關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密技術(shù)的介紹

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　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密技術(shù)

　　所謂數(shù)據(jù)加密(Data Encryption)技術(shù)是指將一個(gè)信息(或稱明文，plain text)經(jīng)過(guò)加密鑰匙(Encryption key)及加密函數(shù)轉(zhuǎn)換，變成無(wú)意義的密文(cipher text)，而接收方則將此密文經(jīng)過(guò)解密函數(shù)、解密鑰匙(Decryption key)還原成明文。加密技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)的基石。

　　簡(jiǎn)介

　　密碼技術(shù)是通信雙方按約定的法則進(jìn)行信息特殊變換的一種保密技術(shù)。根據(jù)特定的法 則，變明文(Plaintext)為密文(Ciphertext)。從明文變成密文的過(guò)程稱為加密(Encryption); 由密文恢復(fù)出原明文的過(guò)程，稱為解密(Decryption)。密碼在早期僅對(duì)文字或數(shù)碼進(jìn)行加、 解密，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)等都可實(shí)施加、解密變換。密碼學(xué)是由密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)組成的，其中密碼編碼學(xué)主要研究對(duì)信息進(jìn)行編碼以實(shí)現(xiàn)信息隱蔽，而密碼分析學(xué)主要研究通過(guò)密文獲取對(duì)應(yīng)的明文信息。密碼學(xué)研究密碼理論、密碼算 法、密碼協(xié)議、密碼技術(shù)和密碼應(yīng)用等。 隨著密碼學(xué)的不斷成熟，大量密碼產(chǎn)品應(yīng)用于國(guó)計(jì)民生中，如USB Key、PIN EntryDevice、 RFID 卡、銀行卡等。廣義上講，包含密碼功能的應(yīng)用產(chǎn)品也是密碼產(chǎn)品，如各種物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn) 品，它們的結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)類似，也包括運(yùn)算、控制、存儲(chǔ)、輸入輸出等部分。密碼芯片是密碼產(chǎn)品安全性的關(guān)鍵，它通常是由系統(tǒng)控制模塊、密碼服務(wù)模塊、存儲(chǔ)器控制模塊、功 能輔助模塊、通信模塊等關(guān)鍵部件構(gòu)成的。

　　數(shù)據(jù)加密技術(shù)要求只有在指定的用戶或網(wǎng)絡(luò)下，才能解除密碼而獲得原來(lái)的數(shù)據(jù)，這就需要給數(shù)據(jù)發(fā)送方和接受方以一些特殊的信息用于加解密，這就是所謂的密鑰。其密鑰的值是從大量的隨機(jī)數(shù)中選取的。按加密算法分為專用密鑰和公開密鑰兩種。

　　分類

　　專用密鑰

　　專用密鑰，又稱為對(duì)稱密鑰或單密鑰，加密和解密時(shí)使用同一個(gè)密鑰，即同一個(gè)算法。如DES和MIT的Kerberos算法。單密鑰是最簡(jiǎn)單方式，通信雙方必須交換彼此密鑰，當(dāng)需給對(duì)方發(fā)信息時(shí)，用自己的加密密鑰進(jìn)行加密，而在接收方收到數(shù)據(jù)后，用對(duì)方所給的密鑰進(jìn)行解密。當(dāng)一個(gè)文本要加密傳送時(shí)，該文本用密鑰加密構(gòu)成密文，密文在信道上傳送，收到密文后用同一個(gè)密鑰將密文解出來(lái)，形成普通文體供閱讀。在對(duì)稱密鑰中，密鑰的管理極為重要，一旦密鑰丟失，密文將無(wú)密可保。這種方式在與多方通信時(shí)因?yàn)樾枰４婧芏嗝荑€而變得很復(fù)雜，而且密鑰本身的安全就是一個(gè)問(wèn)題。

　　對(duì)稱密鑰

　　對(duì)稱密鑰是最古老的，一般說(shuō)“密電碼”采用的就是對(duì)稱密鑰。由于對(duì)稱密鑰運(yùn)算量小、速度快、安全強(qiáng)度高，因而如今仍廣泛被采用。

