加密技術(shù)在大數(shù)據(jù)時代網(wǎng)絡(luò)安全中的應(yīng)用

梁永堅(jiān) 黎銳杏 韋田 黃慷

（1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530023 2.廣西社會科學(xué)院 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530022）

（3.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司來賓供電局 廣西壯族自治區(qū)來賓市 546100）

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)的感知、云計(jì)算對數(shù)據(jù)的存儲利用，促進(jìn)了以快速分析數(shù)據(jù)提供有價值的判斷能力的大數(shù)據(jù)時代的到來，海量數(shù)據(jù)的分析提煉收到人民的普遍關(guān)注，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出TB級規(guī)模的增長態(tài)勢，高價值的數(shù)據(jù)逐漸成為競爭的核心所在。與此同時，數(shù)據(jù)的安全性、可用性，數(shù)據(jù)不被泄密、篡改等海量數(shù)據(jù)加密技術(shù)也面臨著新的挑戰(zhàn)。

大數(shù)據(jù)時代的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)體量大、數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)聚合速度快、變化頻度高、數(shù)據(jù)價值大等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)時，傳統(tǒng)的加密技術(shù)在數(shù)據(jù)的傳輸效率、加密數(shù)據(jù)的速度方面已存在掣肘因素，需要以考慮數(shù)據(jù)的毫秒級的頻繁動態(tài)變化、各種多種類型數(shù)據(jù)的分類處理等方面對提出新的方法和技術(shù)，應(yīng)對海量數(shù)據(jù)加密，保障核心數(shù)據(jù)的安全。

本文結(jié)合海量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究近年來大數(shù)據(jù)加密技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，針對海量數(shù)據(jù)的傳輸、數(shù)據(jù)加密的性能兩個角度提出基于DES和RSA的混合加密算法的基礎(chǔ)上，融合AES算法的線性混合式加密算法實(shí)現(xiàn)對海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)可靠加密，同時，針對海量數(shù)據(jù)傳輸提出可持續(xù)壓縮、傳輸速度快的LZ4-P的優(yōu)化壓縮算法改善傳輸速度，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到了傳輸速度快、安全加密好的預(yù)期效果。

2 加密與數(shù)據(jù)壓縮算法

2.1 DES算法

DES算法屬于對稱加密算法中較為經(jīng)典的算法，1972年面世用至今仍在廣泛應(yīng)用。其原理為采用密鑰與明文組進(jìn)行邏輯規(guī)則替換、交叉運(yùn)作而形成密文配對組的一種堆成密碼體制算法。其中對明文進(jìn)行處理后，將明文劃分為64位的二進(jìn)制文明組合，密鑰則也對應(yīng)的設(shè)置為64位長度。但是，實(shí)際參與加密運(yùn)算的只有56位，具體是設(shè)置了密鑰的第8位、第16位等直到64的8的倍數(shù)位為數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。經(jīng)過加密處理后，生成64位的二進(jìn)制密文串。

DES算法的具體實(shí)現(xiàn)過程包括5步，初始置換、密鑰生成、16輪數(shù)據(jù)迭代變換，實(shí)現(xiàn)IP逆置換得到密文。具體如下：

（1）對明文進(jìn)行分組，分成64位。引用DES的初始置換表，完成明文初始置換，置換完成后的明文組合X，其位數(shù)也為64位，但明文的排列順序與原始明文完全不同，經(jīng)過初始置換后的明文分為左明文和右明文兩部分，分別使用L和R標(biāo)識。

（2）16輪數(shù)據(jù)迭代，對于經(jīng)過分組后的L和R明文，循環(huán)加密，共計(jì)循環(huán)16輪，每一輪的輸出結(jié)果，作為下一輪的輸入結(jié)果，16輪的迭代加密過程中，引入映射S盒，其數(shù)值和位數(shù)固定，共計(jì)4位8個。采用置換F函數(shù)，執(zhí)行明文和密文的置換。具體的算法如下：

算法中置換函數(shù)F中的E屬于擴(kuò)展置換，置換模式固定，主要作用為實(shí)現(xiàn)將32位的R置換為48位，共識中的P也屬于固定模式置換。其作用是完成初始的IP置換和最終的IP比對逆置換。

（3）引入逆置換表IP，生成64位的密文，并輸出結(jié)果。

2.2 AES算法

ASE算法被稱為高級加密算法，其特點(diǎn)是明文分組固定，但是密鑰長度不同的經(jīng)典的對稱加密算法。密鑰的長度可以設(shè)置為128位、192位、256位，密鑰長度不同，迭代加密的輪數(shù)不同。

