan-hui 2

(Information security department, Chinese People’s Public Security University, Beijing 102600, China)

Abstract: This article is discussing several popular encryption methods,and how to use this encryption method during security transmittion.There are two cipher system.In symmetrical cipher system there are DES encryption algorithm and AES encryption algorithm.In asymmetrical cipher system there are RSA encryption algorithm and ECC encryption algorithm. At the same time, It introduces How is these encryption applying in the mail correspondence 、the web correspondence and the keberos authentication,how to guarantee the security of the network communication and the secret of information transmits.

Key words: safe security; cryptology; network security; information security

DES 算法为密码体制中的对称密码体制，又被成为美国数据加密标准，是1972年美国IBM 公司研制的对称密码体制加密算法。其密钥长度为56位，明文按64位进行分组，将分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。

DES 加密算法特点：分组比较短、密钥太短、密码生命周期短、运算速度较慢。DES 工作的基本原理是，其入口参数有三个：Key 、Data 、Mode 。Key 为加密解密使用的密钥，Data 为加密解密的数据，Mode 为其工作模式。当模式为加密模式时，明文按照64位进行分组，形成明文组，Key 用于对数据加密，当模式为解密模式时，Key 用于对数据解密。实际运用中，密钥只用到了64位中的56位，这样才具有高的安全性。

２．２　ＡＥＳ加密算法

AES （Advanced Encryption Standard ）：高级加密标准，是下一代的加密算法标准，速度快，安全级别高。2000年10月，NIST （美国国家标准和技术协会）宣布通过从15种候选算法中选出的一项新的密匙加密标准。Rijndael 被选中成为将来的AES 。Rijndael 是在1999年下半年，由研究员Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 创建的。AES 正日益成为加密各种形式的电子数据的实际标准。

算法原理：AES 算法基于排列和置换运算。排列是对数据重新进行安排，置换是将一个数据单元替换为另一个。

doi ：10.3969/j.issn.1671-1122.2009.04.014

AES使用几种不同的方法来执行排列和置换运算。AES是一个迭代的、对称密钥分组的密码，它可以使用128、192和256位密钥，并且用128位（16字节）分组加密和解密数据。该算法通过分组密码返回的加密数据的位数与输入数据相同的特点，使用循环结构进行迭代加密，在该循环中重复置换和替换输入数据[2]。

2.3 RSA加密算法

RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，也易于理解和操作，它是一种非对称密码算法。RSA的安全性依赖于大数分解。公钥和私钥都是两个大素数(大于100个十进制位)的函数。据推测，从一个密钥和密文推断出明文的难度等同于分解两个大素数的积。

密钥对的产生算法：选择两个大素数，p和q。计算：n = p*q ；然后随机选择加密密钥e，要求e和 (p-1)*(q-1)互质。最后，利用Euclid 算法计算解密密钥d，满足e*d = 1(mod (p -1)*(q-1) )；其中n和d也要互质。数e和n是公钥，d是私钥。两个素数p和q不再需要，应该丢弃，不要让任何人知道。加密信息m（用二进制表示）时，首先把m分成等长数据块m1 ,m2,..., mi，块长s，其中2^s <= n， s尽可能的大。对应的密文是：ci= mi^e(mod n)，记为(a)；解密时作如下计算：mi = ci^d (mod n) 记为（b）；RSA 可用于数字签名，方案是用(a) 式签名，用(b)式验证。具体操作时考虑到安全性和 m信息量较大等因素，一般是先作 HASH 运算。

2.4 ECC加密算法

ECC加密算法，又叫椭圆曲线加密系统，是目前已知的所有公钥密码体制中能够提供最高比特强度的一种公钥体制。它是利用椭圆曲线有限群代替基于有限域上离散对数问题公钥密码中的有限循环群所得到的一类密码体制。用椭圆曲线来构造密码体制，用户可以任意地选择安全的椭圆曲线，在确定了有限域后，椭圆曲线的选择范围很大；椭圆曲线密码体制的另一个优点是一旦选择了恰当的椭圆曲线，就没有有效的亚指数算法来攻击它。

