【 摘 要 】 以微軟基類庫為基礎(chǔ),設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于MS.NET的RSA、DES加密應(yīng)用。信息安全愈來愈在經(jīng)濟社會中占有和發(fā)揮重要影響,信息管理專業(yè)中加密解密教學(xué)要貼近實際。這要求教學(xué)過程中須特別注意實踐動手能力培養(yǎng),單純講解理論是不夠的。首先分析了RSA、DES的基本特征和可借用平臺,然后基于.NET討論了實現(xiàn)的主要步驟和關(guān)鍵技術(shù),給出了核心部分代碼。經(jīng)驗表明,只要引導(dǎo)科學(xué),學(xué)生能夠在高級平臺上,借助已有類庫撐握和實現(xiàn)對稱加密和RSA算法基本應(yīng)用。本文可供相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)者在進行加密學(xué)習(xí)時參考。
【 關(guān)鍵詞 】 微軟基類庫;RSA;DES;教學(xué)
【 中圖分類號 】 TP393 【 文獻標識碼 】 A
1 引言
加密解密是主動信息安全中的重要內(nèi)容。加密解密部分不但需要對基本原理了解,更要能熟練撐握應(yīng)用現(xiàn)有編程平臺進行加密解密程序的設(shè)計實現(xiàn)。但公開文獻中對加密算法優(yōu)化改進的多,對具體操作實現(xiàn)進行討論的少,相關(guān)具有較高參考價值且操作性強的分析和研究更不多見。本文將選擇其中最為基礎(chǔ)和最重要的DES和RSA算法,探討實現(xiàn)方法與步驟。
由Riverst、Shami、Allandeman(RSA)所設(shè)計的基于大數(shù)分解困難的非對稱加密算法RSA,是當今仍有較高可靠性且仍在廣泛使用的加密算法,也是非對稱算法中的重要代表。在非對稱加密算法中RSA是基礎(chǔ)性知識,能應(yīng)用RSA進行機密消息加密就能夠進一步推廣到其他算法如DSA。對稱算法中,雖然DES(Data Encryption Standard)存在密鑰空間小、明文分段小,容易出現(xiàn)密文重復(fù)導(dǎo)致猜解等種種不足,似乎針以DES攻擊償試從來就斷過,但其他如3DES算法核心思想是一致的。故當前對稱算法中原理仍然以DES為主。
掌握DES、RSA后,就能夠舉一反三學(xué)習(xí)其他對稱、非對稱加密方法,因此建立DES、RSA算法及其應(yīng)用是必要的。本文首先分析了微軟.NET框架對加密解密部分的設(shè)計思路,介紹了實現(xiàn)DES和RSA的類庫原型,然后基于MS.NET類庫設(shè)計并實現(xiàn)了一個分別應(yīng)用RSA和DES算法的加密解密程序。
2 加密算法和微軟加密基類庫
在Java和C#兩大主流開發(fā)方向上,盡管C#因為必須用到微軟基類庫且屬商業(yè)化非開源軟件,而受到諸多限制。但鑒于國內(nèi)Windows居于絕對統(tǒng)治地位,還是有相當部分國內(nèi)軟件開發(fā)是基于Windows平臺,微軟加密服務(wù)的研究和用應(yīng)都不少。加密技術(shù)隨著互聯(lián)網(wǎng)和商業(yè)系統(tǒng)安全問題的日益突出和國內(nèi)對系統(tǒng)安全重要性的認識,已經(jīng)逐步在各種實際應(yīng)用中開展。在部分非計算機專業(yè)中學(xué)習(xí)加密解密,選C#在NET框架下開發(fā)是可行的,也幾乎是唯一選項。私鑰加密算法使用單密鑰來加密和解密數(shù)據(jù)。私鑰加密算法的速度快(與公鑰算法相比),主要適用于對較大的數(shù)據(jù)流進行加密轉(zhuǎn)換,在可加密數(shù)據(jù)容量方面基本沒有局限。
同一密鑰既能加密也同時能解密,密鑰本身的安全性及信任機制就非常重要。微軟在.NET加密命名空間中提供的私鑰加密算法主要有:AesManaged、DES、RC2、RijndaelManaged、TripleDES。其中DES是教材中講授內(nèi)容,AESmanaged、3DES與DES原理使用方法基本相同,掌握其中一種即能觸類旁通。
