AES&&RSA
随着密码分析技术的提高,新的数据加密标准AES取代了过时的DES。文章在阐述AES/RSA加密算法的基础上,分别给出了利用AES/RSA实现客户端/服务器端网络数据传输的加密流程。最后在比较AES算法和RSA算法基础上,将AES与RSA相结合提出一种新的数据加密方案。
基本需求及概念
随着Internet网的广泛应用,信息安全问题日益突出,以数据加密技术为核心的信息安全技术也得到了极大的发展。目前的数据加密技术根据加密密钥类型可分私钥加密(对称加密)系统和公钥加密(非对称加密)系统[1]。对称加密算法是较传统的加密体制,通信双方在加/解密过程中使用他们共享的单一密钥,鉴于其算法简单和加密速度快的优点,目前仍然是主流的密码体制之一。最常用的对称密码算法是数据加密标准(DES)算法,但是由于DES密钥长度较短,已经不适合当今分布式开放网络对数据加密安全性的要求。最后,一种新的基于Rijndael算法对称高级数据加密标准AES取代了数据加密标准DES。非对称加密由于加/解密钥不同(公钥加密,私钥解密),密钥管理简单,也得到广泛应用。RSA是非对称加密系统最著名的公钥密码算法。
AES算法
基本原理及算法流程美国国家标准和技术研究所(NIST)经过三轮候选算法筛选,从众多的分组密码中选中Rijndael算法作为高级加密标准(AES)。Rijndael密码是一个迭代型分组密码,分组长度和密码长度都是可变的,分组长度和密码长度可以独立的指定为128比特,192比特或者256比特。AES的加密算法的数据处理单位是字节,128位的比特信息被分成16个字节,按顺序复制到一个4*4的矩阵中,称为状态(state),AES的所有变换都是基于状态矩阵的变换。
用Nr表示对一个数据分组加密的轮数(加密轮数与密钥长度的关系如表1所示)。在轮函数的每一轮迭代中,包括四步变换,分别是字节代换运算(ByteSub())、行变换(ShiftRows())、列混合(MixColumns())以及轮密钥的添加变换AddRoundKey()[3],其作用就是通过重复简单的非线形变换、混合函数变换,将字节代换运算产生的非线性扩散,达到充分的混合,在每轮迭代中引入不同的密钥,从而实现加密的有效性。
表1 是三种不同类型的AES加密密钥分组大小与相应的加密轮数的对照表。加密开始时,输入分组的各字节按表2 的方式装入矩阵state中。如输入ABCDEFGHIJKLMNOP,则输入块影射到如表2的状态矩阵中。
表1:
表2:
- 字节代换运算(ByteSub())
字节代换运算是一个可逆的非线形字节代换操作,对分组中的每个字节进行,对字节的操作遵循一个代换表,即S盒。S盒由有限域 GF(28)上的乘法取逆和GF(2)上的仿射变换两步组成。 - 行变换ShiftRows()
行变换是一种线性变换,其目的就是使密码信息达到充分的混乱,提高非线形度。行变换对状态的每行以字节为单位进行循环右移,移动字节数根据行数来确定,第0行不发生偏移,第一行循环右移一个字节,第二行移两个,依次类推。 - 列混合变换MixColumns()
列变换就是从状态中取出一列,表示成多项式的形式后,用它乘以一个固定的多项式a(x),然后将所得结果进行取模运算,模值为 x4+1。其中a(x)={03}x3+{02}x2+{01}x+{02},
这个多项式与x4+1互质,因此是可逆的。列混合变换的算术表达式为:s’(x)= a(x) s(x),其中, s(x)表示状态的列多项式。 - 轮密钥的添加变换AddRoundKey()
在这个操作中,轮密钥被简单地异或到状态中,轮密钥根据密钥表获得,其长度等于数据块的长度Nb。
AES算法流程
对于发送方,它首先创建一个AES私钥,并用口令对这个私钥进行加密。然后把用口令加密后的AES密钥通过Internet发送到接收方。发送方解密这个私钥,并用此私钥加密明文得到密文,密文和加密后的AES密钥一起通过Internet发送到接收方。接收方收到后再用口令对加密密钥进行解密得到AES密钥,最后用解密后的密钥把收到的密文解密成明文。图1中是这个过程的实现流程。
图1:
RSA算法
基本原理及流程
RSA是在1977年发明RSA密码系统的三个人的名字的首字母的缩写,他们是:Ron Rivest、Adi Shamir和Leonard Adleman。它是第一个公钥加密算法,在很多密码协议中都有应用,如SSL和S/MIME。RSA算法是基于大质数的因数分解的公匙体系。简单的讲,就是两个很大的质数,一个作为公钥,另一个作为私钥,如用其中一个加密,则用另一个解密。密钥长度从40到2048位可变,密钥越长,加密效果越好,但加密解密的开销也大。RSA算法可简单描述如下:
RSA算法实现流程
首先,接收方创建RSA密匙对,即一个公钥和一个私钥,公钥被发送到发送方,私钥则被保存在接收方。发送方在接收到这个公钥后,用该公钥对明文进行加密得到密文,然后把密文通过网络传输给接收方。接收方在收到它们后,用RSA私钥对收到的密文进行解密,最后得到明文。图2是整个过程的实现流程。
图2:
AES与RSA相结合数据加密方案
RSA算法是公开密钥系统的代表,其安全性建立在具有大素数因子的合数,其因子分解困难这一法则之上的。Rijndael算法作为新一代的高级加密标准,运行时不需要计算机有非常高的处理能力和大的内存,操作可以很容易的抵御时间和空间的攻击,在不同的运行环境下始终能保持良好的性能。这使AES将安全,高效,性能,方便,灵活性集于一体,理应成为网络数据加密的首选。相比较,因为AES密钥的长度最长只有256比特,可以利用软件和硬件实现高速处理,而RSA算法需要进行大整数的乘幂和求模等多倍字长处理,处理速度明显慢于AES[5];所以AES算法加解密处理效率明显高于RSA算法。在密钥管理方面,因为AES算法要求在通信前对密钥进行秘密分配,解密的私钥必须通过网络传送至加密数据接收方,而RSA采用公钥加密,私钥解密(或私钥加密,公钥解密),加解密过程中不必网络传输保密的密钥;所以RSA算法密钥管理要明显优于AES算法。
从上面比较得知,由于RSA加解密速度慢,不适合大量数据文件加密,因此在网络中完全用公开密码体制传输机密信息是没有必要,也是不太现实的。AES加密速度很快,但是在网络传输过程中如何安全管理AES密钥是保证AES加密安全的重要环节。这样在传送机密信息的双方,如果使用AES对称密码体制对传输数据加密,同时使用RSA不对称密码体制来传送AES的密钥,就可以综合发挥AES和RSA的优点同时避免它们缺点来实现一种新的数据加密方案。加解密实现流程如图(3)。
图3:
具体过程是先由接收方创建RSA密钥对,接收方通过Internet发送RSA公钥到发送方,同时保存RSA私钥。而发送方创建AES密钥,并用该AES密钥加密待传送的明文数据,同时用接受的RSA公钥加密AES密钥,最后把用RSA公钥加密后的AES密钥同密文一起通过Internet传输发送到接收方。当接收方收到这个被加密的AES密钥和密文后,首先调用接收方保存的RSA私钥,并用该私钥解密加密的AES密钥,得到AES密钥。最后用该AES密钥解密密文得到明文。
AES+RSA结合最佳实践
基本要求
- 保证传输数据的安全性
- 保证数据的完整性
- 能够验证客户端的身份
基本流程
转
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