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淺談密碼學及其在計算機網絡安全中的作用

職稱驛站所屬分類:計算機網絡論文發布時間:2020-07-13 08:42:18瀏覽:1

隨著計算機技術的發展和信息社會的到來,通過網絡交換信息已經成為人們主要交換信息的方式,所以信息安全就變得尤為重要。在古代,密碼學常常用于軍事、政治等機密性部門之中。然而,由于現代計算機技術的不斷發展

   摘要:隨著計算機技術的發展和信息社會的到來,通過網絡交換信息已經成為人們主要交換信息的方式,所以信息安全就變得尤為重要。在古代,密碼學常常用于軍事、政治等機密性部門之中。然而,由于現代計算機技術的不斷發展,我們許多使用的計算機軟件的安全需要依賴于密碼技術。因此,密碼學逐步的發展成為一個綜合性的學科,它涉及的學科非常之多,與信息論、數學、計算機科學等都有著緊密的聯系。密碼學在保障網絡信息的完整性、真實性和機密性發揮了及其大的作用,這些方面都大大提升了網絡的安全性。本文主要闡述了密碼學的基本理論和它的技術應用,希望能為研究人員提供一定的幫助。

  關鍵詞:密碼學;網絡安全;計算機;加密;解密

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  《信息空間》由信息產業部主管,中國電子信息產業發展研究院主辦,旨在立于信息社會高度,進行信息時代的價值發現,為信息經濟的領銜力量,提供穿透現實的洞察力。

  0 引言

  密碼學是一門研究如何編制和破譯密碼的學科。在現代,密碼學技術已經應用到了各個領域之中,除了保護信息的機密性之外,還包括數字簽名、安全協議、權限管理和身份鑒別等方面的技術。它是實現網絡信息安全的關鍵技術之一,因此,它經常作為計算機的一個分支學科。隨著計算機技術的不斷發展和信息時代的到來,各種計算機軟件應用逐漸的出現在了人們的日常生活之中,例如電子商務、電子金融、電子政務等,這些都是必須要保證信息安全的網絡系統,密碼學也在網絡安全應用中得到不斷地發展。因此,密碼學也成為了網絡安全中的一門基礎學科。

  1 關于密碼學的發展簡介

  密碼學的發展源遠流長,甚至有幾千年的歷史。發展階段主要分為三個時期:古典密碼時期、近代密碼時期和現代密碼時期。古典密碼時期就長達數千年,雖然這一時期的密碼形式多樣,但是多為簡單的手工書寫,其中的加密方法包括文字的替換、隱寫術等等。近代密碼時期,大多用無線電技術來實現,在近代密碼時期,出現了無線電密碼技術。在那時,專門用來加密密碼的輪轉機雖然大大提高了加密速度,但是產生的密鑰數量卻是有限的,很容易就被破解掉。因此,密碼技術在近代還不能稱之為一門真正意義上的學科。因此,也有學者認為近代密碼時期和古典密碼時期應該合為同一個時期。在近代時期,幾乎沒有過關于密碼學相關的文獻,直到香農發表的一篇論文。他將信息論這一概念引入密碼學之中,引入了不確定性、唯一解距離等計算方法,為現代密碼學的發展打下了堅實的基礎。此后,美國國家標準局發布了DES(數據加密標準),并應用于多個部門。隨后,著名的密碼學家迪菲和赫爾曼首次提出了RAS體制(公鑰密碼體制),打開了密碼學這門學科的新領域。由于計算機技術的飛速發展,過去人們認為足夠安全的DES算法,已經不夠安全了。于是,比利時的幾位密碼學家提出了新的AES算法,取代了從前的DES算法。此后,密碼學的研究逐漸走向了高潮,在信息時代的今天,人們更是離不開密碼學技術。

