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數(shù)據(jù)加密技術(shù)

時間：2023-02-20 22:36:20 計算機(jī)論文我要投稿

數(shù)據(jù)加密技術(shù)
發(fā)布時間： 2003-11-3 作者：秩名
我們經(jīng)常需要一種措施來保護(hù)我們的數(shù)據(jù)，防止被一些懷有不良用心的人所看到或者破壞。在信息時代，信息可以幫助團(tuán)體或個人，使他們受益，同樣，信息也可以用來對他們構(gòu)成威脅，造成破壞。在競爭激烈的大公司中，工業(yè)間諜經(jīng)常會獲取對方的情報。因此，在客觀上就需要一種強(qiáng)有力的安全措施來保護(hù)機(jī)密數(shù)據(jù)不被竊取或篡改。數(shù)據(jù)加密與解密從宏觀上講是非常簡單的，很容易理解。加密與解密的一些方法是非常直接的，很容易掌握，可以很方便的對機(jī)密數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。

一：數(shù)據(jù)加密方法

在傳統(tǒng)上，我們有幾種方法來加密數(shù)據(jù)流。所有這些方法都可以用軟件很容易的實現(xiàn)，但是當(dāng)我們只知道密文的時候，是不容易破譯這些加密算法的（當(dāng)同時有原文和密文時，破譯加密算法雖然也不是很容易，但已經(jīng)是可能的了）。最好的加密算法對系統(tǒng)性能幾乎沒有影響，并且還可以帶來其他內(nèi)在的優(yōu)點。例如，大家都知道的pkzip，它既壓縮數(shù)據(jù)又加密數(shù)據(jù)。又如，dbms的一些軟件包總是包含一些加密方法以使復(fù)制文件這一功能對一些敏感數(shù)據(jù)是無效的，或者需要用戶的密碼。所有這些加密算法都要有高效的加密和解密能力。

幸運(yùn)的是，在所有的加密算法中最簡單的一種就是“置換表”算法，這種算法也能很好達(dá)到加密的需要。每一個數(shù)據(jù)段（總是一個字節(jié)）對應(yīng)著“置換表”中的一個偏移量，偏移量所對應(yīng)的值就輸出成為加密后的文件。加密程序和解密程序都需要一個這樣的“置換表”。事實上，80x86 cpu系列就有一個指令‘xlat’在硬件級來完成這樣的工作。這種加密算法比較簡單，加密解密速度都很快，但是一旦這個“置換表”被對方獲得，那這個加密方案就完全被識破了。更進(jìn)一步講，這種加密算法對于黑客破譯來講是相當(dāng)直接的，只要找到一個“置換表”就可以了。這種方法在計算機(jī)出現(xiàn)之前就已經(jīng)被廣泛的使用。

對這種“置換表”方式的一個改進(jìn)就是使用2個或者更多的“置換表”，這些表都是基于數(shù)據(jù)流中字節(jié)的位置的，或者基于數(shù)據(jù)流本身。這時，破譯變的更加困難，因為黑客必須正確的做幾次變換。通過使用更多的“置換表”，并且按偽隨機(jī)的方式使用每個表，這種改進(jìn)的加密方法已經(jīng)變的很難破譯。比如，我們可以對所有的偶數(shù)位置的數(shù)據(jù)使用a表，對所有的奇數(shù)位置使用b表，即使黑客獲得了明文和密文，他想破譯這個加密方案也是非常困難的，除非黑客確切的知道用了兩張表。

與使用“置換表”相類似，“變換數(shù)據(jù)位置”也在計算機(jī)加密中使用。但是，這需要更多的執(zhí)行時間。從輸入中讀入明文放到一個buffer中，再在buffer中對他們重排序，然后按這個順序再輸出。解密程序按相反的順序還原數(shù)據(jù)。這種方法總是和一些別的加密算法混合使用，這就使得破譯變的特別的困難，幾乎有些不可能了。例如，有這樣一個詞，變換起字母的順序，slient 可以變?yōu)閘isten，但所有的字母都沒有變化，沒有增加也沒有減少，但是字母之間的順序已經(jīng)變化了。

