浅谈密码学及其在计算机网络安全中的作用

来源：职称驿站所属分类：计算机网络论文
发布时间：2020-07-13浏览：60次

　　摘要：随着计算机技术的发展和信息社会的到来，通过网络交换信息已经成为人们主要交换信息的方式，所以信息安全就变得尤为重要。在古代，密码学常常用于军事、政治等机密性部门之中。然而，由于现代计算机技术的不断发展，我们许多使用的计算机软件的安全需要依赖于密码技术。因此，密码学逐步的发展成为一个综合性的学科，它涉及的学科非常之多，与信息论、数学、计算机科学等都有着紧密的联系。密码学在保障网络信息的完整性、真实性和机密性发挥了及其大的作用，这些方面都大大提升了网络的安全性。本文主要阐述了密码学的基本理论和它的技术应用，希望能为研究人员提供一定的帮助。

　　关键词：密码学;网络安全;计算机;加密;解密

　　《信息空间》由信息产业部主管，中国电子信息产业发展研究院主办，旨在立于信息社会高度，进行信息时代的价值发现，为信息经济的领衔力量，提供穿透现实的洞察力。

　　0 引言

　　密码学是一门研究如何编制和破译密码的学科。在现代，密码学技术已经应用到了各个领域之中，除了保护信息的机密性之外，还包括数字签名、安全协议、权限管理和身份鉴别等方面的技术。它是实现网絡信息安全的关键技术之一，因此，它经常作为计算机的一个分支学科。随着计算机技术的不断发展和信息时代的到来，各种计算机软件应用逐渐的出现在了人们的日常生活之中，例如电子商务、电子金融、电子政务等，这些都是必须要保证信息安全的网络系统，密码学也在网络安全应用中得到不断地发展。因此，密码学也成为了网络安全中的一门基础学科。

　　1 关于密码学的发展简介

　　密码学的发展源远流长，甚至有几千年的历史。发展阶段主要分为三个时期：古典密码时期、近代密码时期和现代密码时期。古典密码时期就长达数千年，虽然这一时期的密码形式多样，但是多为简单的手工书写，其中的加密方法包括文字的替换、隐写术等等。近代密码时期，大多用无线电技术来实现，在近代密码时期，出现了无线电密码技术。在那时，专门用来加密密码的轮转机虽然大大提高了加密速度，但是产生的密钥数量却是有限的，很容易就被破解掉。因此，密码技术在近代还不能称之为一门真正意义上的学科。因此，也有学者认为近代密码时期和古典密码时期应该合为同一个时期。在近代时期，几乎没有过关于密码学相关的文献，直到香农发表的一篇论文。他将信息论这一概念引入密码学之中，引入了不确定性、唯一解距离等计算方法，为现代密码学的发展打下了坚实的基础。此后，美国国家标准局发布了DES（数据加密标准），并应用于多个部门。随后，著名的密码学家迪菲和赫尔曼首次提出了RAS体制（公钥密码体制），打开了密码学这门学科的新领域。由于计算机技术的飞速发展，过去人们认为足够安全的DES算法，已经不够安全了。于是，比利时的几位密码学家提出了新的AES算法，取代了从前的DES算法。此后，密码学的研究逐渐走向了高潮，在信息时代的今天，人们更是离不开密码学技术。

　　2 密码学的基本理论

　　2.1 密码学的基本要素

　　密码学的五大要素为：消息空间（M）、密文空间（C）、密钥空间（K）、加密算法（E）和解密算法（D），以上五个元素成为密码学的一个密码系统。消息空间，又称为铭文空间，就是还没有进行加密处理的消息集合。密文空间同理，指经过加密处理的消息集合。密钥又分为加密密钥和解密密钥，它通常是一个可变的参数，用于解开加密信息或者伪装信息的一把“钥匙”。密钥根据一定的规则和算法，也就是加密算法（解密算法），把明文（密文）转换成密文（明文）。简单来说，在密码学中，我们认为这个密码系统是不是足够安全，要看这个密码系统是否容易被破解。如果密码破译者能够直接根据密文推算出明文或者密钥，或是密码拦截者可以直接获取这个密码系统的密钥序列，那么我们就称这个密码系统是不够安全的。另外，一个安全的密码系统还应该满足的是，消息接收者能够得到完整并且真实的消息，加密和解密的算法也应该相对于简单轻便。

　　2.2 密码学的基本功能

　　密码学的主要目的就是隐藏信息的真正含义，而不是抹去信息本身。早期的密码学仅仅是可以对文字进行加解密操作，但随着科技技术的发展，如今已经可以对语音、图像等进行加解密操作了。密码学对信息提供的保护主要有四个方面：机密性、数据完整性、鉴别和不可否认性。

