計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全中密碼學(xué)的作用

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摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和信息社會(huì)的到來，通過網(wǎng)絡(luò)交換信息已經(jīng)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(xué)常常用于軍事、政治等機(jī)密性部門之中。然而，由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們?cè)S多使用的計(jì)算機(jī)軟件的安全需要依賴于密碼技術(shù)。因此，密碼學(xué)逐步的發(fā)展成為一個(gè)綜合性的學(xué)科，它涉及的學(xué)科非常之多，與信息論、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等都有著緊密的聯(lián)系。密碼學(xué)在保障網(wǎng)絡(luò)信息的完整性、真實(shí)性和機(jī)密性發(fā)揮了及其大的作用，這些方面都大大提升了網(wǎng)絡(luò)的安全性。本文主要闡述了密碼學(xué)的基本理論和它的技術(shù)應(yīng)用，希望能為研究人員提供一定的幫助。

關(guān)鍵詞：密碼學(xué)；網(wǎng)絡(luò)安全；計(jì)算機(jī)；加密；解密

引言

密碼學(xué)是一門研究如何編制和破譯密碼的學(xué)科。在現(xiàn)代，密碼學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域之中，除了保護(hù)信息的機(jī)密性之外，還包括數(shù)字簽名、安全協(xié)議、權(quán)限管理和身份鑒別等方面的技術(shù)。它是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，因此，它經(jīng)常作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支學(xué)科。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和信息時(shí)代的到來，各種計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用逐漸的出現(xiàn)在了人們的日常生活之中，例如電子商務(wù)、電子金融、電子政務(wù)等，這些都是必須要保證信息安全的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，密碼學(xué)也在網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用中得到不斷地發(fā)展。因此，密碼學(xué)也成為了網(wǎng)絡(luò)安全中的一門基礎(chǔ)學(xué)科。

1關(guān)于密碼學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)介

密碼學(xué)的發(fā)展源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，甚至有幾千年的歷史。發(fā)展階段主要分為三個(gè)時(shí)期：古典密碼時(shí)期、近代密碼時(shí)期和現(xiàn)代密碼時(shí)期。古典密碼時(shí)期就長(zhǎng)達(dá)數(shù)千年，雖然這一時(shí)期的密碼形式多樣，但是多為簡(jiǎn)單的手工書寫，其中的加密方法包括文字的替換、隱寫術(shù)等等。近代密碼時(shí)期，大多用無線電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，在近代密碼時(shí)期，出現(xiàn)了無線電密碼技術(shù)。在那時(shí)，專門用來加密密碼的輪轉(zhuǎn)機(jī)雖然大大提高了加密速度，但是產(chǎn)生的密鑰數(shù)量卻是有限的，很容易就被破解掉。因此，密碼技術(shù)在近代還不能稱之為一門真正意義上的學(xué)科。因此，也有學(xué)者認(rèn)為近代密碼時(shí)期和古典密碼時(shí)期應(yīng)該合為同一個(gè)時(shí)期。在近代時(shí)期，幾乎沒有過關(guān)于密碼學(xué)相關(guān)的文獻(xiàn)，直到香農(nóng)發(fā)表的一篇論文。他將信息論這一概念引入密碼學(xué)之中，引入了不確定性、唯一解距離等計(jì)算方法，為現(xiàn)代密碼學(xué)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此后，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局了DES（數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)），并應(yīng)用于多個(gè)部門。隨后，著名的密碼學(xué)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(xué)這門學(xué)科的新領(lǐng)域。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，過去人們認(rèn)為足夠安全的DES算法，已經(jīng)不夠安全了。于是，比利時(shí)的幾位密碼學(xué)家提出了新的AES算法，取代了從前的DES算法。此后，密碼學(xué)的研究逐漸走向了高潮，在信息時(shí)代的今天，人們更是離不開密碼學(xué)技術(shù)。