但是，還有一種更好的加密算法，只有計算機(jī)可以做，就是字/字節(jié)循環(huán)移位和xor操作。如果我們把一個字或字節(jié)在一個數(shù)據(jù)流內(nèi)做循環(huán)移位，使用多個或變化的方向（左移或右移），就可以迅速的產(chǎn)生一個加密的數(shù)據(jù)流。這種方法是很好的，破譯它就更加困難！而且，更進(jìn)一步的是，如果再使用xor操作，按位做異或操作，就就使破譯密碼更加困難了。如果再使用偽隨機(jī)的方法，這涉及到要產(chǎn)生一系列的數(shù)字，我們可以使用fibbonaci數(shù)列。對數(shù)列所產(chǎn)生的數(shù)做模運(yùn)算（例如模3），得到一個結(jié)果，然后循環(huán)移位這個結(jié)果的次數(shù)，將使破譯次密碼變的幾乎不可能！但是，使用fibbonaci數(shù)列這種偽隨機(jī)的方式所產(chǎn)生的密碼對我們的解密程序來講是非常容易的。

在一些情況下，我們想能夠知道數(shù)據(jù)是否已經(jīng)被篡改了或被破壞了，這時就需要產(chǎn)生一些校驗碼，并且把這些校驗碼插入到數(shù)據(jù)流中。這樣做對數(shù)據(jù)的防偽與程序本身都是有好處的。但是感染計算機(jī)程序的病毒才不會在意這些數(shù)據(jù)或程序是否加過密，是否有數(shù)字簽名。所以，加密程序在每次load到內(nèi)存要開始執(zhí)行時，都要檢查一下本身是否被病毒感染，對與需要加、解密的文件都要做這種檢查！很自然，這樣一種方法體制應(yīng)該保密的，因為病毒程序的編寫者將會利用這些來破壞別人的程序或數(shù)據(jù)。因此，在一些反病毒或殺病毒軟件中一定要使用加密技術(shù)。

循環(huán)冗余校驗是一種典型的校驗數(shù)據(jù)的方法。對于每一個數(shù)據(jù)塊，它使用位循環(huán)移位和xor操作來產(chǎn)生一個16位或32位的校驗和，這使得丟失一位或兩個位的錯誤一定會導(dǎo)致校驗和出錯。這種方式很久以來就應(yīng)用于文件的傳輸，例如 xmodem-crc。這是方法已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，而且有詳細(xì)的文檔。但是，基于標(biāo)準(zhǔn)crc算法的一種修改算法對于發(fā)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)塊中的錯誤和文件是否被病毒感染是很有效的。

二．基于公鑰的加密算法

一個好的加密算法的重要特點之一是具有這種能力：可以指定一個密碼或密鑰，并用它來加密明文，不同的密碼或密鑰產(chǎn)生不同的密文。這又分為兩種方式：對稱密鑰算法和非對稱密鑰算法。所謂對稱密鑰算法就是加密解密都使用相同的密鑰，非對稱密鑰算法就是加密解密使用不同的密鑰。非常著名的pgp公鑰加密以及rsa加密方法都是非對稱加密算法。加密密鑰，即公鑰，與解密密鑰，即私鑰，是非常的不同的。從數(shù)學(xué)理論上講，幾乎沒有真正不可逆的算法存在。例如，對于一個輸入‘a(chǎn)’執(zhí)行一個操作得到結(jié)果‘b’,那么我們可以基于‘b’，做一個相對應(yīng)的操作，導(dǎo)出輸入

‘a(chǎn)’。在一些情況下，對于每一種操作，我們可以得到一個確定的值，或者該操作沒有定義（比如，除數(shù)為0）。對于一個沒有定義的操作來講，基于加密算法，可以成功地防止把一個公鑰變換成為私鑰。因此，要想破譯非對稱加密算法，找到那個唯一的密鑰，唯一的方法只能是反復(fù)的試驗，而這需要大量的處理時間。

rsa加密算法使用了兩個非常大的素數(shù)來產(chǎn)生公鑰和私鑰。即使從一個公鑰中通過因數(shù)分解可以得到私鑰，但這個運(yùn)算所包含的計算量是非常巨大的，以至于在現(xiàn)實上是不可行的。加密算法本身也是很慢的，這使得使用rsa算法加密大量的數(shù)據(jù)變的有些不可行。這就使得一些現(xiàn)實中加密算法都基于rsa加密算法。pgp算法(以及大多數(shù)基于rsa算法的加密方法)使用公鑰來加密一個對稱加密算法的密鑰，然后再利用一個快速的對稱加密算法來加密數(shù)據(jù)。這個對稱算法的密鑰是隨機(jī)產(chǎn)生的，是保密的，因此，得到這個密鑰的唯一方法就是使用私鑰來解密。