　　2.2.1 机密性

　　只允许被授权的用户查看信息内容，非授权用户可以查看加密厚的信息，但是不能破解出其中的真正含义。

　　2.2.2 数据完整性

　　指数据或信息在传递过程中不被受到非授权的修改或破坏。非授权修改包括对信息的篡改、删除、插入等，通常通过数据签名、数据加密等技术来保证对数据的完整性。另外，用户本身也需要能够检测出非法操作的能力。

　　2.2.3 鉴别

　　鉴别，包括对用户身份和数据来源的识别。对于一次安全的通信过程，通信双方必须都为预期的身份，这是所说的身份的识别。即非法用户不能够冒充通信的对方去获取信息，双方能够对对方的身份进行鉴别。对于数据，能够由所预期的实体发送或者接受，这就是对数据来源的识别。可以通过数据加密、数字签名等技术来保证这种鉴别服务，从提供数据鉴别这方面的服务来说，密码学的鉴别服务也包括了数据完整性服务。

　　2.2.4 不可否认性

　　发送方不能否认自己发送信息的行为。接收方收到信息后，也不能够否认自己接收到了发送方的信息，即密码学的不可否认性。可以通过对称加密算法或者非对称加算法来实现这服务。

　　密码学实质上就是研究如何让信息具有机密性、数据完整性、可鉴别性和不可否认性的一门学科。它主要包含两个分支：密码编码学和密码分析学。密码编码学就是研究安全的密码协议。在密码学中，除了加密算法之外，密码协议也一样重要。密码协议就是指使用密码技术的通信协议，用来保证数据的机密性和完整性。密码分析，就是研究如何破解密码的学科。

　　2.3 密码系统的安全性

　　一个密码系统的安全性，跟密码算法本身和除了算法之外的一些因素都有关系。一个密码算法本身具有的安全性，是密码系统安全性的基础保证，它取决于密码的设计水平等等。攻击者如果想要破译一个密码系统，还可以通过非技术手段来达到目的。例如，收买相关的管理人员等等。这些都是可能存在的，密码算法本身之外的一些漏洞。因此，一个密码算法的安全性并不能完全代表一个密码系统的安全。

　　2.4 如何评估密码系统的安全性

　　2.4.1 无条件安全性

　　这种情况是指，攻击者拥有了无限的资源，但是却无法得到任何对破译该密码系统有意的信息，即无法破译此密码系统。我们称这样的密码系统具有无条件安全性。但是，这种密码体制却难以实现，因为其密钥的生成和管理都极其苦难，并且不能够重复使用密钥。

　　2.4.2 可证明安全性

　　指此密码体制的安全性与某个很困难的问题相关（数学问题），例如计算离散对数等，这些数学问题解起来往往非常困难。但是，这种方法并不能完全说明了此密码体制的安全性。

　　2.4.3 计算安全性

　　计算安全性，又称为实际安全性。指攻击者所拥有的计算资源还达不到破解此密码体制的资源。密码学中所认为的计算不可破译是指，攻击者受到资源的限制，不能够在一定时间之内破解此密码体制，那么我们就可以认为此密碼体制是不可破译的。

　　2.4.4 总结

　　综上所述，一个密码体制要满足安全性，需要它在破解时，计算量非常之大，花费的计算时间非常之多，使攻击者实际上是无法实现的。或者是，它的实际价值远远不如破解它时所花费的费用。以上满足任何一点，我们就可以称此密码体制是足够安全的。

　　3 密码学常用加密方法

　　3.1 对称加密算法

　　对称加密，也称为私钥加密。上文提到了，密钥又分为加密密钥与解密密钥。那么，加密密钥是否一定跟解密密钥相同呢？至少在对称加密算法中来说是的。此算法中，加密（解密）密钥可以通过解密（加密）密钥推算出来。这类算法的安全性非常依赖于密钥，如果密钥发生了泄露，那么这些密码系统的安全性将会受到很大的威胁。常见的一些对称加密算法有：DES算法、AES算法、IDEA算法等等。本文将会就其中两个最为常见的算法进行简单介绍。

　　3.1.1 DES算法

　　DES算法，即美国标准局在1977年发布的数据加密标准。DES的参数有：Key（密钥）、Data和Mode。DES算法的两个原则为混淆和扩散。混淆的目的是为了使密文与密钥之间的关系更加复杂。扩散的目的是为了尽可能让每一位明文都较多的作用到密文上，以防攻击者对密码的破译。

　　DES算法的变体是3DES算法。DES算法如今已经被破解，所以已经不再是安全的密码算法了，3DES算法已经在向AES算法逐渐的过渡。

　　3.1.2 AES算法

　　AES算法，是美国标准局发布的高级数据加密标准，用来代替已经逐渐被淘汰的DES算法。在对称加密算法之中，是最常用的一种算法。此算法的密钥建立所需要的时间很短，对内存的要求也不是很高，性能远远优于DES算法。AES为分组密码，即把明文分为等长度的几组，每次只加密一组明文，直到全部明文加密完成。AES算法密钥长度一般为128、192和256位。