2密碼學(xué)的基本理論

2.1密碼學(xué)的基本要素

密碼學(xué)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(gè)元素成為密碼學(xué)的一個(gè)密碼系統(tǒng)。消息空間，又稱為銘文空間，就是還沒有進(jìn)行加密處理的消息集合。密文空間同理，指經(jīng)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(gè)可變的參數(shù)，用于解開加密信息或者偽裝信息的一把“鑰匙”。密鑰根據(jù)一定的規(guī)則和算法，也就是加密算法（解密算法），把明文（密文）轉(zhuǎn)換成密文（明文）。簡(jiǎn)單來說，在密碼學(xué)中，我們認(rèn)為這個(gè)密碼系統(tǒng)是不是足夠安全，要看這個(gè)密碼系統(tǒng)是否容易被破解。如果密碼破譯者能夠直接根據(jù)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(gè)密碼系統(tǒng)的密鑰序列，那么我們就稱這個(gè)密碼系統(tǒng)是不夠安全的。另外，一個(gè)安全的密碼系統(tǒng)還應(yīng)該滿足的是，消息接收者能夠得到完整并且真實(shí)的消息，加密和解密的算法也應(yīng)該相對(duì)于簡(jiǎn)單輕便。

2.2密碼學(xué)的基本功能

密碼學(xué)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(xué)僅僅是可以對(duì)文字進(jìn)行加解密操作，但隨著科技技術(shù)的發(fā)展，如今已經(jīng)可以對(duì)語音、圖像等進(jìn)行加解密操作了。密碼學(xué)對(duì)信息提供的保護(hù)主要有四個(gè)方面：機(jī)密性、數(shù)據(jù)完整性、鑒別和不可否認(rèn)性。

2.2.1機(jī)密性只允許被授權(quán)的用戶查看信息內(nèi)容，非授權(quán)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(shù)據(jù)完整性指數(shù)據(jù)或信息在傳遞過程中不被受到非授權(quán)的修改或破壞。非授權(quán)修改包括對(duì)信息的篡改、刪除、插入等，通常通過數(shù)據(jù)簽名、數(shù)據(jù)加密等技術(shù)來保證對(duì)數(shù)據(jù)的完整性。另外，用戶本身也需要能夠檢測(cè)出非法操作的能力。

2.2.3鑒別鑒別，包括對(duì)用戶身份和數(shù)據(jù)來源的識(shí)別。對(duì)于一次安全的通信過程，通信雙方必須都為預(yù)期的身份，這是所說的身份的識(shí)別。即非法用戶不能夠冒充通信的對(duì)方去獲取信息，雙方能夠?qū)?duì)方的身份進(jìn)行鑒別。對(duì)于數(shù)據(jù)，能夠由所預(yù)期的實(shí)體發(fā)送或者接受，這就是對(duì)數(shù)據(jù)來源的識(shí)別?？梢酝ㄟ^數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名等技術(shù)來保證這種鑒別服務(wù)，從提供數(shù)據(jù)鑒別這方面的服務(wù)來說，密碼學(xué)的鑒別服務(wù)也包括了數(shù)據(jù)完整性服務(wù)。

2.2.4不可否認(rèn)性發(fā)送方不能否認(rèn)自己發(fā)送信息的行為。接收方收到信息后，也不能夠否認(rèn)自己接收到了發(fā)送方的信息，即密碼學(xué)的不可否認(rèn)性?？梢酝ㄟ^對(duì)稱加密算法或者非對(duì)稱加算法來實(shí)現(xiàn)這服務(wù)。密碼學(xué)實(shí)質(zhì)上就是研究如何讓信息具有機(jī)密性、數(shù)據(jù)完整性、可鑒別性和不可否認(rèn)性的一門學(xué)科。它主要包含兩個(gè)分支：密碼編碼學(xué)和密碼分析學(xué)。密碼編碼學(xué)就是研究安全的密碼協(xié)議。在密碼學(xué)中，除了加密算法之外，密碼協(xié)議也一樣重要。密碼協(xié)議就是指使用密碼技術(shù)的通信協(xié)議，用來保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性。密碼分析，就是研究如何破解密碼的學(xué)科。

2.3密碼系統(tǒng)的安全性

一個(gè)密碼系統(tǒng)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(guān)系。一個(gè)密碼算法本身具有的安全性，是密碼系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)保證，它取決于密碼的設(shè)計(jì)水平等等。攻擊者如果想要破譯一個(gè)密碼系統(tǒng)，還可以通過非技術(shù)手段來達(dá)到目的。例如，收買相關(guān)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(gè)密碼算法的安全性并不能完全代表一個(gè)密碼系統(tǒng)的安全。