公鑰加密算法使用一個保密的私鑰和一個公開的公鑰進行加密解密數(shù)據(jù),因其密鑰不同又稱用非對稱密鑰算法。公鑰和私鑰相互對應(yīng),用公鑰加密的數(shù)據(jù)只能用私鑰解密,而用私鑰加密(簽名)的數(shù)據(jù)只能用公鑰解密(驗證),二者能互換。加密命名空間提供的公鑰算法主要有:DSA、RSA、ECDiffieHellman,其中最有代表性的即RSA。RSA 允許同時進行加密和簽名,但 DSA 只能用于簽名,Diffie-Hellman 只能用于生成密鑰。通常情況下,公鑰算法比私鑰算法具有更多的使用限制。
3 基本實現(xiàn)方法
3.1 DES實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
DES是IBM在20世紀70年應(yīng)美國家標準局征集設(shè)計出的56位短密鑰分塊對稱加密方法,效率高,實現(xiàn)容易。1976年被國家標準局采納,作為非機密領(lǐng)域數(shù)據(jù)加密。盡管現(xiàn)在看來DES密鑰空間太小,易遭受暴力攻擊,但DES開創(chuàng)了依附密鑰保密而不是算法保密的時代,DES是第一種進入社會生活的對稱加密算法。通常在學(xué)習(xí)對稱加密時都會以DES為對象詳細分析和學(xué)習(xí)其算法。
有關(guān)DES算法的流程眾多文獻中都有,這里不再復(fù)述。下面以微軟加密命名空間為基礎(chǔ),討論其實現(xiàn)過程。首先定義加密明文和密文的文件流,定義分塊加密時所用的暫存緩沖區(qū)。
FileStream FSin = new FileStream(inName, FileMode.Open, FileAccess.Read);
FileStream FSout = new FileStream(outName, FileMode.OpenOrCreate, FileAccess.Write);
FSout.SetLength(0); byte[] buff = new byte[100];
long FileInLen = FSin.Length; //明文總長.
int m; long enLen = 0; //已完成加密的明文長度。
然后實例化DES加密類DES Crypto Service Provider,再將實參:加密輸現(xiàn)數(shù)據(jù)流,初始化參數(shù)等傳入加密對象。依次將明文分塊讀入已設(shè)計好的加密實例中,并將密文同步輸出到密文流,就能夠最終得到密文。
DES des = new DESCryptoServiceProvider();
CryptoStream encStream = new CryptoStream(FSout, des.CreateEncryptor(desKey, desIV), CryptoStreamMode.Write);endprint
while (enLen < FileInLen )
{ m = FSin.Read(buff, 0, 100);
encStream.Write(buff, 0, len);enLen+=m;
}
DES的防猜測改進:關(guān)于desIV。前述DES加密中原型中,desKey為加密密鑰的二進制, 但desIV在教材和DES算法中并未提及。這由DES算法本身的脆弱性及應(yīng)用特點決定。
DES算法因簡單高效,主要用于大塊數(shù)據(jù)加密,加密過程明文被分割成均等大小的塊,每一塊單獨應(yīng)用DES算法。這樣,如果明文中存在重復(fù)塊,則輸出的密文流中也必然存在重復(fù)塊。如果明文是純文本,則由概率猜解推知原文的風(fēng)險就非常之大,非法用戶獲知純文本塊結(jié)構(gòu)的任何信息,就可以利用該信息來解密已知的密碼文本塊,并有可能進一步獲知密鑰。為了防范此風(fēng)險,實際應(yīng)用的DES算法中將前一個塊中的信息混合到下一個塊的加密過程中,這樣兩個相同的純文本塊的輸出就變得不同。因此,在第一塊加密時,需指定初始向量,后續(xù)塊的“向量”由前一塊信息自動生成。這個初始向量,就是desIV。
3.2 RSA實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
RSA是基于大素數(shù)乘積分解難題而設(shè)計的加密方法,出于安全性需要素數(shù)選擇不能太小,導(dǎo)致密鑰較長,故RSA加密效率低,主要用于密鑰傳遞等少量數(shù)據(jù)加密場合。通常,密文用DES加密,DES密鑰用RSA加密。以下為應(yīng)用RSA進行字符串加密的源代碼,請注意RSA公鑰和私鑰的存貯方法。
UnicodeEncoding ByteConverter = new UnicodeEncoding();