  2 密碼學的基本理論

  2.1 密碼學的基本要素

  密碼學的五大要素為:消息空間(M)、密文空間(C)、密鑰空間(K)、加密算法(E)和解密算法(D),以上五個元素成為密碼學的一個密碼系統。消息空間,又稱為銘文空間,就是還沒有進行加密處理的消息集合。密文空間同理,指經過加密處理的消息集合。密鑰又分為加密密鑰和解密密鑰,它通常是一個可變的參數,用于解開加密信息或者偽裝信息的一把“鑰匙”。密鑰根據一定的規則和算法,也就是加密算法(解密算法),把明文(密文)轉換成密文(明文)。簡單來說,在密碼學中,我們認為這個密碼系統是不是足夠安全,要看這個密碼系統是否容易被破解。如果密碼破譯者能夠直接根據密文推算出明文或者密鑰,或是密碼攔截者可以直接獲取這個密碼系統的密鑰序列,那么我們就稱這個密碼系統是不夠安全的。另外,一個安全的密碼系統還應該滿足的是,消息接收者能夠得到完整并且真實的消息,加密和解密的算法也應該相對于簡單輕便。

  2.2 密碼學的基本功能

  密碼學的主要目的就是隱藏信息的真正含義,而不是抹去信息本身。早期的密碼學僅僅是可以對文字進行加解密操作,但隨著科技技術的發展,如今已經可以對語音、圖像等進行加解密操作了。密碼學對信息提供的保護主要有四個方面:機密性、數據完整性、鑒別和不可否認性。

  2.2.1 機密性

  只允許被授權的用戶查看信息內容,非授權用戶可以查看加密厚的信息,但是不能破解出其中的真正含義。

  2.2.2 數據完整性

  指數據或信息在傳遞過程中不被受到非授權的修改或破壞。非授權修改包括對信息的篡改、刪除、插入等,通常通過數據簽名、數據加密等技術來保證對數據的完整性。另外,用戶本身也需要能夠檢測出非法操作的能力。

  2.2.3 鑒別

  鑒別,包括對用戶身份和數據來源的識別。對于一次安全的通信過程,通信雙方必須都為預期的身份,這是所說的身份的識別。即非法用戶不能夠冒充通信的對方去獲取信息,雙方能夠對對方的身份進行鑒別。對于數據,能夠由所預期的實體發送或者接受,這就是對數據來源的識別。可以通過數據加密、數字簽名等技術來保證這種鑒別服務,從提供數據鑒別這方面的服務來說,密碼學的鑒別服務也包括了數據完整性服務。

  2.2.4 不可否認性

  發送方不能否認自己發送信息的行為。接收方收到信息后,也不能夠否認自己接收到了發送方的信息,即密碼學的不可否認性。可以通過對稱加密算法或者非對稱加算法來實現這服務。

  密碼學實質上就是研究如何讓信息具有機密性、數據完整性、可鑒別性和不可否認性的一門學科。它主要包含兩個分支:密碼編碼學和密碼分析學。密碼編碼學就是研究安全的密碼協議。在密碼學中,除了加密算法之外,密碼協議也一樣重要。密碼協議就是指使用密碼技術的通信協議,用來保證數據的機密性和完整性。密碼分析,就是研究如何破解密碼的學科。

  2.3 密碼系統的安全性

  一個密碼系統的安全性,跟密碼算法本身和除了算法之外的一些因素都有關系。一個密碼算法本身具有的安全性,是密碼系統安全性的基礎保證,它取決于密碼的設計水平等等。攻擊者如果想要破譯一個密碼系統,還可以通過非技術手段來達到目的。例如,收買相關的管理人員等等。這些都是可能存在的,密碼算法本身之外的一些漏洞。因此,一個密碼算法的安全性并不能完全代表一個密碼系統的安全。

  2.4 如何評估密碼系統的安全性

  2.4.1 無條件安全性

  這種情況是指,攻擊者擁有了無限的資源,但是卻無法得到任何對破譯該密碼系統有意的信息,即無法破譯此密碼系統。我們稱這樣的密碼系統具有無條件安全性。但是,這種密碼體制卻難以實現,因為其密鑰的生成和管理都極其苦難,并且不能夠重復使用密鑰。