2.5 几种加密算法的比较

在上面介绍的四种加密算法中，其中DES、AES是属于对称加密算法的，而RSA加密算法和ECC加密算法则属于非对称加密算法。

2.5.1 对称加密算法DES与AES的比较

与AES比较，DES主要的技术缺点有：作为分组密码的一种,DES的加密段位仅有64位二进制，这对数据传输来说太小；DES的密钥的位数太短，只有56比特，而且密钥是递推产生的，降低了密码体制的安全性；DES不能对抗差分和线性密码分析；DES加密使用的密码长度为56比特，理论上最大加密强度为256，DES算法如果要想提高加密强度,比如说增加密钥长度，则系统开销呈指数增长。而相对于DES而言，AES在这方面无疑表现的相当不错：它运算速度快；对内存的需求非常低，适合于受限环境；它是一个分组迭代密码，分组长度和密钥长度设计灵活;AES标准支持可变分组长度；AES的密钥长度比DES大，最大值为256,所以用穷举法是不可能破解的；AES算法的设计策略是宽轨迹策略。WTS是针对差分分析和线性分析提出的，可对抗差分密码分析和线性密码分析[3]。

2.5.2 非对称加密算法ECC和RSA的比较

ECC加密算算法和RSA加密算法相比，优点也是挺多的。它的安全性更高，只需要160位的密钥就可以达到1024位RSA算法提供的安全等级。计算量小和处理速度快，ECC 系统的密钥生成速度比RSA 快百倍以上，存储空间占用小。但是迄今所投入使用的椭圆加密系统中，绝大部分的密钥长度都比较短，一般集中在30～60 位。这是因为在软件实现时，由于软件执行速率所限，密钥长度比较大的椭圆加密系统的速率将达不到使用要求。同时当ECC的密钥长度增加时，也是需要付出相当高昂的硬件代价的[4]。

3 密码学在网络安全中的几种应用

3.1 利用弱密码对网络安全攻击的举例

如果没有适当的安全措施和安全的访问控制方法，在网络上传输的数据很容易受到各式各样的攻击。网络攻击既有被动型的，也有主动型的。被动攻击通常指信息受到非法侦听，而主动攻击则往往意味着对数据甚至网络本身恶意的篡改和破坏。以下列举几种常见的网络攻击类型。

3.1.1 窃听

一般情况下，绝大多数网络通信都以一种不安全的"明文"形式进行，这就给攻击者很大的机会，只要获取数据通信路径，就可轻易“侦听”或者“解读”明文数据流。“侦听”型攻击者，虽然不破坏数据，却可能造成通信信息外泄，甚至危及敏感数据安全。

3.1.2 数据篡改

网络攻击者在非法读取数据后，下一步通常就会想去篡改它，而且这种篡改一般可以做得让数据包的发送方和接收方无知无觉。但作为网络通信用户，即使并非所有的通信数据都是高度机密的，也不想看到数据在传输过程中遭至任何差错。比如在网上购物，一旦我们提交了购物定单，谁也不会希望定单中任何内容被人肆意篡改。

3.1.3 盗用口令攻击（Password-Based Attacks）

基于口令的访问控制是一种最常见的安全措施。攻击者可以通过多种途径获取用户合法帐号，一旦他们拥有了合法帐号，也就拥有了与合法用户同等的网络访问权限。因此，假设帐号被盗的用户具有网管权限的话，攻击者甚至可以借机给自己再创建一个合法帐号以备后用。在有了合法帐号进入目

标网络后，攻击者也就可以随心所欲地盗取合法用户信息以及网络信息；修改服务器和网络配置，包括访问控制方式和路由表；篡改、重定向、删除数据等。

3.1.4 盗取密钥攻击（Compromised-Key Attack）

虽然一般说来，盗取密钥是很困难的，但并非不可能。通常我们把被攻击者盗取的密钥称为"已泄密的密钥"。攻击者可以利用这个已泄密的密钥对数据进行解密和修改，甚至还能试图利用该密钥计算其他密钥，以获取更多加密信息。