byte[] dataToEncrypt = yteConverter.GetBytes(this.textBox_Ptext_RSA.Text .Trim ());
byte[] encryptedData,decryptedData;
RSACryptoServiceProvider RSA = new RSACryptoServiceProvider();
encryptedData = RSAEncrypt(dataToEncrypt, RSA.ExportParameters(false), false);
this.textBox_Ctext_RSA.Text=BitConverter.ToString (encryptedData );
this.publickeyRSA = RSA.ExportParameters(false);
this.privatekeyRSA = RSA.ExportParameters(true);
StreamWriter mwriter = new StreamWriter("publickeyRSA.xml");
mwriter.Write(RSA .ToXmlString (false ));mwriter.Close();
mwriter = new StreamWriter("privatekeyRSA.xml");
mwriter.Write(RSA.ToXmlString(true ));mwriter.Close();
MessageBox.Show("已完成加密,PK和SK文件在當前目錄下");
使用中,調(diào)用RSAEncrypt(dataToEncrypt, RSA.ExportParameters(false), false)即將二進制明文dataToEncrypt讀入RSA加密生成密文存入緩沖區(qū)decryptedData。
RSA加密中公鑰私鑰通過RSAParameters結(jié)構(gòu)存貯
RSAParameters publickeyRSA, privatekeyRSA;//構(gòu)造RSAParameters結(jié)構(gòu)
publickeyRSA = RSA.ExportParameters(false);//false僅輸出公鑰;true則將公私鑰一起輸出。
此公私鑰可直接作為參數(shù)傳遞給解密函數(shù)。
如果要序列化成文本存貯,則須通過RSA .ToXmlString (false )方法:
StreamWriter mwriter= new Stream Writer ("publickeyRSA.xml")
mwriter.Write(RSA .ToXmlString (false ));
mwriter.Close();
由經(jīng)此,可在程序根目錄下,生成只包括公鑰的publickey。
4 程序原型與應(yīng)用
圖1為制作完成的“獅子山加密工具包”功能界面。實現(xiàn)了DES算法對字符串、文件的加密解密;RSA算法對字符串的加密解密;也提供MD5、SHA1文件摘要功能。程序請見投稿附件 “獅子山加密.rar”。
在實際教學(xué)過程中,通過課堂講解和教師的實際動手示范,所在專業(yè)(信息管理與信息系統(tǒng))學(xué)生中已經(jīng)有少數(shù)能夠制作類似簡單的加解密程序。大多數(shù)學(xué)生也通過此案例講解,加深了對教材知識點的理解,更重要是是增強了大多數(shù)同學(xué)制用和應(yīng)用DES、RSA程序的信心,這對于提高專業(yè)學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣是很有裨益的。
5 結(jié)束語
本文以微軟.NET框架類庫為基礎(chǔ),討論并展示和實現(xiàn)了DES、RSA的具體方法。在信息安全教學(xué)過程中,以此操作練習(xí)為基礎(chǔ),能避免單純的理論講解,使信息管理專業(yè)學(xué)生能夠在教師示范下,利用高級編程平臺已有類庫將對稱加密和RSA算法進行基本應(yīng)用,從而提高非計算機專業(yè)學(xué)生加密解密知識點的學(xué)習(xí)效果。
參考文獻
[1] 秦艷琳,吳曉平.基于.NET的TripleDES算法在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件,2010,27(11):53-55.