  2.4.2 可證明安全性

  指此密碼體制的安全性與某個很困難的問題相關(數學問題),例如計算離散對數等,這些數學問題解起來往往非常困難。但是,這種方法并不能完全說明了此密碼體制的安全性。

  2.4.3 計算安全性

  計算安全性,又稱為實際安全性。指攻擊者所擁有的計算資源還達不到破解此密碼體制的資源。密碼學中所認為的計算不可破譯是指,攻擊者受到資源的限制,不能夠在一定時間之內破解此密碼體制,那么我們就可以認為此密碼體制是不可破譯的。

  2.4.4 總結

  綜上所述,一個密碼體制要滿足安全性,需要它在破解時,計算量非常之大,花費的計算時間非常之多,使攻擊者實際上是無法實現的。或者是,它的實際價值遠遠不如破解它時所花費的費用。以上滿足任何一點,我們就可以稱此密碼體制是足夠安全的。

  3 密碼學常用加密方法

  3.1 對稱加密算法

  對稱加密,也稱為私鑰加密。上文提到了,密鑰又分為加密密鑰與解密密鑰。那么,加密密鑰是否一定跟解密密鑰相同呢?至少在對稱加密算法中來說是的。此算法中,加密(解密)密鑰可以通過解密(加密)密鑰推算出來。這類算法的安全性非常依賴于密鑰,如果密鑰發生了泄露,那么這些密碼系統的安全性將會受到很大的威脅。常見的一些對稱加密算法有:DES算法、AES算法、IDEA算法等等。本文將會就其中兩個最為常見的算法進行簡單介紹。

  3.1.1 DES算法

  DES算法,即美國標準局在1977年發布的數據加密標準。DES的參數有:Key(密鑰)、Data和Mode。DES算法的兩個原則為混淆和擴散。混淆的目的是為了使密文與密鑰之間的關系更加復雜。擴散的目的是為了盡可能讓每一位明文都較多的作用到密文上,以防攻擊者對密碼的破譯。

  DES算法的變體是3DES算法。DES算法如今已經被破解,所以已經不再是安全的密碼算法了,3DES算法已經在向AES算法逐漸的過渡。

  3.1.2 AES算法

  AES算法,是美國標準局發布的高級數據加密標準,用來代替已經逐漸被淘汰的DES算法。在對稱加密算法之中,是最常用的一種算法。此算法的密鑰建立所需要的時間很短,對內存的要求也不是很高,性能遠遠優于DES算法。AES為分組密碼,即把明文分為等長度的幾組,每次只加密一組明文,直到全部明文加密完成。AES算法密鑰長度一般為128、192和256位。

  3.2 非對稱加密算法

  非對稱加密算法,又稱公開密鑰算法。非對稱加密算法中有兩個密鑰:公開密鑰和私有密鑰。公開密鑰和私有密鑰是兩個完全不同的密鑰,故而稱為非對稱加密算法。如果用公開密鑰對明文進行加密,那么只有私有密鑰才能進行解密。同理,如果用私有密鑰對明文進行加密,那么只有公開密鑰才能對明文進行解密。此類算法具有非常高的保密性和安全性,算法比較復雜,使得密碼系統不是很容易被破解。常見的一些非對稱加密算法有:ECC算法(橢圓曲線加密算法)、RSA算法、DSA算法、背包算法等等。本文將會就其中幾個最為常見的算法進行簡單介紹。