2.4如何評(píng)估密碼系統(tǒng)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(duì)破譯該密碼系統(tǒng)有意的信息，即無法破譯此密碼系統(tǒng)。我們稱這樣的密碼系統(tǒng)具有無條件安全性。但是，這種密碼體制卻難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槠涿荑€的生成和管理都極其苦難，并且不能夠重復(fù)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(gè)很困難的問題相關(guān)（數(shù)學(xué)問題），例如計(jì)算離散對(duì)數(shù)等，這些數(shù)學(xué)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(jì)算安全性計(jì)算安全性，又稱為實(shí)際安全性。指攻擊者所擁有的計(jì)算資源還達(dá)不到破解此密碼體制的資源。密碼學(xué)中所認(rèn)為的計(jì)算不可破譯是指，攻擊者受到資源的限制，不能夠在一定時(shí)間之內(nèi)破解此密碼體制，那么我們就可以認(rèn)為此密碼體制是不可破譯的。

2.4.4總結(jié)綜上所述，一個(gè)密碼體制要滿足安全性，需要它在破解時(shí)，計(jì)算量非常之大，花費(fèi)的計(jì)算時(shí)間非常之多，使攻擊者實(shí)際上是無法實(shí)現(xiàn)的?；蛘呤?，它的實(shí)際價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如破解它時(shí)所花費(fèi)的費(fèi)用。以上滿足任何一點(diǎn)，我們就可以稱此密碼體制是足夠安全的。

3密碼學(xué)常用加密方法

3.1對(duì)稱加密算法

對(duì)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(duì)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(fā)生了泄露，那么這些密碼系統(tǒng)的安全性將會(huì)受到很大的威脅。常見的一些對(duì)稱加密算法有：DES算法、AES算法、IDEA算法等等。本文將會(huì)就其中兩個(gè)最為常見的算法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

3.1.1DES算法DES算法，即美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局在1977年的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)。DES的參數(shù)有：Key（密鑰）、Data和Mode。DES算法的兩個(gè)原則為混淆和擴(kuò)散?；煜哪康氖菫榱耸姑芪呐c密鑰之間的關(guān)系更加復(fù)雜。擴(kuò)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(duì)密碼的破譯。DES算法的變體是3DES算法。DES算法如今已經(jīng)被破解，所以已經(jīng)不再是安全的密碼算法了，3DES算法已經(jīng)在向AES算法逐漸的過渡。

3.1.2AES算法AES算法，是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，用來代替已經(jīng)逐漸被淘汰的DES算法。在對(duì)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(shí)間很短，對(duì)內(nèi)存的要求也不是很高，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于DES算法。AES為分組密碼，即把明文分為等長(zhǎng)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(zhǎng)度一般為128、192和256位。

3.2非對(duì)稱加密算法

非對(duì)稱加密算法，又稱公開密鑰算法。非對(duì)稱加密算法中有兩個(gè)密鑰：公開密鑰和私有密鑰。公開密鑰和私有密鑰是兩個(gè)完全不同的密鑰，故而稱為非對(duì)稱加密算法。如果用公開密鑰對(duì)明文進(jìn)行加密，那么只有私有密鑰才能進(jìn)行解密。同理，如果用私有密鑰對(duì)明文進(jìn)行加密，那么只有公開密鑰才能對(duì)明文進(jìn)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(fù)雜，使得密碼系統(tǒng)不是很容易被破解。常見的一些非對(duì)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(huì)就其中幾個(gè)最為常見的算法進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