[2] 張基溫.信息安全與保密教程[M].北京:清華大學(xué)出版,2008.
[3] 陳開顏,張鵬,鄧高明等.物理可觀測下DES的安全性研究[J].電子學(xué)報,2009,37(11):2389-2395.
[4] 趙為強,謝吉華 使用Microsoft Crypto API開發(fā)基于USB電子鑰匙的CSP[J].2003,(11):33-34
[5] 熊小兵,高俊玲.微軟信息密碼系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].計算機與信息技術(shù),2006,(7):73-76.
[6] 李顯峰,王淵,魏聰明.基于Microsoft .NET框架加密技術(shù)的SQL Server安全登錄機制研[J].電腦知識與技術(shù),2009,15(22):6151-6152.
[7] 盧開澄.計算機密碼學(xué)[M].北京:清華出版社,2003.
作者簡介:
章德賓(1975-),男,山東諸城人,博士,副教授;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域:系統(tǒng)模擬、信息管理。endprint
while (enLen < FileInLen )
{ m = FSin.Read(buff, 0, 100);
encStream.Write(buff, 0, len);enLen+=m;
}
DES的防猜測改進:關(guān)于desIV。前述DES加密中原型中,desKey為加密密鑰的二進制, 但desIV在教材和DES算法中并未提及。這由DES算法本身的脆弱性及應(yīng)用特點決定。
DES算法因簡單高效,主要用于大塊數(shù)據(jù)加密,加密過程明文被分割成均等大小的塊,每一塊單獨應(yīng)用DES算法。這樣,如果明文中存在重復(fù)塊,則輸出的密文流中也必然存在重復(fù)塊。如果明文是純文本,則由概率猜解推知原文的風(fēng)險就非常之大,非法用戶獲知純文本塊結(jié)構(gòu)的任何信息,就可以利用該信息來解密已知的密碼文本塊,并有可能進一步獲知密鑰。為了防范此風(fēng)險,實際應(yīng)用的DES算法中將前一個塊中的信息混合到下一個塊的加密過程中,這樣兩個相同的純文本塊的輸出就變得不同。因此,在第一塊加密時,需指定初始向量,后續(xù)塊的“向量”由前一塊信息自動生成。這個初始向量,就是desIV。
3.2 RSA實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
RSA是基于大素數(shù)乘積分解難題而設(shè)計的加密方法,出于安全性需要素數(shù)選擇不能太小,導(dǎo)致密鑰較長,故RSA加密效率低,主要用于密鑰傳遞等少量數(shù)據(jù)加密場合。通常,密文用DES加密,DES密鑰用RSA加密。以下為應(yīng)用RSA進行字符串加密的源代碼,請注意RSA公鑰和私鑰的存貯方法。
UnicodeEncoding ByteConverter = new UnicodeEncoding();
byte[] dataToEncrypt = yteConverter.GetBytes(this.textBox_Ptext_RSA.Text .Trim ());
byte[] encryptedData,decryptedData;
RSACryptoServiceProvider RSA = new RSACryptoServiceProvider();
encryptedData = RSAEncrypt(dataToEncrypt, RSA.ExportParameters(false), false);
this.textBox_Ctext_RSA.Text=BitConverter.ToString (encryptedData );
this.publickeyRSA = RSA.ExportParameters(false);
this.privatekeyRSA = RSA.ExportParameters(true);
StreamWriter mwriter = new StreamWriter("publickeyRSA.xml");
mwriter.Write(RSA .ToXmlString (false ));mwriter.Close();
mwriter = new StreamWriter("privatekeyRSA.xml");
mwriter.Write(RSA.ToXmlString(true ));mwriter.Close();
MessageBox.Show("已完成加密,PK和SK文件在當前目錄下");
使用中,調(diào)用RSAEncrypt(dataToEncrypt, RSA.ExportParameters(false), false)即將二進制明文dataToEncrypt讀入RSA加密生成密文存入緩沖區(qū)decryptedData。