3.2 Kerberos认证

Kerberos是作为MIT的Athena计划的认证服务而开发的。Kerberos阐述了这样一个问题：假设有一个开放的分布环境，工作站用户想通过网络对分布在网络中的各种服务提出请求，那么，希望服务器能够只对授权用户提供服务，并能鉴别服务请求的种类。可是在这种环境下，一个工作站无法准确判定它的终端用户和请求的服务是否合法。基于此才产生了Keberos认证服务，它是为TCP/IP网络系统设计的可信的第三方认证协议。

网络上的Keberos服务基于DES对称加密算法，但也可以用其他算法替代。它提供了一种在开放式网络环境下进行身份认证的方法,它使网络上的用户可以相互证明自己的身份。其基本思想是：能正确对信息进行解密的用户就是合法用户。用户在对应用服务器进行访问之前，必须先从第三方（Kerberos 服务器）获取该应用服务器的访问许可证（Ticket）。

Keberos的工作步骤：（1）请求许可票据。（2）返回许可票据。（3）请求服务器票据。（4）返回服务器票据。（5）请求服务。

3.3 增加电子邮件的安全性

随着互联网用户对电子邮件依赖的爆炸式增长，其认证和保密性的需求也日益增长。目前电子邮件广泛应用的认证和保密方法主要是PGP（Pretty Good Privacy）。

PGP的应用之所以呈爆炸性增长，并迅速普及，是因为使用的加密算法经过了充分的公众检验，且被认为是非常安全的算法。特别是其包含有RSA、DSS、Dif? e-Hellman等公钥加密算法，以及CAST-128、IDEA和3DES对称加密算法，hash编码算法SHA-1。

PGP采用的解决方案是给每个公钥分配一个密钥标识，并在很大概率上与用户标识一一对应。与公钥相关的密钥标识至少为64位，即公钥KUα的密钥标识重复的可能性为（KUαmod 264）。PGP的数字签名也需要使用密钥标识。因为发送方需要使用一个私钥加密消息摘要，接收方必须知道应使用那个公钥解密。相应地，消息的数字签名部分必须包括公钥对应的64位密钥标识。当接收到消息后，接收方用密钥标识指示的公钥验证签名。

3.4 增加web应用的安全性

随着访问互联网的个人和公司的数量不断的增长，公司

都开始热衷于在Web上进行电子商务了。但是，现实情况是互联网和Web容易受到攻击，包括被动攻击和主动攻击。被动攻击包括在浏览器和服务器通信时窃听数据，获得原本被限制使用的权限；主动攻击包括伪装成其他用户、篡改客户和服务器之间的消息或椽该Web站点的信息。商家越来越意识到这种现实，因此安全的Web服务营运而生。目前主流的安全Web商业标准模式是：SSL和SET。

3.4.1 SSL（Secure Socket Layer）协议的应用

SSL协议又称安全套接层协议，为Netscape所研发，利用数据加密（Encryption）技术保障信息在Internet上传输的安全性。

SSL协议位于TCP/IP协议与各种应用层协议之间，为数据通讯提供安全支持。SSL协议可分为两层：SSL记录协议（SSL Record Protocol）：它建立在可靠的传输协议（如TCP）之上，为高层协议提供数据封装、压缩、加密等基本功能的支持。SSL握手协议（SSL Handshake Protocol）：它建立在SSL记录协议之上，用于在实际的数据传输开始前，通讯双方进行身份认证、协商加密算法、交换加密密钥等。

SSL协议提供的服务主要有：

（1）认证用户和服务器，确保数据发送到正确的客户机和服务器；（2）加密数据以防止数据中途被窃取；（3）维护数据的完整性，确保数据在传输过程中不被改变。

SSL协议的工作流程：

服务器认证阶段：（1）客户端向服务器发送一个“Hello”的开始信息，以便开始一个新的会话连接；（2）服务器根据客户的信息确定是否需要生成新的主密钥，如需要则服务器在响应客户的“Hello”信息时将包含生成主密钥所需的信息；（3）客户根据收到的服务器响应信息，产生一个主密钥，并用服务器的公开密钥加密后传给服务器；（4）服务器恢复该主密钥，并返回给客户一个用主密钥认证的信息，以此让客户认证服务器。

用户认证阶段：在此之前，服务器已经通过了客户认证，这一阶段主要完成对客户的认证。经认证的服务器发送一个提问给客户，客户则返回（数字）签名后的提问和其公开密钥，从而向服务器提供认证。