　　3.2 非对称加密算法

　　非对称加密算法，又称公开密钥算法。非对称加密算法中有两个密钥：公开密钥和私有密钥。公开密钥和私有密钥是两个完全不同的密钥，故而称为非对称加密算法。如果用公开密钥对明文进行加密，那么只有私有密钥才能进行解密。同理，如果用私有密钥对明文进行加密，那么只有公开密钥才能对明文进行解密。此类算法具有非常高的保密性和安全性，算法比较复杂，使得密码系统不是很容易被破解。常见的一些非对称加密算法有：ECC算法（椭圆曲线加密算法）、RSA算法、DSA算法、背包算法等等。本文将会就其中几个最为常见的算法进行简单介绍。

　　3.2.1 RSA算法

　　RSA算法是目前最有影响力的公钥算法，因为它能够抵挡大部分的攻击，具有很高的可靠性。它已经被IOS推为公钥加密数据标准。首先，随机生成两个质数p和q，再算出它们的乘积n（密钥长度），计算出n的欧拉函数。然后，随机选择一个数e，e的范围在1到n的欧拉函数之间，且与n的欧拉函数互质，计算出e对于n的欧拉函数的模反元素d。最后，n和e就为公有密钥，n和d为私有密钥。由以上RSA算法生成密钥对的过程来看，RSA算法具有很高的随机性和安全性，想要破解此算法的密钥十分困难，因为RSA算法运行的往往都是大数运算。但是这一点也使得RSA算法本身运行的速度非常之慢，比DES算法多出好几倍的时间。

　　3.2.2 ECC算法

　　即椭圆曲线加密算法，也是一种公开密钥算法。ECC算法产生的密钥比RSA算法更小，占用的存储空间较小。并且，ECC算法是双线映射的，具有更高的安全性。但是这也造成了它的加解密过程非常复杂，花费的时间很长。

　　3.2.3 DSA算法

　　即数字签名算法。它的安全性跟RSA算法差不多，但是它随机产生的两个素数p和q是公开的，当使用p和q时，就可以确认是否被人做了非法操作。

　　4 网络安全方面技术应用

　　4.1 数字签名技术

　　数字签名技术，是非对称密码算法的一种应用。它有两种运算，一个用于签名，一个用于验证。只有发送信息的人员才能产生，它可以有效地證明信息的真实性，并且具有完整性和不可否认性。发送信息的人员有一对密钥，其中一个是只有本人才知道的私有密钥，另一个则是公开的公开密钥，签名的时候用的是私有密钥，验证的时候则用公开密钥。数字签名技术可以提供对应的网络安全服务，对于计算机网络安全有着非常重要的作用：防止冒充、防抵赖、身份鉴别等等。这些都极大的提高了网络信息的安全性。

　　4.2 数字证书技术

　　又称数字标识，公开密钥算法的一种应用，由CA中心颁发的一种证书，具有权威性。在信息交流之中进行加密和解密，来保证数据的真实性和完整性。它产生两种密钥，公开密钥和私有密钥，公开密钥是共有的，用来加密和签名验证，私有密钥只有用户自己才知道，用于解密和签名认证。数字证书相当于用户的一张身份证，在进行电子商务活动时必须出示数字证书来验证身份，它具有安全性、唯一性和便利性。它对网络信息安全也有着很重要的作用，随着计算机技术的发展，电子商务在人们的生活中运用的越来越多，数字证书可以避免信息和数据的泄露，作为一种加密技术，有效地保护了终端。此外，越来越多的钓鱼网站和恶意网站出现在计算机网络上，用户稍有不慎，就会暴露自己的个人信息，这很大的影响了网络的安全性。数字证书技术可以先对网站进行验证，这就极大的避免了有可能造成的损失，提高了网络的安全性。另外，在网络安全方面，数字证书技术还可以建立安全电子邮件、身份授权管理等等。

　　5 结语

　　随着现代量子计算的发展，密码学也逐渐在发展进化。当然，反过来，密码学同样也促进了现代计算机技术的发展。密码学在网络安全领域有很多重要的作用，例如安全认证、数字签名、数字印章等等。密码学不仅仅可以提升网络的安全性，它在军事领域也发挥着很重要的作用，包括射击学、弹道学等等。综上所述，密码学是一门很有发展前景的综合性学科，因此，这门学科值得我们继续进行研究。有关于密码学的最新进展研究，有兴趣的读者可以自行查阅资料。

　　参考文献：

　　[1]陈佳康.密码学算法的优化与应用[D].北京邮电大学，2013.

　　[2]郑培凝.身份基密码学的研究与应用[D].上海交通大学，2011.

　　[3]卢开澄.计算机密码学[M].北京：清华大学出版社，2003.

《浅谈密码学及其在计算机网络安全中的作用》

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