RSA加密中公鑰私鑰通過RSAParameters結(jié)構(gòu)存貯
RSAParameters publickeyRSA, privatekeyRSA;//構(gòu)造RSAParameters結(jié)構(gòu)
publickeyRSA = RSA.ExportParameters(false);//false僅輸出公鑰;true則將公私鑰一起輸出。
此公私鑰可直接作為參數(shù)傳遞給解密函數(shù)。
如果要序列化成文本存貯,則須通過RSA .ToXmlString (false )方法:
StreamWriter mwriter= new Stream Writer ("publickeyRSA.xml")
mwriter.Write(RSA .ToXmlString (false ));
mwriter.Close();
由經(jīng)此,可在程序根目錄下,生成只包括公鑰的publickey。
4 程序原型與應(yīng)用
圖1為制作完成的“獅子山加密工具包”功能界面。實現(xiàn)了DES算法對字符串、文件的加密解密;RSA算法對字符串的加密解密;也提供MD5、SHA1文件摘要功能。程序請見投稿附件 “獅子山加密.rar”。
在實際教學(xué)過程中,通過課堂講解和教師的實際動手示范,所在專業(yè)(信息管理與信息系統(tǒng))學(xué)生中已經(jīng)有少數(shù)能夠制作類似簡單的加解密程序。大多數(shù)學(xué)生也通過此案例講解,加深了對教材知識點的理解,更重要是是增強了大多數(shù)同學(xué)制用和應(yīng)用DES、RSA程序的信心,這對于提高專業(yè)學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣是很有裨益的。
5 結(jié)束語
本文以微軟.NET框架類庫為基礎(chǔ),討論并展示和實現(xiàn)了DES、RSA的具體方法。在信息安全教學(xué)過程中,以此操作練習(xí)為基礎(chǔ),能避免單純的理論講解,使信息管理專業(yè)學(xué)生能夠在教師示范下,利用高級編程平臺已有類庫將對稱加密和RSA算法進行基本應(yīng)用,從而提高非計算機專業(yè)學(xué)生加密解密知識點的學(xué)習(xí)效果。
參考文獻
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[7] 盧開澄.計算機密碼學(xué)[M].北京:清華出版社,2003.
作者簡介:
章德賓(1975-),男,山東諸城人,博士,副教授;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域:系統(tǒng)模擬、信息管理。endprint
while (enLen < FileInLen )
{ m = FSin.Read(buff, 0, 100);
encStream.Write(buff, 0, len);enLen+=m;
}
DES的防猜測改進:關(guān)于desIV。前述DES加密中原型中,desKey為加密密鑰的二進制, 但desIV在教材和DES算法中并未提及。這由DES算法本身的脆弱性及應(yīng)用特點決定。
DES算法因簡單高效,主要用于大塊數(shù)據(jù)加密,加密過程明文被分割成均等大小的塊,每一塊單獨應(yīng)用DES算法。這樣,如果明文中存在重復(fù)塊,則輸出的密文流中也必然存在重復(fù)塊。如果明文是純文本,則由概率猜解推知原文的風(fēng)險就非常之大,非法用戶獲知純文本塊結(jié)構(gòu)的任何信息,就可以利用該信息來解密已知的密碼文本塊,并有可能進一步獲知密鑰。為了防范此風(fēng)險,實際應(yīng)用的DES算法中將前一個塊中的信息混合到下一個塊的加密過程中,這樣兩個相同的純文本塊的輸出就變得不同。因此,在第一塊加密時,需指定初始向量,后續(xù)塊的“向量”由前一塊信息自動生成。這個初始向量,就是desIV。
3.2 RSA實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
RSA是基于大素數(shù)乘積分解難題而設(shè)計的加密方法,出于安全性需要素數(shù)選擇不能太小,導(dǎo)致密鑰較長,故RSA加密效率低,主要用于密鑰傳遞等少量數(shù)據(jù)加密場合。通常,密文用DES加密,DES密鑰用RSA加密。以下為應(yīng)用RSA進行字符串加密的源代碼,請注意RSA公鑰和私鑰的存貯方法。
UnicodeEncoding ByteConverter = new UnicodeEncoding();
byte[] dataToEncrypt = yteConverter.GetBytes(this.textBox_Ptext_RSA.Text .Trim ());