　　DES是一種數(shù)據(jù)分組的加密算法，它將數(shù)據(jù)分成長(zhǎng)度為64位的數(shù)據(jù)塊，其中8位用作奇偶校驗(yàn)，剩余的56位作為密碼的長(zhǎng)度。第一步將原文進(jìn)行置換，得到64位的雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)組;第二步將其分成均等兩段;第三步用加密函數(shù)進(jìn)行變換，并在給定的密鑰參數(shù)條件下，進(jìn)行多次迭代而得到加密密文。

　　公開密鑰

　　公開密鑰，又稱非對(duì)稱密鑰，加密和解密時(shí)使用不同的密鑰，即不同的算法，雖然兩者之間存在一定的關(guān)系，但不可能輕易地從一個(gè)推導(dǎo)出另一個(gè)。有一把公用的加密密鑰，有多把解密密鑰，如RSA算法。

　　非對(duì)稱密鑰由于兩個(gè)密鑰(加密密鑰和解密密鑰)各不相同，因而可以將一個(gè)密鑰公開，而將另一個(gè)密鑰保密，同樣可以起到加密的作用。

　　在這種編碼過(guò)程中，一個(gè)密碼用來(lái)加密消息，而另一個(gè)密碼用來(lái)解密消息。在兩個(gè)密鑰中有一種關(guān)系，通常是數(shù)學(xué)關(guān)系。公鑰和私鑰都是一組十分長(zhǎng)的、數(shù)字上相關(guān)的素?cái)?shù)(是另一個(gè)大數(shù)字的因數(shù))。有一個(gè)密鑰不足以翻譯出消息，因?yàn)橛靡粋€(gè)密鑰加密的消息只能用另一個(gè)密鑰才能解密。每個(gè)用戶可以得到唯一的一對(duì)密鑰，一個(gè)是公開的，另一個(gè)是保密的。公共密鑰保存在公共區(qū)域，可在用戶中傳遞，甚至可印在報(bào)紙上面。而私鑰必須存放在安全保密的地方。任何人都可以有你的公鑰，但是只有你一個(gè)人能有你的私鑰。它的工作過(guò)程是：“你要我聽你的嗎?除非你用我的公鑰加密該消息，我就可以聽你的，因?yàn)槲抑罌](méi)有別人在偷聽。只有我的私鑰(其他人沒(méi)有)才能解密該消息，所以我知道沒(méi)有人能讀到這個(gè)消息。我不必?fù)?dān)心大家都有我的公鑰，因?yàn)樗荒苡脕?lái)解密該消息。”

　　公開密鑰的加密機(jī)制雖提供了良好的保密性，但難以鑒別發(fā)送者，即任何得到公開密鑰的人都可以生成和發(fā)送報(bào)文。數(shù)字簽名機(jī)制提供了一種鑒別方法，以解決偽造、抵賴、冒充和篡改等問(wèn)題。

　　非對(duì)稱加密技術(shù)

　　數(shù)字簽名一般采用非對(duì)稱加密技術(shù)(如RSA)，通過(guò)對(duì)整個(gè)明文進(jìn)行某種變換，得到一個(gè)值，作為核實(shí)簽名。接收者使用發(fā)送者的公開密鑰對(duì)簽名進(jìn)行解密運(yùn)算，如其結(jié)果為明文，則簽名有效，證明對(duì)方的身份是真實(shí)的。當(dāng)然，簽名也可以采用多種方式，例如，將簽名附在明文之后。數(shù)字簽名普遍用于銀行、電子貿(mào)易等。

　　數(shù)字簽名不同于手寫簽字：數(shù)字簽名隨文本的變化而變化，手寫簽字反映某個(gè)人個(gè)性特征，是不變的;數(shù)字簽名與文本信息是不可分割的，而手寫簽字是附加在文本之后的，與文本信息是分離的。

　　值得注意的是，能否切實(shí)有效地發(fā)揮加密機(jī)制的作用，關(guān)鍵的問(wèn)題在于密鑰的管理，包括密鑰的生存、分發(fā)、安裝、保管、使用以及作廢全過(guò)程。

　　加密技術(shù)

　　概述

　　在常規(guī)密碼中，收信方和發(fā)信方使用相同的密鑰，即加密密鑰和解密密鑰是相同或等價(jià)的。比較著名的常規(guī)密碼算法有：美國(guó)的DES及其各種變形，比如Triple DES、GDES、New DES和DES的前身Lucifer;歐洲的IDEA;日本的FEAL?N、LOKI?91、Skipjack、RC4、RC5以及以代換密碼和轉(zhuǎn)輪密碼為代表的古典密碼等。在眾多的常規(guī)密碼中影響最大的是DES密碼。

