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网络安全

网络安全与信息加密技术浅析

　　　　本质上讲，网络安全就是网络上的信息安全。

从广义上来说，凡是涉及到网络信息的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性得相关技术和理论都是网络安全的研究领域。

　　信息安全的技术主要包括监控、扫描、检测、加密、认证、防攻击、防病毒以及审计等几个方面，其中加密技术是信息安全的核心技术，已经渗透到大部分安全产品之中，并正向芯片化方向发展。

一个数据加密系统包括加密算法、明文、密文以及密钥，密钥控制加密和解密过程，一个加密系统的全部安全性是基于密钥的，而不是基于算法，所以加密系统的密钥管理是一个非常重要的问题。

　　数据加密技术主要分为数据传输加密和数据存储加密。

数据传输加密技术主要是对传输中的数据流进行加密，常用的有链路加密、节点加密和端到端加密三种方式。

　　链路加密是传输数据仅在物理层前的数据链路层进行加密，不考虑信源和信宿，它用于保护通信节点间的数据，接收方是传送路径上的各台节点机，信息在每台节点机内都要被解密和再加密，依次进行，直至到达目的地。

　　与链路加密类似的节点加密方法，是在节点处采用一个与节点机相连的密码装置，密文在该装置中被解密并被重新加密，明文不通过节点机，避免了链路加密节点处易受攻击的缺点。

　　端到端加密是为数据从一端到另一端提供的加密方式。

数据在发送端被加密，在接收端解密，中间节点处不以明文的形式出现。

端到端加密是在应用层完成的。

在端到端加密中，除报头外的的报文均以密文的形式贯穿于全部传输过程，只是在发送端和接收端才有加、解密设备，而在中间任何节点报文均不解密，因此，不需要有密码设备，同链路加密相比，可减少密码设备的数量。

另一方面，信息是由报头和报文组成的，报文为要传送的信息，报头为路由选择信息，由于网络传输中要涉及到路由选择，在链路加密时，报文和报头两者均须加密。

而在端到端加密时，由于通道上的每一个中间节点虽不对报文解密，但为将报文传送到目的地，必须检查路由选择信息，因此，只能加密报文，而不能对报头加密。

这样就容易被某些通信分析发觉，而从中获取某些敏感信息。

　　链路加密对用户来说比较容易，使用的密钥较少，而端到端加密比较灵活，对用户可见。

在对链路加密中各节点安全状况不放心的情况下也可使用端到端加密方式。

　　数据加密算法按照发展进程来分，经历了古典密码、对称密钥密码和公开密钥密码阶段，古典密码算法有替代加密、置换加密；对称加密算法包括DES；非对称加密算法包括RSA。

目前在数据通信中使用最普遍的算法有DES算法、RSA算法和PGP算法等。

（1）DES加密算法（数据加密标准）。

　　DES是一种对二元数据进行加密的算法，数据分组长度为64位，密文分组长度也是64位，使用的密钥为64位，有效密钥长度为56位，有8位用于奇偶校验，解密时的过程和加密时相似，但密钥的顺序正好相反。

　　DES算法的弱点是不能提供足够的安全性，因为其密钥容量只有56位。

由于这个原因，后来又提出了三重DES或3DES系统，使用3个不同的密钥对数据块进行（两次或）三次加密，该方法比进行普通加密的三次块。

其强度大约和112比特的密钥强度相当。

（2）RSA算法

　　RSA算法既能用于数据加密，也能用于数字签名，RSA的理论依据为：

寻找两个大素数比较简单，而将它们的乘积分解开则异常困难。

在RSA算法中，包含两个密钥，加密密钥PK，和解密密钥SK，加密密钥是公开的，其加密与解密方程为：

　　RSA算法的优点是密钥空间大，缺点是加密速度慢，如果RSA和DES结合使用，则正好弥补RSA的缺点。

即DES用于明文加密，RSA用于DES密钥的加密。

由于DES加密速度快，适合加密较长的报文；而RSA可解决DES密钥分配的问题。

　　量子技术在密码学上的应用分为两类：

一是利用量子计算机对传统密码体制的分析；二是利用单光子的测不准原理在光纤一级实现密钥管理和信息加密，即量子密码学。

量子计算机是一种传统意义上的超大规模并行计算系统，利用量子计算机可以在几秒钟内分解RSA129的公钥。

根据internet的发展，全光网络将是今后网络连接的发展方向，利用量子技术可以实现传统的密码体制，在光纤一级完成密钥交换和信息加密，其安全性是建立在Heisenberg的测不准原理上的，如果攻击者企图接收并检测信息发送方的信息（偏振），则将造成量子状态的改变，这种改变对攻击者而言是不可恢复的，而对收发方则可很容易地检测出信息是否受到攻击。