3.2.1RSA算法RSA算法是目前最有影響力的公鑰算法，因?yàn)樗軌虻謸醮蟛糠值墓?，具有很高的可靠性。它已?jīng)被IOS推為公鑰加密數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。首先，隨機(jī)生成兩個(gè)質(zhì)數(shù)p和q，再算出它們的乘積n（密鑰長(zhǎng)度），計(jì)算出n的歐拉函數(shù)。然后，隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)e，e的范圍在1到n的歐拉函數(shù)之間，且與n的歐拉函數(shù)互質(zhì)，計(jì)算出e對(duì)于n的歐拉函數(shù)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(duì)的過程來看，RSA算法具有很高的隨機(jī)性和安全性，想要破解此算法的密鑰十分困難，因?yàn)镽SA算法運(yùn)行的往往都是大數(shù)運(yùn)算。但是這一點(diǎn)也使得RSA算法本身運(yùn)行的速度非常之慢，比DES算法多出好幾倍的時(shí)間。3.2.2ECC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(chǎn)生的密鑰比RSA算法更小，占用的存儲(chǔ)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(fù)雜，花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)。

3.2.3DSA算法即數(shù)字簽名算法。它的安全性跟RSA算法差不多，但是它隨機(jī)產(chǎn)生的兩個(gè)素?cái)?shù)p和q是公開的，當(dāng)使用p和q時(shí)，就可以確認(rèn)是否被人做了非法操作。

4網(wǎng)絡(luò)安全方面技術(shù)應(yīng)用

4.1數(shù)字簽名技術(shù)

數(shù)字簽名技術(shù)，是非對(duì)稱密碼算法的一種應(yīng)用。它有兩種運(yùn)算，一個(gè)用于簽名，一個(gè)用于驗(yàn)證。只有發(fā)送信息的人員才能產(chǎn)生，它可以有效地證明信息的真實(shí)性，并且具有完整性和不可否認(rèn)性。發(fā)送信息的人員有一對(duì)密鑰，其中一個(gè)是只有本人才知道的私有密鑰，另一個(gè)則是公開的公開密鑰，簽名的時(shí)候用的是私有密鑰，驗(yàn)證的時(shí)候則用公開密鑰。數(shù)字簽名技術(shù)可以提供對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)，對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)信息的安全性。

4.2數(shù)字證書技術(shù)

又稱數(shù)字標(biāo)識(shí)，公開密鑰算法的一種應(yīng)用，由CA中心頒發(fā)的一種證書，具有權(quán)威性。在信息交流之中進(jìn)行加密和解密，來保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。它產(chǎn)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(yàn)證，私有密鑰只有用戶自己才知道，用于解密和簽名認(rèn)證。數(shù)字證書相當(dāng)于用戶的一張身份證，在進(jìn)行電子商務(wù)活動(dòng)時(shí)必須出示數(shù)字證書來驗(yàn)證身份，它具有安全性、唯一性和便利性。它對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息安全也有著很重要的作用，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子商務(wù)在人們的生活中運(yùn)用的越來越多，數(shù)字證書可以避免信息和數(shù)據(jù)的泄露，作為一種加密技術(shù)，有效地保護(hù)了終端。此外，越來越多的釣魚網(wǎng)站和惡意網(wǎng)站出現(xiàn)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，用戶稍有不慎，就會(huì)暴露自己的個(gè)人信息，這很大的影響了網(wǎng)絡(luò)的安全性。數(shù)字證書技術(shù)可以先對(duì)網(wǎng)站進(jìn)行驗(yàn)證，這就極大的避免了有可能造成的損失，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。另外，在網(wǎng)絡(luò)安全方面，數(shù)字證書技術(shù)還可以建立安全電子郵件、身份授權(quán)管理等等。

5結(jié)語

隨著現(xiàn)代量子計(jì)算的發(fā)展，密碼學(xué)也逐漸在發(fā)展進(jìn)化。當(dāng)然，反過來，密碼學(xué)同樣也促進(jìn)了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。密碼學(xué)在網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域有很多重要的作用，例如安全認(rèn)證、數(shù)字簽名、數(shù)字印章等等。密碼學(xué)不僅僅可以提升網(wǎng)絡(luò)的安全性，它在軍事領(lǐng)域也發(fā)揮著很重要的作用，包括射擊學(xué)、彈道學(xué)等等。綜上所述，密碼學(xué)是一門很有發(fā)展前景的綜合性學(xué)科，因此，這門學(xué)科值得我們繼續(xù)進(jìn)行研究。有關(guān)于密碼學(xué)的最新進(jìn)展研究，有興趣的讀者可以自行查閱資料。

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作者：蔣澤宇 單位：哈爾濱理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院