第2章 数据加密技术及应用

目前对网络数据加密主要有链路加密、节 点对节点加密和端对端加密3种实现方式。
图2-3 链路加密过程示意图
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链路加密 链路加密又称在线加密，它是对在两个网络节点 间的某一条通信链路实施加密，是目前网络安全 系统中主要采用的方式。 如图2-3所示，在链路加密方式下，只对通信链路 中的数据加密，而不对网络节点内的数据加密。
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2.2 古典密码介绍
介绍几种古典密码体制，虽然这些密码体制现在 已经很少使用，但对理解和分析现代密码体制很 有意义。
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2.2.1 简单替换密码
实现方法是将明文按字母表中当前的位置向后移 动n位，便得到加密后的密文，这里的n就是密钥。 例如，当n=3时（即以n=3为密钥）时，字符表的 替换如下（为便于表述，我们约定在明文中使用 小写字母，而在密文中使用大写字母）： 明文：a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 密文：D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W XYZABC 当n=3时的密码体制由于被凯撒（Caesar）成功使 用，所以也称为凯撒密码。
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节点对节点加密
节点对节点加密是为了解决在节点中的数据 是明文的这一缺点，在中间节点里装有用于加密 和解密的保护装置，由这个装置来完成一个密钥 向另一个密钥的交换。因而，除了在保护装置里， 即使在节点内也不会出现明文。 尽管节点对节点加密能给网络数据提供较高 的安全性，但它在操作方式上与链路加密类似： 两者均在通信链路上为传输的消息提供安全性； 都在中间节点先对消息进行解密，然后进行加密。 因为要对所有传输的数据进行加密，所以加密过 程对用户是透明的。 《计算机网络安全技术》
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2.1.4 序列密码和分组密码
根据密码算法对明文处理方式的标准不同， 可以将密码系统分为序列密码和分组密码 两类。
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序列密码 序列密码也称为流密码，它是将明文消息转化为 二进制数字序列，密钥序列也为二进制数字序列， 加密是按明文序列和密钥序列逐位模2相加（即异 或操作XOR）进行，解密也是按密文序列和密钥 序列逐位模2相加进行。 2
于是得到明文“katwomorrow”。
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2.2.3 “一次一密”密码
最著名的序列密码是“一次一密”密码，也称为“一次一密 乱码本加密机制”。其中，一次一密乱码本是一个大的不重 复的随机密钥字符集，这个密钥字符集被写在几张纸上，并 粘合成一个本子，该本子称为乱码本。每个密钥仅对一个消 息使用一次。发送方用乱码本中的密钥对所发送的消息加密， 然后销毁乱码本中用过的一页或用过的磁带部分。接收方有 一个同样的乱码本，并依次使用乱码本上的每一个密钥去解 密密文的每个字符。接收方在解密消息后销毁乱码本中用过 的一页或用过的磁带部分。新的消息则用乱码本的新的密钥 进行加密和解密。“一次一密”密码是一种理想的加密方案， 理论上讲，实现了“一次一密”密钥管理的密码是不可破译 的。
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2.3 对称加密—流密码
流密码（即序列密码）是一种类似于“一次一密” 密码体制，因为在加密过程中是将密钥流（密钥的 二进制位）与等长的明文的二进制位进行模2运算， 在解密过程中是将密钥流与密文进行逐位模2运算， 所以流密码是一种对称加密方式。
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2.4 对称加密—分组密码
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对称加密 对称加密的缺点是密钥需要通过直接复制或网络 传输的方式由发送方传给接收方，同时无论加密 还是解密都使用同一个密钥，所以密钥的管理和 使用很不安全。如果密钥泄露，则此密码系统便 被攻破。另外，通过对称加密方式无法解决消息 的确认问题，并缺乏自动检测密钥泄露的能力。 对称加密的优点是加密和解密的速度快。
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分组密码 分组密码的加密方式是先将明文序列以固定长度 进行分组，然后将每一组明文用相同的密码和加 密函数进行运算。为了减小存储量，并提高运算 速度，密钥的长度一般不大，因而加密函数的复 杂性成为系统安全的关键。 DES、DEA是典型的分组密码。
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2.1.5 网络加密的实现方法
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数据加密标准DES
数据加密标准（Data Encryption Standard，DES） 是由IBM公司在1971年设计的一个加密算法。 1977年由美国国家标准局（现美国国家标准技术 委员会）作为第46号联邦信息处理标准而采用的 一种数据加密标准。之后，DES成为金融界及其 DES 他非军事行业应用最为广泛的对称加密标准。 DES是分组密码的典型代表，也是第一个被公布 出来的标准算法。DES的算法完全公开，在密码 学史上开创了先河。DES是迄今为止世界上应用 最为广泛的一种分组密码算法。