目前量子加密技术仍然处于研究阶段，其量子密钥分配QKD在光纤上的有效距离还达不到远距离光纤通信的要求。

目前在国内，随着三金工程尤其是金卡工程的启动，DES算法在POS、ATM、磁卡及智能卡（IC卡）、加油站、高速公路收费站等领域被广泛应用，以此来实现关键数据的保密，如信用卡持卡人的PIN的加密传输，IC卡与POS间的双向认证、金融交易数据包的MAC校验等，均用到DES算法。

　　DES算法的入口参数有三个：

Key、Data、Mode。

其中Key为8个字节共64位，是DES算法的工作密钥；Data也为8个字节64位，是要被加密或被解密的数据；Mode为DES的工作方式，有两种：

加密或解密。

　　DES算法是这样工作的：

如Mode为加密，则用Key去把数据Data进行加密，生成Data的密码形式（64位）作为DES的输出结果；如Mode为解密，则用Key去把密码形式的数据Data解密，还原为Data的明码形式（64位）作为DES的输出结果。

在通信网络的两端，双方约定一致的Key，在通信的源点用Key对核心数据进行DES加密，然后以密码形式在公共通信网（如电话网）中传输到通信网络的终点，数据到达目的地后，用同样的Key对密码数据进行解密，便再现了明码形式的核心数据。

这样，便保证了核心数据（如PIN、MAC等）在公共通信网中传输的安全性和可靠性。

　　通过定期在通信网络的源端和目的端同时改用新的Key，便能更进一步提高数据的保密性，这正是现在金融交易网络的流行做法。

　　DES算法详述

　　DES算法把64位的明文输入块变为64位的密文输出块，它所使用的密钥也是64位，整个算法的主流程图如下：

其功能是把输入的64位数据块按位重新组合，并把输出分为L0、R0两部分，每部分各长32位，其置换规则见下表：

58,50,12,34,26,18,10,2,60,52,44,36,28,20,12,4,

　　62,54,46,38,30,22,14,6,64,56,48,40,32,24,16,8,

　　57,49,41,33,25,17,9,1,59,51,43,35,27,19,11,3,

　　61,53,45,37,29,21,13,5,63,55,47,39,31,23,15,7,

　　即将输入的第58位换到第一位，第50位换到第2位，...，依此类推，最后一位是原来的第7位。

L0、R0则是换位输出后的两部分，L0是输出的左32位，R0是右32位，例：

设置换前的输入值为D1D2D3......D64，则经过初始置换后的结果为：

L0=D58D50...D8；R0=D57D49...D7。

　　经过16次迭代运算后。

得到L16、R16，将此作为输入，进行逆置换，即得到密文输出。

逆置换正好是初始置的逆运算，例如，第1位经过初始置换后，处于第40位，而通过逆置换，又将第40位换回到第1位，其逆置换规则如下表所示：

　　40,8,48,16,56,24,64,32,39,7,47,15,55,23,63,31,

　　38,6,46,14,54,22,62,30,37,5,45,13,53,21,61,29,

　　36,4,44,12,52,20,60,28,35,3,43,11,51,19,59,27,

　　34,2,42,10,50,18,5826,33,1,41,9,49,17,57,25,

放大换位表

　　32,1,2,3,4,5,4,5,6,7,8,9,8,9,10,11,

　　12,13,12,13,14,15,16,17,16,17,18,19,20,21,20,21,

　　22,23,24,25,24,25,26,27,28,29,28,29,30,31,32,1,

单纯换位表

　　16,7,20,21,29,12,28,17,1,15,23,26,5,18,31,10,

　　2,8,24,14,32,27,3,9,19,13,30,6,22,11,4,25,

　　在f（Ri,Ki）算法描述图中，S1,S2...S8为选择函数，其功能是把6bit数据变为4bit数据。

下面给出选择函数Si（i=1,2......8）的功能表：

选择函数Si

S1:

　　14,4,13,1,2,15,11,8,3,10,6,12,5,9,0,7,

　　0,15,7,4,14,2,13,1,10,6,12,11,9,5,3,8,

　　4,1,14,8,13,6,2,11,15,12,9,7,3,10,5,0,

　　15,12,8,2,4,9,1,7,5,11,3,14,10,0,6,13,

S2:

　　15,1,8,14,6,11,3,4,9,7,2,13,12,0,5,10,

　　3,13,4,7,15,2,8,14,12,0,1,10,6,9,11,5,

　　0,14,7,11,10,4,13,1,5,8,12,6,9,3,2,15,

　　13,8,10,1,3,15,4,2,11,6,7,12,0,5,14,9,

S3:

　　10,0,9,14,6,3,15,5,1,13,12,7,11,4,2,8,

　　13,7,0,9,3,4,6,10,2,8,5,14,12,11,15,1,

　　13,6,4,9,8,15,3,0,11,1,2,12,5,10,14,7,

　　1,10,13,0,6,9,8,7,4,15,14,3,11,5,2,12,

S4:

　　7,13,14,3,0,6,9,10,1,2,8,5,11,12,4,15,

　　13,8,11,5,6,15,0,3,4,7,2,12,1,10,14,9,

　　10,6,9,0,12,11,7,13,15,1,3,14,5,2,8,4,

　　3,15,0,6,10,1,13,8,9,4,5,11,12,7,2,14,

S5:

　　2,12,4,1,7,10,11,6,8,5,3,15,13,0,14,9,

　　14,11,2,12,4,7,13,1,5,0,15,10,3,9,8,6,

　　4,2,1,11,10,13,7,8,15,9,12,5,6,3,0,14,

　　11,8,12,7,1,14,2,13,6,15,0,9,10,4,5,3,

S6:

　　12,1,10,15,9,2,6,8,0,13,3,4,14,7,5,11,

　　10,15,4,2,7,12,9,5,6,1,13,14,0,11,3,8,

　　9,14,15,5,2,8,12,3,7,0,4,10,1,13,11,6,

　　4,3,2,12,9,5,15,10,11,14,1,7,6,0,8,13,

S7:

　　4,11,2,14,15,0,8,13,3,12,9,7,5,10,6,1,

　　13,0,11,7,4,9,1,10,14,3,5,12,2,15,8,6,

　　1,4,11,13,12,3,7,14,10,15,6,8,0,5,9,2,

　　6,11,13,8,1,4,10,7,9,5,0,15,14,2,3,12,

S8:

　　13,2,8,4,6,15,11,1,10,9,3,14,5,0,12,7,

　　1,15,13,8,10,3,7,4,12,5,6,11,0,14,9,2,

　　7,11,4,1,9,12,14,2,0,6,10,13,15,3,5,8,

　　2,1,14,7,4,10,8,13,15,12,9,0,3,5,6,11,

在此以S1为例说明其功能，我们可以看到：

在S1中，共有4行数据，命名为0，1、2、3行；每行有16列，命名为0、1、2、3，......，14、15列。

　　现设输入为：

D＝D1D2D3D4D5D6

令：

列＝D2D3D4D5

　　行＝D1D6

　　然后在S1表中查得对应的数，以4位二进制表示，此即为选择函数S1的输出。

下面给出子密钥Ki（48bit）的生成算法

　　从子密钥Ki的生成算法描述图中我们可以看到：

初始Key值为64位，但DES算法规定，其中第8、16、......64位是奇偶校验位，不参与DES运算。

故Key实际可用位数便只有56位。

即：

经过缩小选择换位表1的变换后，Key的位数由64位变成了56位，此56位分为C0、D0两部分，各28位，然后分别进行第1次循环左移，得到C1、D1，将C1（28位）、D1（28位）合并得到56位，再经过缩小选择换位2，从而便得到了密钥K0（48位）。