我們舉一個例子：假定現(xiàn)在要加密一些數(shù)據(jù)使用密鑰‘12345’。利用rsa公鑰，使用rsa算法加密這個密鑰‘12345’，并把它放在要加密的數(shù)據(jù)的前面（可能后面跟著一個分割符或文件長度，以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和密鑰），然后，使用對稱加密算法加密正文，使用的密鑰就是‘12345’。當(dāng)對方收到時，解密程序找到加密過的密鑰，并利用rsa私鑰解密出來，然后再確定出數(shù)據(jù)的開始位置，利用密鑰‘12345’來解密數(shù)據(jù)。這樣就使得一個可靠的經(jīng)過高效加密的數(shù)據(jù)安全地傳輸和解密。

一些簡單的基于rsa算法的加密算法可在下面的站點找到：

ftp://ftp.funet.fi/pub/crypt/cryptography/asymmetric/rsa

三．一個嶄新的多步加密算法

現(xiàn)在又出現(xiàn)了一種新的加密算法，據(jù)說是幾乎不可能被破譯的。這個算法在1998年6月1日才正式公布的。下面詳細(xì)的介紹這個算法:

使用一系列的數(shù)字（比如說128位密鑰），來產(chǎn)生一個可重復(fù)的但高度隨機(jī)化的偽隨機(jī)的數(shù)字的序列。一次使用256個表項，使用隨機(jī)數(shù)序列來產(chǎn)生密碼轉(zhuǎn)表，如下所示：

把256個隨機(jī)數(shù)放在一個距陣中，然后對他們進(jìn)行排序，使用這樣一種方式（我們要記住最初的位置）使用最初的位置來產(chǎn)生一個表，隨意排序的表，表中的數(shù)字在0到255之間。如果不是很明白如何來做，就可以不管它。但是，下面也提供了一些原碼（在下面）是我們明白是如何來做的�，F(xiàn)在，產(chǎn)生了一個具體的256字節(jié)的表。讓這個隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器接著來產(chǎn)生這個表中的其余的數(shù)，以至于每個表是不同的。下一步，使用"shotgun technique"技術(shù)來產(chǎn)生解碼表�；旧险f，如果 a映射到b，那么b一定可以映射到a，所以b[a[n]] = n.（n是一個在0到255之間的數(shù)）。在一個循環(huán)中賦值，使用一個256字節(jié)的解碼表它對應(yīng)于我們剛才在上一步產(chǎn)生的256字節(jié)的加密表。

使用這個方法，已經(jīng)可以產(chǎn)生這樣的一個表，表的順序是隨機(jī)，所以產(chǎn)生這256個字節(jié)的隨機(jī)數(shù)使用的是二次偽隨機(jī),使用了兩個額外的16位的密碼.現(xiàn)在，已經(jīng)有了兩張轉(zhuǎn)換表，基本的加密解密是如下這樣工作的。前一個字節(jié)密文是這個256字節(jié)的表的索引�；蛘�，為了提高加密效果，可以使用多余8位的值，甚至使用校驗和或者crc算法來產(chǎn)生索引字節(jié)。假定這個表是256*256的數(shù)組,將會是下面的樣子:

crypto1 = a[crypto0][value]

變量'crypto1'是加密后的數(shù)據(jù)，'crypto0'是前一個加密數(shù)據(jù)（或著是前面幾個加密數(shù)據(jù)的一個函數(shù)值）。很自然的，第一個數(shù)據(jù)需要一個“種子”，這個“種子” 是我們必須記住的。如果使用256*256的表，這樣做將會增加密文的長度�；蛘撸梢允褂媚惝a(chǎn)生出隨機(jī)數(shù)序列所用的密碼，也可能是它的crc校驗和。順便提及的是曾作過這樣一個測試: 使用16個字節(jié)來產(chǎn)生表的索引,以128位的密鑰作為這16個字節(jié)的初始的"種子"。然后，在產(chǎn)生出這些隨機(jī)數(shù)的表之后，就可以用來加密數(shù)據(jù)，速度達(dá)到每秒鐘100k個字節(jié)。一定要保證在加密與解密時都使用加密的值作為表的索引，而且這兩次一定要匹配。