3.4.2 SET协议的应用

SET协议，叫做安全电子交易协议SET（Secure Electronic Transaction）是基于信用卡在线支付的电于商务安全协议，它是由VISA和MasterCard两大信用卡公司于1997年5月联合推出的规范。SET通过制定标准和采用各种密码技术手段，解决了当时困扰电子商务发展的安全问题。目前它已经获得IETF标准的认可，已经成为事实上的工业标准。

SET协议中的核心技术主要有公开密匙加密、电子数字

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P交互，获得一系列的会话脚本（A i，K i，B i，C i，D i，H i）因为P和不同V共享秘密s的生成函数不同，故A无法获得P与其他V的s的生成函数。A可冒充P与V首次协商s的生成函数，即使协商成功，可在随后挑战C用CertP中公钥加密后，敌手A不能解密C得c，生成正确响应D，H，故冒充不成功。

前面已提到我们不考虑敌手对收发双方的信息不做任何修改的进行转发，因为此类攻击没有实际意义，且所有设计严谨的非面对面的交互中都有路由（敌手）中转存在。

3.5 协议的效率

本文方案所给鉴别协议用了三个模幂运算ME、一次模乘运算MUL和一次Hash运算H，其中Hash运算运算主要用于认证。因模幂运算ME最费时，与文献中身份鉴别方案相比（几个方案都是基于RSA问题或RSA相关问题），几个方案计算量和通信量相当.但本文鉴别协议能抗中间人攻击，安全性好。

表1 本文身份鉴别协议和文献[1，2]中方案效率比较

计算量通信量本文方案3ME+MUL+H3|n|

[105]中方案3ME3|n|

[106]中方案3ME3|n|

4 结束语

中间人攻击是身份鉴别方案很难抵抗的一种攻击模式，文献[1-5]中方案均因在中间人攻击下不安全导致易被敌手冒充。为了抵抗中间人攻击，需要一种技术来对所有消息的完

整性和正确性验证。本文基于RSA问题，提出一个在ST-模型下可证安全的身份鉴别方案，对身份鉴别协议如何抵抗中间人攻击做了一个有益的尝试。该方案能抵抗被动攻击、重

放攻击、中间人攻击等，从而在冒充攻击下是安全的。对中间人攻击的防范策略是通信双方共享动态会话秘密，

在鉴别过程中不仅鉴别了示证者P的身份，而且还验证了客户端V 的身份，可以成功地防止中间人攻击，这在实际中具有普遍的实用价值。（责编 潘静）

参考文献：

[1] Tseng Y M， Jan J K. ID-based cryptographic schemes using a non-interactive public-key distribution system [A]. In ACSAC'98: Proceedings of the 14th Annual Computer Security Applications Conference[C]， IEEE Computer Society， 1998:237-243.

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[3] Tang Qiang， Mitchell C J. Cryptanalysis of two identification schemes based on an ID-based cryptosystem [J]. Communications， IEE Proceedings， Vol: 152， Issue: 5， 2005: 723- 724.

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签名、电子信封、电子安全证书等。SET是一种基于消息流的协议，该协议采用公钥密码体制和X.509数字证书标准，提供了消费者，商家和银行之间的认证，确保了交易数据的机密性，真实性，完整性和交易的不可否认性，特别是保证不将消费者银行卡号暴露给商家等优点，因此它成为了目前公认的信用卡/借记卡的网上交易的国际安全标准。

SET要达到的最主要目标是：

（1）信息在公共因特网上安全传输；

（2）订单信息和个人账号信息隔离；

（3）持卡人和商家相互认证。

4 结论

密码技术并不能解决所有的网络安全问题，密码技术要与信息安全的其它技术如访问控制技术、网络监控技术等互

相融合，互相渗透，互相结合，

形成综合的信息网络安全保障。解决信息网络安全仅依靠技术是不够的，要结合管理、法制、政策、教育等手段，来化解信息网络风险。（责编 张岩）

参考文献:

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[4] 杜立建，唐晓燕，李守荣.几种信息加密算法的比较研究[J].网络安全技术与应用，2006(8)：89.

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