　　常規(guī)密碼的優(yōu)點(diǎn)是有很強(qiáng)的保密強(qiáng)度，且經(jīng)受住時(shí)間的檢驗(yàn)和攻擊，但其密鑰必須通過(guò)安全的途徑傳送。因此，其密鑰管理成為系統(tǒng)安全的重要因素。

　　在公鑰密碼中，收信方和發(fā)信方使用的密鑰互不相同，而且?guī)缀醪豢赡軓募用苊荑€推導(dǎo)解密密鑰。比較著名的公鑰密碼算法有：RSA、背包密碼、McEliece密碼、Diffe?Hellman、Rabin、Ong?Fiat?Shamir、零知識(shí)證明的算法、橢圓曲線、EIGamal算法等等。最有影響的公鑰密碼算法是RSA，它能抵抗到目前為止已知的所有密碼攻擊。

　　公鑰密碼的優(yōu)點(diǎn)是可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的開放性要求，且密鑰管理問(wèn)題也較為簡(jiǎn)單，尤其可方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字簽名和驗(yàn)證。但其算法復(fù)雜，加密數(shù)據(jù)的速率較低。盡管如此，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和密碼技術(shù)的發(fā)展，公鑰密碼算法將是一種很有前途的網(wǎng)絡(luò)安全加密體制。

　　當(dāng)然在實(shí)際應(yīng)用中人們通常將常規(guī)密碼和公鑰密碼結(jié)合在一起使用，比如：利用DES或者IDEA來(lái)加密信息，而采用RSA來(lái)傳遞會(huì)話密鑰。如果按照每次加密所處理的比特來(lái)分類，可以將加密算法分為序列密碼和分組密碼。前者每次只加密一個(gè)比特而后者則先將信息序列分組，每次處理一個(gè)組。

　　密碼技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)安全最有效的技術(shù)之一。一個(gè)加密網(wǎng)絡(luò)，不但可以防止非授權(quán)用戶的搭線竊聽和入網(wǎng)，而且也是對(duì)付惡意軟件的有效方法之一。

　　一般的數(shù)據(jù)加密可以在通信的三個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)：鏈路加密、節(jié)點(diǎn)加密和端到端加密。

　　鏈路加密

　　對(duì)于在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的某一次通信鏈路，鏈路加密能為網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)提供安全保證。對(duì)于鏈路加密(又稱在線加密)，所有消息在被傳輸之前進(jìn)行加密，在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的消息進(jìn)行解密，然后先使用下一個(gè)鏈路的密鑰對(duì)消息進(jìn)行加密，再進(jìn)行傳輸。在到達(dá)目的地之前，一條消息可能要經(jīng)過(guò)許多通信鏈路的傳輸。

　　由于在每一個(gè)中間傳輸節(jié)點(diǎn)消息均被解密后重新進(jìn)行加密，因此，包括路由信息在內(nèi)的鏈路上的所有數(shù)據(jù)均以密文形式出現(xiàn)。這樣，鏈路加密就掩蓋了被傳輸消息的源點(diǎn)與終點(diǎn)。由于填充技術(shù)的使用以及填充字符在不需要傳輸數(shù)據(jù)的情況下就可以進(jìn)行加密，這使得消息的頻率和長(zhǎng)度特性得以掩蓋，從而可以防止對(duì)通信業(yè)務(wù)進(jìn)行分析。

　　盡管鏈路加密在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用得相當(dāng)普遍，但它并非沒(méi)有問(wèn)題。鏈路加密通常用在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的同步或異步線路上，它要求先對(duì)在鏈路兩端的加密設(shè)備進(jìn)行同步，然后使用一種鏈模式對(duì)鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密。這就給網(wǎng)絡(luò)的性能和可管理性帶來(lái)了副作用。

　　在線路/信號(hào)經(jīng)常不通的海外或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，鏈路上的加密設(shè)備需要頻繁地進(jìn)行同步，帶來(lái)的后果是數(shù)據(jù)丟失或重傳。另一方面，即使僅一小部分?jǐn)?shù)據(jù)需要進(jìn)行加密，也會(huì)使得所有傳輸數(shù)據(jù)被加密。