AES算法的加密算法基于4*4的16字節(jié)矩陣，初始值為明文Byte區(qū)塊，執(zhí)行循環(huán)加密的步驟如下：

（1）輪密鑰加AddRoundKey操作：將明文的狀態(tài)設(shè)置為初始X，通過AddRoundKey操作，經(jīng)明文矩陣?yán)锏拿恳粋€元素與round key密鑰值做異或運(yùn)算，每一個roundkey密鑰值的產(chǎn)生是由生成密鑰方案生成。

（2）S盒代換字節(jié)替代SubBytes操作：引入查找表模式，將前面r-1輪迭代替換中的每一輪次，使用S盒進(jìn)行SubBytes變換操作，也稱之為代換，其實(shí)現(xiàn)了借助S盒完成字節(jié)間的映射。

（3）行移位ShiftRows操作，矩陣內(nèi)部的字節(jié)置換操作，通過把矩陣的橫列進(jìn)行循環(huán)式移位操作。

（4）MixColumns列混淆從操作：使用線性轉(zhuǎn)換，對矩陣中的列字節(jié)進(jìn)行混合操作。

2.3 RSA算法

RSA算法屬于非對稱加密算法的典型代表，通常用于加密片段相對較小的數(shù)據(jù)加密以及廣泛用于加密密鑰的傳輸?shù)取?/p>

RSA算法執(zhí)行過程如下：

（1）首先通過隨機(jī)數(shù)生成算法，生成較大的隨機(jī)整數(shù)，并對大整數(shù)使用隨機(jī)多項(xiàng)式的時間算法檢核其是否為素?cái)?shù)，獲取素?cái)?shù)X、Y。

（2）采用歐拉函數(shù)，X與Y的乘積，并對結(jié)果N計(jì)算其歐拉函數(shù)值，計(jì)算方法為x-1與Y-1的乘積。

（3）在指定的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，選擇加密指數(shù)。制定的數(shù)據(jù)范圍是指數(shù)據(jù)在{1、2、。。。（x-1）*（Y-1）-1}的內(nèi)的數(shù)，并且滿足gcd（φ（N），e）=1的條件。

（4）得到d在e與φ（N）的模運(yùn)算的逆運(yùn)算值，獲得加密密鑰。

（5）對明文進(jìn)行分組處理，分組后的明文必須滿足二進(jìn)制值的分組長度小于log2n的值。然后使用如下公式對分組后的明文進(jìn)行加密：

3 線性混合加密算法

3.1 改進(jìn)DES加密算法

算法的核心在于：建立4個密鑰S1、S2、S3、S4順序完成明文密文的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過4重密鑰的加密設(shè)計(jì)，密鑰長度為224位，算法安全性達(dá)到了一定的高度。經(jīng)過4個密鑰進(jìn)行加密后，得到密文。

3.2 4DES與AES算法的混合加密算法

由于DES算法具有加密速度快、加密信息量非常大的典型優(yōu)勢，其采用的S盒加密算法，密鑰安全性較高，但其密鑰長度短，無法應(yīng)對窮舉攻擊的問題，可以通過優(yōu)化密鑰長度的4重DES算法予以解決，很大程度的提高了DES算法的使用性。但面對大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密時，需要借助于AES算法的高速運(yùn)算能力和對資源占有較少的特點(diǎn)，因此，本文提出了基于4重DES和AES算法混合的算法，對海量數(shù)據(jù)加密，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的抗窮舉攻擊能力和大數(shù)據(jù)的高性能加密效果。

（1）通過海量數(shù)據(jù)采樣模型，獲取大數(shù)據(jù)明文樣本，獲得明文數(shù)據(jù)組。

（2）采用哈希分段法對采樣明文數(shù)字進(jìn)行分段，分割為N1和N2兩段。

（3）對于明文N1段，使用4重DES加密算法進(jìn)行加密，得到密文S1。

（4）對于明文N2段，使用AES算法進(jìn)行加密，得到密文S2段。

（5）針對密文S1段，應(yīng)用AES加密算法，進(jìn)行二次加密，產(chǎn)生密文S3。

（6）針對密文S2段，應(yīng)用4重DES加密算法進(jìn)行加密，得到密文S4。

（7）合并密文S3和S4，生成大數(shù)據(jù)密文。

3.3 線性綜合加密算法

混合算法有針對性的解決了DES算法和AES算法本身的密鑰長度短、應(yīng)對海量數(shù)據(jù)加密速度慢的問題?；旌霞用芩惴ǖ乃俣瓤欤捎谄涿荑€安全性無法保證，因此需要對該算法進(jìn)行密鑰加固，這里引入了RSA算法，該算法的問題在于密鑰生成較為困難，但是，一旦生成密鑰后，密鑰的安全保護(hù)工作非常到位，尤其大數(shù)據(jù)情況下，密鑰的大素?cái)?shù)非常難以分解。綜合了DES、RSA、AES算法的線性綜合加密算法有效的適應(yīng)了海量數(shù)據(jù)環(huán)境下數(shù)據(jù)加密速度快、密鑰安全可靠以及可以應(yīng)對各種窮舉攻擊的可能。