依此类推，便可得到K1、K2、......、K15，不过需要注意的是，16次循环左移对应的左移位数要依据下述规则进行：

循环左移位数

1,1,2,2,2,2,2,2,1,2,2,2,2,2,2,1

　　以上介绍了DES算法的加密过程。

DES算法的解密过程是一样的，区别仅仅在于第一次迭代时用子密钥K15，第二次K14、......，最后一次用K0，算法本身并没有任何变化。

三、DES算法的应用误区　

　　DES算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。

而56位长的密钥的穷举空间为256，这意味着如果一台计算机的速度是每一秒种检测一百万个密钥，则它搜索完全部密钥就需要将近2285年的时间，可见，这是难以实现的，当然，随着科学技术的发展，当出现超高速计算机后，我们可考虑把DES密钥的长度再增长一些，以此来达到更高的保密程度。

　　由上述DES算法介绍我们可以看到：

DES算法中只用到64位密钥中的其中56位，而第8、16、24、......64位8个位并未参与DES运算，这一点，向我们提出了一个应用上的要求，即DES的安全性是基于除了8，16，24，......64位外的其余56位的组合变化256才得以保证的。

因此，在实际应用中，我们应避开使用第8，16，24，......64位作为有效数据位，而使用其它的56位作为有效数据位，才能保证DES算法安全可靠地发挥作用。

如果不了解这一点，把密钥Key的8，16，24，......64位作为有效数据使用，将不能保证DES加密数据的安全性，对运用DES来达到保密作用的系统产生数据被破译的危险，这正是DES算法在应用上的误区，留下了被人攻击、被人破译的极大隐患。

加密算法之RSA算法

　　它是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法。

它易于理解和操作，也很流行。

算法的名字以发明者的名字命名：

RonRivest,AdiShamir和LeonardAdleman。

但RSA的安全性一直未能得到理论上的证明。

它经历了各种攻击，至今未被完全攻破。

一、RSA算法:

首先,找出三个数,p,q,r,

其中p,q是两个相异的质数,r是与（p-1）（q-1）互质的数......

p,q,r这三个数便是privatekey

接著,找出m,使得rm==1mod（p-1）（q-1）.....

这个m一定存在,因为r与（p-1）（q-1）互质,用辗转相除法就可以得到了.....

再来,计算n=pq.......

m,n这两个数便是publickey

编码过程是,若资料为a,将其看成是一个大整数,假设a

如果a>=n的话,就将a表成s进位（s<=n,通常取s=2^t）,

则每一位数均小於n,然後分段编码......

接下来,计算b==a^mmodn,（0<=b

b就是编码後的资料......

解码的过程是,计算c==b^rmodpq（0<=c

於是乎,解码完毕......等会会证明c和a其实是相等的:

）

如果第三者进行窃听时,他会得到几个数:

m,n（=pq）,b......

他如果要解码的话,必须想办法得到r......

所以,他必须先对n作质因数分解.........

要防止他分解,最有效的方法是找两个非常的大质数p,q,

使第三者作因数分解时发生困难.........

<定理>

若p,q是相异质数,rm==1mod（p-1）（q-1）,

a是任意一个正整数,b==a^mmodpq,c==b^rmodpq,

则c==amodpq

证明的过程,会用到费马小定理,叙述如下:

m是任一质数,n是任一整数,则n^m==nmodm

（换另一句话说,如果n和m互质,则n^（m-1）==1modm）

运用一些基本的群论的知识,就可以很容易地证出费马小定理的........

<证明>

因为rm==1mod（p-1）（q-1）,所以rm=k（p-1）（q-1）+1,其中k是整数

因为在modulo中是preserve乘法的

（x==ymodzandu==vmodz=>xu==yvmodz）,

所以,c==b^r==（a^m）^r==a^（rm）==a^（k（p-1）（q-1）+1）modpq

1.如果a不是p的倍数,也不是q的倍数时,

则a^（p-1）==1modp（费马小定理）=>a^（k（p-1）（q-1））==1modp

a^（q-1）==1modq（费马小定理）=>a^（k（p-1）（q-1））==1modq

所以p,q均能整除a^（k（p-1）（q-1））-1=>pq|a^（k（p-1）（q-1））-1

即a^（k（p-1）（q-1））==1modpq

=>c==a^（k（p-1）（q-1）+1）==amodpq

2.如果a是p的倍数,但不是q的倍数时,

则a^（q-1）==1modq（费马小定理）

=>a^（k（p-1）（q-1））==1modq

=>c==a^（k（p-1）（q-1）+1）==amodq

=>q|c-a

因p|a

=>c==a^（k（p-1）（q-1）+1）==0modp

=>p|c-a

所以,pq|c-a=>c==amodpq

3.如果a是q的倍数,但不是p的倍数时,证明同上

4.如果a同时是p和q的倍数时,

则pq|a

=>c==a^（k（p-1）（q-1）+1）==0modpq

=>pq|c-a

=>c==amodpq

Q.E.D.