加密時所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列是很隨意的，可以設(shè)計成想要的任何序列。沒有關(guān)于這個隨機(jī)序列的詳細(xì)的信息，解密密文是不現(xiàn)實的。例如：一些ascii碼的序列，如“eeeeeeee"可能被轉(zhuǎn)化成一些隨機(jī)的沒有任何意義的亂碼，每一個字節(jié)都依賴于其前一個字節(jié)的密文，而不是實際的值。對于任一個單個的字符的這種變換來說，隱藏了加密數(shù)據(jù)的有效的真正的長度。

如果確實不理解如何來產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)序列，就考慮fibbonacci數(shù)列，使用2個雙字（64位）的數(shù)作為產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的種子，再加上第三個雙字來做xor操作。這個算法產(chǎn)生了一系列的隨機(jī)數(shù)。算法

如下：

unsigned long dw1, dw2, dw3, dwmask;

int i1;

unsigned long arandom[256];

dw1 = {seed #1};

dw2 = {seed #2};

dwmask = {seed #3};

// this gives you 3 32-bit "seeds", or 96 bits total

for(i1=0; i1 < 256; i1++)

{

dw3 = (dw1 + dw2) ^ dwmask;

arandom[i1] = dw3;

dw1 = dw2;

dw2 = dw3;

}

如果想產(chǎn)生一系列的隨機(jī)數(shù)字，比如說，在0和列表中所有的隨機(jī)數(shù)之間的一些數(shù)，就可以使用下面的方法：

int __cdecl mysortproc(void *p1, void *p2)

{

unsigned long **pp1 = (unsigned long **)p1;

unsigned long **pp2 = (unsigned long **)p2;

if(**pp1 < **pp2)

return(-1);

else if(**pp1 > *pp2)

return(1);

return(0);

}

...

int i1;

unsigned long *aprandom[256];

unsigned long arandom[256]; // same array as before, in this case

int aresult[256]; // results go here

for(i1=0; i1 < 256; i1++)

{

aprandom[i1] = arandom + i1;

}

// now sort it

qsort(aprandom, 256, sizeof(*aprandom), mysortproc);

// final step - offsets for pointers are placed into output array

for(i1=0; i1 <

256; i1++)

{

aresult[i1] = (int)(aprandom[i1] - arandom);

}

...

變量'aresult'中的值應(yīng)該是一個排過序的唯一的一系列的整數(shù)的數(shù)組，整數(shù)的值的范圍均在0到255之間。這樣一個數(shù)組是非常有用的，例如：對一個字節(jié)對字節(jié)的轉(zhuǎn)換表，就可以很容易并且非�？煽康膩懋a(chǎn)生一個短的密鑰（經(jīng)常作為一些隨機(jī)數(shù)的種子）。這樣一個表還有其他的用處，比如說：來產(chǎn)生一個隨機(jī)的字符，計算機(jī)游戲中一個物體的隨機(jī)的位置等等。上面的例子就其本身而言并沒有構(gòu)成一個加密算法，只是加密算法一個組成部分。

作為一個測試，開發(fā)了一個應(yīng)用程序來測試上面所描述的加密算法。程序本身都經(jīng)過了幾次的優(yōu)化和修改，來提高隨機(jī)數(shù)的真正的隨機(jī)性和防止會產(chǎn)生一些短的可重復(fù)的用于加密的隨機(jī)數(shù)。用這個程序來加密一個文件，破解這個文件可能會需要非常巨大的時間以至于在現(xiàn)實上是不可能的。

四．結(jié)論：

由于在現(xiàn)實生活中，我們要確保一些敏感的數(shù)據(jù)只能被有相應(yīng)權(quán)限的人看到，要確保信息在傳輸?shù)倪^程中不會被篡改，截取，這就需要很多的安全系統(tǒng)大量的應(yīng)用于政府、大公司以及個人系統(tǒng)。數(shù)據(jù)加密是肯定可以被破解的，但我們所想要的是一個特定時期的安全，也就是說，密文的破解應(yīng)該是足夠的困難，在現(xiàn)實上是不可能的，尤其是短時間內(nèi)。

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