該算法的核心在于，使用基于4重DES和AES混合算法對大數(shù)據(jù)明文進(jìn)行加密，使用RSA算法對混合算法的密鑰進(jìn)行加密處理。將密文和加密后的密鑰統(tǒng)一發(fā)送給數(shù)據(jù)的接收方。

（1）通過海量數(shù)據(jù)采樣模型，獲取大數(shù)據(jù)明文樣本，獲得明文數(shù)據(jù)組。

（2）采用哈希分段法對采樣明文數(shù)字進(jìn)行分段，分割為N1和N2兩段。

（3）對于明文N1段，使用4重DES加密算法進(jìn)行加密，得到密文S1。

（4）對于明文N2段，使用AES算法進(jìn)行加密，得到密文S2段。

（5）針對密文S1段，應(yīng)用AES加密算法，進(jìn)行二次加密，產(chǎn)生密文S3。

（6）針對密文S2段，應(yīng)用4重DES加密算法進(jìn)行加密，得到密文S4。

（7）針對AES算法和4重DES算法的密鑰，采用RSA算法進(jìn)行密鑰加密，生成加密密鑰。

（8）合并密文S3和S4，生成大數(shù)據(jù)密文。

（9）將密文與密鑰統(tǒng)一壓縮后，使用LZ4壓縮算法，將數(shù)據(jù)傳輸給接收方。

4 實(shí)證分析

4.1 算法實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本文提出的算法，采用了C#平臺，進(jìn)行算法的具體實(shí)現(xiàn)。其中RSA算法核心在于大素?cái)?shù)的生成，為了確保算法的有效實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)過程中引入了大數(shù)據(jù)庫來產(chǎn)生大量的大素?cái)?shù)，支撐算法的實(shí)驗(yàn)實(shí)證。對于32位的編譯器，可以實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)為232，使用OXFFFFFFFF這個十六進(jìn)制的數(shù)值標(biāo)識。第一步，生產(chǎn)16進(jìn)制標(biāo)識的大素?cái)?shù)P和q，同時確定對應(yīng)的n值、e值和D值，在進(jìn)行線性混合密碼測試過程中，首先采用4DES算法和ASE算法對密文進(jìn)行加密，生產(chǎn)加密結(jié)果，然后是對RSA算法的大素?cái)?shù)P、Q進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)加密密鑰，并最終生成最后的密文。

4.2 性能分析

本文采用的線性混合式加密算法重點(diǎn)從面對海量數(shù)據(jù)的加密速度和安全性能兩個角度提出的算法，因此本文重點(diǎn)從算法的時間性能和安全性進(jìn)行性能分析。

（1）時間性能。DES算法的加密速度非常快，4DES算法時間較DES算法速度更快，混合加密算法的時間與DES算法的時間持平。由于混合加密算法中融合RSA算法，因此，混合加密算法雖然引入了性能提升較高的4DES算法，但是整體性能與DES算法持平，保留了DES速度高的優(yōu)勢。

另外，在海量數(shù)據(jù)的情況下，AES算法的加密速度明顯高于DES算法和混合式加密算法，同時，隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加，混合式加密算法在速度上逐漸與DES算法持平。

（2）安全性能分析。本文提出的線性混合算法通過RSA算法的密鑰加密技術(shù)，改善大數(shù)據(jù)環(huán)境的下數(shù)據(jù)安全傳輸問題。結(jié)合可研人員對數(shù)據(jù)保密等級及年限的判定標(biāo)準(zhǔn)，如表3所示，對于1024bit的RSA算法與4重DES和AES混合的算法，其安全性明顯高于DES算法、也高于AES算法，因此，可以證實(shí)本文提出算法的安全性能較高。

5 結(jié)論

本文通過綜合比對DES算法、AES算法以及RSA算法，基于DES算法的抗攻擊能力弱，通過實(shí)驗(yàn)比對引入了4重DES算法，以提升加密算法的抗窮舉共計(jì)能力，同時，綜合了DES算法與AES算法進(jìn)行密文加密，利用了AES算法的速度優(yōu)勢，提升加密技術(shù)在大數(shù)據(jù)處理的效能，并綜合了RSA算法。提出了線性混合算法，對密鑰進(jìn)行加密，增加了算法整體的安全性能。經(jīng)過算法實(shí)現(xiàn)和性能比對試驗(yàn)證實(shí)，該算法在處理海量數(shù)據(jù)時，對比其他算法，性能更優(yōu)，速度更快，達(dá)到預(yù)期效果。