这个定理说明a经过编码为b再经过解码为c时,a==cmodn（n=pq）....

但我们在做编码解码时,限制0<=a

所以这就是说a等於c,所以这个过程确实能做到编码解码的功能.....

二、RSA的安全性

RSA的安全性依赖于大数分解，但是否等同于大数分解一直未能得到理论上的证明，因为没有证明破解RSA就一定需要作大数分解。

假设存在一种无须分解大数的算法，那它肯定可以修改成为大数分解算法。

目前，RSA的一些变种算法已被证明等价于大数分解。

不管怎样，分解n是最显然的攻击方法。

现在，人们已能分解多个十进制位的大素数。

因此，模数n必须选大一些，因具体适用情况而定。

三、RSA的速度

由于进行的都是大数计算，使得RSA最快的情况也比DES慢上倍，无论是软件还是硬件实现。

速度一直是RSA的缺陷。

一般来说只用于少量数据加密。

四、RSA的选择密文攻击

RSA在选择密文攻击面前很脆弱。

一般攻击者是将某一信息作一下伪装（Blind），让拥有私钥的实体签署。

然后，经过计算就可得到它所想要的信息。

实际上，攻击利用的都是同一个弱点，即存在这样一个事实：

乘幂保留了输入的乘法结构：

（XM）^d=X^d*M^dmodn

前面已经提到，这个固有的问题来自于公钥密码系统的最有用的特征--每个人都能使用公钥。

但从算法上无法解决这一问题，主要措施有两条：

一条是采用好的公钥协议，保证工作过程中实体不对其他实体任意产生的信息解密，不对自己一无所知的信息签名；另一条是决不对陌生人送来的随机文档签名，签名时首先使用One-WayHashFunction对文档作HASH处理，或同时使用不同的签名算法。

在中提到了几种不同类型的攻击方法。

五、RSA的公共模数攻击

若系统中共有一个模数，只是不同的人拥有不同的e和d，系统将是危险的。

最普遍的情况是同一信息用不同的公钥加密，这些公钥共模而且互质，那末该信息无需私钥就可得到恢复。

设P为信息明文，两个加密密钥为e1和e2，公共模数是n，则：

C1=P^e1modn

C2=P^e2modn

密码分析者知道n、e1、e2、C1和C2，就能得到P。

因为e1和e2互质，故用Euclidean算法能找到r和s，满足：

r*e1+s*e2=1

假设r为负数，需再用Euclidean算法计算C1^（-1），则

（C1^（-1））^（-r）*C2^s=Pmodn

另外，还有其它几种利用公共模数攻击的方法。

总之，如果知道给定模数的一对e和d，一是有利于攻击者分解模数，一是有利于攻击者计算出其它成对的e’和d’，而无需分解模数。

解决办法只有一个，那就是不要共享模数n。

RSA的小指数攻击。

有一种提高RSA速度的建议是使公钥e取较小的值，这样会使加密变得易于实现，速度有所提高。

但这样作是不安全的，对付办法就是e和d都取较大的值。

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。

RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近二十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。

RSA的安全性依赖于大数的因子分解，但并没有从理论上证明破译RSA的难度与大数分解难度等价。

即RSA的重大缺陷是无法从理论上把握它的保密性能如何，而且密码学界多数人士倾向于因子分解不是NPC问题。

RSA的缺点主要有：

A）产生密钥很麻烦，受到素数产生技术的限制，因而难以做到一次一密。

B）分组长度太大，为保证安全性，n至少也要600bits以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式的标准化。

目前，SET（SecureElectronicTransaction）协议中要求CA采用比特长的密钥，其他实体使用比特的密钥。

1．什么是防火墙？

防火墙是指设置在不同网络（如可信任的企业内部网和不可