  3.2.1 RSA算法

  RSA算法是目前最有影響力的公鑰算法,因為它能夠抵擋大部分的攻擊,具有很高的可靠性。它已經被IOS推為公鑰加密數據標準。首先,隨機生成兩個質數p和q,再算出它們的乘積n(密鑰長度),計算出n的歐拉函數。然后,隨機選擇一個數e,e的范圍在1到n的歐拉函數之間,且與n的歐拉函數互質,計算出e對于n的歐拉函數的模反元素d。最后,n和e就為公有密鑰,n和d為私有密鑰。由以上RSA算法生成密鑰對的過程來看,RSA算法具有很高的隨機性和安全性,想要破解此算法的密鑰十分困難,因為RSA算法運行的往往都是大數運算。但是這一點也使得RSA算法本身運行的速度非常之慢,比DES算法多出好幾倍的時間。

  3.2.2 ECC算法

  即橢圓曲線加密算法,也是一種公開密鑰算法。ECC算法產生的密鑰比RSA算法更小,占用的存儲空間較小。并且,ECC算法是雙線映射的,具有更高的安全性。但是這也造成了它的加解密過程非常復雜,花費的時間很長。

  3.2.3 DSA算法

  即數字簽名算法。它的安全性跟RSA算法差不多,但是它隨機產生的兩個素數p和q是公開的,當使用p和q時,就可以確認是否被人做了非法操作。

  4 網絡安全方面技術應用

  4.1 數字簽名技術

  數字簽名技術,是非對稱密碼算法的一種應用。它有兩種運算,一個用于簽名,一個用于驗證。只有發送信息的人員才能產生,它可以有效地證明信息的真實性,并且具有完整性和不可否認性。發送信息的人員有一對密鑰,其中一個是只有本人才知道的私有密鑰,另一個則是公開的公開密鑰,簽名的時候用的是私有密鑰,驗證的時候則用公開密鑰。數字簽名技術可以提供對應的網絡安全服務,對于計算機網絡安全有著非常重要的作用:防止冒充、防抵賴、身份鑒別等等。這些都極大的提高了網絡信息的安全性。

  4.2 數字證書技術

  又稱數字標識,公開密鑰算法的一種應用,由CA中心頒發的一種證書,具有權威性。在信息交流之中進行加密和解密,來保證數據的真實性和完整性。它產生兩種密鑰,公開密鑰和私有密鑰,公開密鑰是共有的,用來加密和簽名驗證,私有密鑰只有用戶自己才知道,用于解密和簽名認證。數字證書相當于用戶的一張身份證,在進行電子商務活動時必須出示數字證書來驗證身份,它具有安全性、唯一性和便利性。它對網絡信息安全也有著很重要的作用,隨著計算機技術的發展,電子商務在人們的生活中運用的越來越多,數字證書可以避免信息和數據的泄露,作為一種加密技術,有效地保護了終端。此外,越來越多的釣魚網站和惡意網站出現在計算機網絡上,用戶稍有不慎,就會暴露自己的個人信息,這很大的影響了網絡的安全性。數字證書技術可以先對網站進行驗證,這就極大的避免了有可能造成的損失,提高了網絡的安全性。另外,在網絡安全方面,數字證書技術還可以建立安全電子郵件、身份授權管理等等。

  5 結語

  隨著現代量子計算的發展,密碼學也逐漸在發展進化。當然,反過來,密碼學同樣也促進了現代計算機技術的發展。密碼學在網絡安全領域有很多重要的作用,例如安全認證、數字簽名、數字印章等等。密碼學不僅僅可以提升網絡的安全性,它在軍事領域也發揮著很重要的作用,包括射擊學、彈道學等等。綜上所述,密碼學是一門很有發展前景的綜合性學科,因此,這門學科值得我們繼續進行研究。有關于密碼學的最新進展研究,有興趣的讀者可以自行查閱資料。

  參考文獻:

  [1]陳佳康.密碼學算法的優化與應用[D].北京郵電大學,2013.

  [2]鄭培凝.身份基密碼學的研究與應用[D].上海交通大學,2011.

  [3]盧開澄.計算機密碼學[M].北京:清華大學出版社,2003.

《淺談密碼學及其在計算機網絡安全中的作用》

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