byte[] encryptedData,decryptedData;
RSACryptoServiceProvider RSA = new RSACryptoServiceProvider();
encryptedData = RSAEncrypt(dataToEncrypt, RSA.ExportParameters(false), false);
this.textBox_Ctext_RSA.Text=BitConverter.ToString (encryptedData );
this.publickeyRSA = RSA.ExportParameters(false);
this.privatekeyRSA = RSA.ExportParameters(true);
StreamWriter mwriter = new StreamWriter("publickeyRSA.xml");
mwriter.Write(RSA .ToXmlString (false ));mwriter.Close();
mwriter = new StreamWriter("privatekeyRSA.xml");
mwriter.Write(RSA.ToXmlString(true ));mwriter.Close();
MessageBox.Show("已完成加密,PK和SK文件在當前目錄下");
使用中,調(diào)用RSAEncrypt(dataToEncrypt, RSA.ExportParameters(false), false)即將二進制明文dataToEncrypt讀入RSA加密生成密文存入緩沖區(qū)decryptedData。
RSA加密中公鑰私鑰通過RSAParameters結(jié)構(gòu)存貯
RSAParameters publickeyRSA, privatekeyRSA;//構(gòu)造RSAParameters結(jié)構(gòu)
publickeyRSA = RSA.ExportParameters(false);//false僅輸出公鑰;true則將公私鑰一起輸出。
此公私鑰可直接作為參數(shù)傳遞給解密函數(shù)。
如果要序列化成文本存貯,則須通過RSA .ToXmlString (false )方法:
StreamWriter mwriter= new Stream Writer ("publickeyRSA.xml")
mwriter.Write(RSA .ToXmlString (false ));
mwriter.Close();
由經(jīng)此,可在程序根目錄下,生成只包括公鑰的publickey。
4 程序原型與應(yīng)用
圖1為制作完成的“獅子山加密工具包”功能界面。實現(xiàn)了DES算法對字符串、文件的加密解密;RSA算法對字符串的加密解密;也提供MD5、SHA1文件摘要功能。程序請見投稿附件 “獅子山加密.rar”。
在實際教學(xué)過程中,通過課堂講解和教師的實際動手示范,所在專業(yè)(信息管理與信息系統(tǒng))學(xué)生中已經(jīng)有少數(shù)能夠制作類似簡單的加解密程序。大多數(shù)學(xué)生也通過此案例講解,加深了對教材知識點的理解,更重要是是增強了大多數(shù)同學(xué)制用和應(yīng)用DES、RSA程序的信心,這對于提高專業(yè)學(xué)生的動手能力,培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)興趣是很有裨益的。
5 結(jié)束語
本文以微軟.NET框架類庫為基礎(chǔ),討論并展示和實現(xiàn)了DES、RSA的具體方法。在信息安全教學(xué)過程中,以此操作練習(xí)為基礎(chǔ),能避免單純的理論講解,使信息管理專業(yè)學(xué)生能夠在教師示范下,利用高級編程平臺已有類庫將對稱加密和RSA算法進行基本應(yīng)用,從而提高非計算機專業(yè)學(xué)生加密解密知識點的學(xué)習(xí)效果。
參考文獻
[1] 秦艷琳,吳曉平.基于.NET的TripleDES算法在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用與軟件,2010,27(11):53-55.
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[6] 李顯峰,王淵,魏聰明.基于Microsoft .NET框架加密技術(shù)的SQL Server安全登錄機制研[J].電腦知識與技術(shù),2009,15(22):6151-6152.
[7] 盧開澄.計算機密碼學(xué)[M].北京:清華出版社,2003.
作者簡介:
章德賓(1975-),男,山東諸城人,博士,副教授;主要研究方向和關(guān)注領(lǐng)域:系統(tǒng)模擬、信息管理。endprint