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2.1.3 对称加密和非对称加密
以密钥为标准，可将密码系统分为单钥密码系统 和双钥密码系统。 单钥密码系统又称为对称密码或私钥密码系统， 双钥密码系统又称为非对称密码或公钥密码系统。 采用单钥密码系统的加密方法，同一个密钥可同 时用作信息的加密和解密，这种加密方法称为对 称加密，也称作单密钥加密。另一种是采用双钥 密码系统的加密方法，在一个过程中使用两个密 钥，一个用于加密，另一个用于解密，这种加密 方法称为非对称加密，也称为公钥加密，因为其 中的一个密钥是公开的（另一个则需要保密）。
从而得到的密文为“ATKCMOOTOWRRTATA”。
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在双重置换密码体制中，密钥由矩阵的大小以及行、列置 换规则组成。接收者如果知道密钥，就可以通过加密过程 使用的矩阵大小以及行、列的置换规则来进行逆向操作， 从而恢复得到明文。 例如，对于前面得到的密文，可以先写成4×4的矩阵形式， 然后将列进行（3,4,2,1）→（1,2,3,4）的置换，再将行进 3,4,2,1 → 1,2,3,4 行（2 ,3,4,1）→（1,2,3,4）的置换。操作如下：
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2.1.1 数据加密的必要性
数据失密的风险
源站 目的站
截获
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2.1.2 数据加密的基本概念
密码技术通过信息的变换或编码，将机密的敏感 消息变换成为难以读懂的乱码字符，以此达到两 个目的：一是使不知道如何解密的窃听者不可能 由其截获的乱码中得到任何有意义的信息；二是 使窃听者不可能伪造任何乱码型的信息。 研究密码技术的学科称为密码学，其中密码编码 学主要对信息进行编码，实现信息隐蔽；而密码 分析学研究分析破译密码的学问。两者相互对立， 而又相互促进。
第2章 数据加密技术及应用
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2.1 数据加密概述
在计算机网络中，我们需要一种措施来保护数据 的安全性，防止被一些别有用心的人利用或破坏， 这在客观上就需要一种强有力的安全措施来保护 机密数据不被窃取或篡改。 数据加密技术是为了提高信息系统及数据的安全 性和保密性，防止秘密数据被外部破析所采用的 主要技术手段之一。
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非对称加密 在非对称加密中，加密密钥与解密密钥不同，此 时不需要通过安全通道来传输密钥，只需要利用 本地密钥发生器产生解密密钥，并以此进行解密 操作。由于非对称加密的加密和解密不同，且能 够公开加密密钥，仅需要保密解密密钥，所以不 存在密钥管理问题。非对称加密的另一个优点是 可以用于数字签名。但非对称加密的缺点是算法 一般比较复杂，加密和解密的速度较慢。
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加密的目的是防止机密信息的泄露，同时还可以 用于证实信息源的真实性，验证所接收到的数据 的完整性。 加密系统是指对信息进行编码和解码所使用的过 程、算法和方法的统称。加密通常需要使用隐蔽 的转换，这个转换需要使用密钥进行加密，并使 用相反的过程进行解密。
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2.4.1 Feistel密码结构
Feistel密码结构是一种密码设计的结构，而 非一个具体的密码产品，现在正在使用的 几乎所有重要的对称分组密码都使用Feistel 结构。
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如图2-6所示，Feistel密码结构中，大小为 2w位的明文P被分成左右两部分（各w位， 初值为L0和R0） 进行多轮运算，每轮的输入为Li-1、Ri-1和子 密钥ki，得到输出为Li、Ri，其中： Li=Ri-1 Ri=Li-1⊕F(Ri-1,ki) 其中F为轮函数。
然后，按照（1,2,3,4）→（2 ,3,4,1）的规则进 行行置换，然后再按照（1,2,3,4）→（3,4,2,1） 的规则进行列置换。操作如下：
t a t a c k a t a t k c c k a t t o m o m o o t → → t o m o r r o w o w r r r r o w a t t a t a t a
端对端加密
为了解决链路加密和节点对节点加密中存在 的不足，人们提出了端对端加密方式。端对端加 密又称脱线加密或包加密，它允许数据在从源节 点被加密后，到终点的传输过程中始终以密文形 式存在，消息在到达终点之前不进行解密，只有 消息到达目的节点后才被解密。因为消息在整个 传输过程中均受到保护，所以即使有节点被损坏 也不会使消息泄露。
通常，将加密前的原始数据或消息称为明文（plaintext）， 而将加密后的数据称为密文（ciphertext），在密码中使用并 且只有收发双方才知道的信息称为密钥（key）。 通过使用密钥将明文转换成密文的过程称为加密，其反向过 程（将密文转换为原来的明文）称为解密。 对明文进行加密时采用的一组规则称为加密算法。对密文解 密时采用的一组规则称为解密算法。加密算法和解密算法是 在一组仅有合法用户知道的密钥的控制下进行的，加密和解 密过程中使用的密钥分别称为加密密钥和解密密钥。