　　在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，鏈路加密僅在通信鏈路上提供安全性，消息以明文形式存在，因此所有節(jié)點(diǎn)在物理上必須是安全的，否則就會(huì)泄漏明文內(nèi)容。然而保證每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全性需要較高的費(fèi)用，為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)提供加密硬件設(shè)備和一個(gè)安全的物理環(huán)境所需要的費(fèi)用由以下幾部分組成：保護(hù)節(jié)點(diǎn)物理安全的雇員開銷，為確保安全策略和程序的正確執(zhí)行而進(jìn)行審計(jì)時(shí)的費(fèi)用，以及為防止安全性被破壞時(shí)帶來(lái)?yè)p失而參加保險(xiǎn)的費(fèi)用。

　　在傳統(tǒng)的加密算法中，用于解密消息的密鑰與用于加密的密鑰是相同的，該密鑰必須被秘密保存，并按一定規(guī)則進(jìn)行變化。這樣，密鑰分配在鏈路加密系統(tǒng)中就成了一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槊恳粋€(gè)節(jié)點(diǎn)必須存儲(chǔ)與其相連接的所有鏈路的加密密鑰，這就需要對(duì)密鑰進(jìn)行物理傳送或者建立專用網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地理分布的廣闊性使得這一過(guò)程變得復(fù)雜,同時(shí)增加了密鑰連續(xù)分配時(shí)的費(fèi)用。

　　節(jié)點(diǎn)加密

　　盡管節(jié)點(diǎn)加密能給網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)提供較高的安全性，但它在操作方式上與鏈路加密是類似的：兩者均在通信鏈路上為傳輸?shù)南⑻峁┌踩?都在中間節(jié)點(diǎn)先對(duì)消息進(jìn)行解密，然后進(jìn)行加密。因?yàn)橐獙?duì)所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密，所以加密過(guò)程對(duì)用戶是透明的。

　　然而，與鏈路加密不同，節(jié)點(diǎn)加密不允許消息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以明文形式存在，它先把收到的消息進(jìn)行解密，然后采用另一個(gè)不同的密鑰進(jìn)行加密，這一過(guò)程是在節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)安全模塊中進(jìn)行。

　　節(jié)點(diǎn)加密要求報(bào)頭和路由信息以明文形式傳輸，以便中間節(jié)點(diǎn)能得到如何處理消息的信息。因此這種方法對(duì)于防止攻擊者分析通信業(yè)務(wù)是脆弱的。

　　端到端加密

　　端到端加密允許數(shù)據(jù)在從源點(diǎn)到終點(diǎn)的傳輸過(guò)程中始終以密文形式存在。采用端到端加密(又稱脫線加密或包加密)，消息在被傳輸時(shí)到達(dá)終點(diǎn)之前不進(jìn)行解密，因?yàn)橄⒃谡麄€(gè)傳輸過(guò)程中均受到保護(hù)，所以即使有節(jié)點(diǎn)被損壞也不會(huì)使消息泄露。

　　端到端加密系統(tǒng)的價(jià)格便宜些，并且與鏈路加密和節(jié)點(diǎn)加密相比更可靠，更容易設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。端到端加密還避免了其它加密系統(tǒng)所固有的同步問(wèn)題，因?yàn)槊總€(gè)報(bào)文包均是獨(dú)立被加密的，所以一個(gè)報(bào)文包所發(fā)生的傳輸錯(cuò)誤不會(huì)影響后續(xù)的報(bào)文包。此外，從用戶對(duì)安全需求的直覺上講，端到端加密更自然些。單個(gè)用戶可能會(huì)選用這種加密方法，以便不影響網(wǎng)絡(luò)上的其他用戶，此方法只需要源和目的節(jié)點(diǎn)是保密的即可。

　　端到端加密系統(tǒng)通常不允許對(duì)消息的目的地址進(jìn)行加密，這是因?yàn)槊恳粋€(gè)消息所經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)都要用此地址來(lái)確定如何傳輸消息。由于這種加密方法不能掩蓋被傳輸消息的源點(diǎn)與終點(diǎn)，因此它對(duì)于防止攻擊者分析通信業(yè)務(wù)是脆弱的。