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數(shù)據(jù)加密技術(shù)
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有力的安全措施來保護機密數(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，可以很方便的對機密數(shù)據(jù)進行加密和解密。
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)，但是當我們只知道密文的時候，是不容易破譯這些加密算法的（當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到加密的需要。每一個數(shù)據(jù)段（總是一個字節(jié)）對應著“置換表”中的一個偏移量，偏移量所對應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。更進一步講，這種加密算法對于黑客破譯來講是相當直接的，只要找到一個“置換表”就可以了。這種方法在計算機出現(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”，并且按偽隨機的方式使用每個表，這種改進的加密方法已經(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致校驗和出錯。這種方式很久以來就應用于文件的傳輸，例如 xmodem-crc。 這是方法已經(jīng)成為標準，而且有詳細的文檔。但是，基于標準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’，做一個相對應的操作，導出輸入
‘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)分數(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)生一個可重復的但高度隨機化的偽隨機的數(shù)字的序列。一次使用256個表項，使用隨機數(shù)序列來產(chǎn)生密碼轉(zhuǎn)表，如下所示：
把256個隨機數(shù)放在一個距陣中，然后對他們進行排序，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，所以產(chǎn)生這256個字節(jié)的隨機數(shù)使用的是二次偽隨機,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�，可以使用你產(chǎn)生出隨機數(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)生出這些隨機數(shù)的表之后，就可以用來加密數(shù)據(jù)，速度達到每秒鐘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)生的偽隨機序列是很隨意的，可以設計成想要的任何序列。沒有關(guān)于這個隨機序列的詳細的信息，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)生一系列的隨機數(shù)字，比如說，在0和列表中所有的隨機數(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常可靠的來產(chǎn)生一個短的密鑰（經(jīng)常作為一些隨機數(shù)的種子）。這樣一個表還有其他的用處，比如說：來產(chǎn)生一個隨機的字符，計算機游戲中一個物體的隨機的位置等等。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，來提高隨機數(shù)的真正的隨機性和防止會產(chǎn)生一些短的可重復的用于加密的隨機數(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)。
參考文獻：
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cyber knights(new link) http://members.tripod.com/cyberkt/
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bsp;too!) http://www.rsa.com/
netscape's whitepaper on ssl
http://developer1.netscape.com/docs/manuals/security/sslin/contents.htm
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