基于RSA信息安全加密系統的研究與實現

◆郭晟南 蔣學勤

(貴州理工學院大數據學院 貴州 550003)

0 引言

在信息技術的發展過程中，信息系統安全是信息技術應用的重要前提，只有確保信息數據的安全性，才能真正發揮信息技術的優勢。特別是在軍事等重要領域，信息系統的安全性必須得到保障。隨著信息技術的快速發展，信息加密、解密技術也在不斷更新和發展，傳統的防火墻技術等只對數據包的報頭部分進行檢驗，難以做到對病毒、間諜軟件等全方位防范。基于 RSA算法設計安全加密系統，可以解決這一問題，為信息數據的完整性和保密性提供保障。

1 RSA信息安全加密技術

1.1 RSA信息加密技術概述

RSA公鑰加密算法最早是由羅納德·李維斯特、阿迪·薩莫爾和倫納德·阿德曼在1977年時共同提出的一種公鑰加密技術，由三人姓氏的首字母命名，迄今為止仍然是應用最廣泛、最有影響力的公鑰加密算法。采用 RSA公鑰加密算法設計信息加密系統，可以成功抵御大多數密碼攻擊，是ISO推薦的公鑰加密技術。通常情況下，只有 RSA公鑰長度較短時，才有可能被破解，沒有任何能夠可靠破解RSA公鑰密碼的方法。因為RSA算法是基于一個數論事實設計的加密算法，即兩個大質數相乘的結果容易得到，但對其進行因式分解卻很難，所以可以將其乘積公開作為加密秘鑰。由于 RSA算法容易被理解和操作，能夠同時被用于數字簽名和加密，因此得到了非常廣泛的應用，先后經過多次改進，目前一般使用長度為1024位的RSA密鑰。

1.2 信息系統安全

信息系統安全主要體現在四個方面：（1）信息數據的完整性，要求信息數據在傳輸過程中，能夠保證內容的安全和可靠，非法改動其中任一要素，都會導致信息數據無法執行或出現較大損失；（2）身份可識別性，信息在傳輸過程中，要明確收發雙方的信息，明確信息來源和目的地，否則信息傳輸過程無法完成。此外，身份可識別也抗抵賴的基本措施，信息發送者需要對信息內容負責，信息接收者同樣需要對信息的接收和使用安全負責，這是落實信息數據管理責任的基礎；（3）保密性要求，信息在傳遞過程中要確保信息內容不能被輕易破解，即使信息數據被竊聽，竊聽者也無法獲取信息內容；（4）時效性要求，信息數據在網絡系統中要保持較快的傳輸速度，不能因加密、解密過程造成過高的信息延遲，否則會影響因襲價值。綜合考慮以上幾方面要求，使用 RSA算法設計信息安全加密系統，可以在最大程度上保障信息的安全性和可靠性。

2 基于RSA算法的安全加密系統設計及實現

2.1 加密系統設計

基于RSA算法的加密系統設計主要包含以下幾方面內容

（1）數字簽名的實現，數字簽名是實現身份認證和抗抵賴的重要手段，要確定簽名者的唯一信息標識，并能通過第三方驗證，解決出現的爭端，比如使用報文摘要的數字簽名技術，信息發送方取報文摘要，使用己方私鑰進行加密，將加密摘要和報文同時發送給信息接收方。

（2）RSA算法在數字簽名技術中的應用，算法輸入為RSA私鑰和消息，輸出為數據分組和產生簽名。采用這種經過改進的RSA算法，可以縮短數字簽名時間，同時能夠提升信息安全性。

（3）加密系統模型設計，隨著針對成熟算法的密碼破解方法不斷增加，單一使用任何一種信息加密技術，都無法為信息的完整性、保密性提供保障。為保護網絡信息安全，一方面要對RSA等成熟加密算法進行不斷改進，另一方面要將對稱加密和公鑰加密結合起來，設計更加難以破解的加密模型。基于此類思想的信息安全機密系統主要包括三個模塊，即登錄模塊、加密模塊和解密模塊。其中加密模塊和解密模塊分別對應 IDEA、RSA、Md5等算法的加密和解密以及綜合加密、解密功能。

（4）系統通信協議設計，在數據傳輸過程中，要約定好數據包格式、總長度、類型、經過加密的對稱會話密碼及加密報文等。規定好各個字段的順序，接收方根據順序進行解密，并對信息傳輸方的身份以及信息完整性進行驗證。

3 加密算法選擇

在上述安全加密系統中，總共用到四種信息加密技術，即私鑰加密技術、公鑰加密技術、報文摘要加密技術和隨機數產生方法。通過四種加密技術的綜合運用，提高系統的安全防護能力。在進行設計時，需要對每一種信息加密技術的算法進行選擇，具體包括：

（1）私鑰加密算法，常用的算法包括DES算法極其變形算法，比如GDES、New DES算法等，還可以選擇IDEA算法或RC5算法等。

（2）公鑰加密算法，由于概算法與私鑰加密存在本質性的不同，基于數學函數實現，每種單向函數均可成為公鑰密碼算法，目前使用較多的包括 RSA算法、橢圓曲線算法、背包密碼算法等，其中 RSA算法的特點是加密速度慢，但安全性高，通過對RSA改進算法的應用，可以解決效率問題，為信息安全提供保障。

（3）報文摘要加密算法的選擇，其輸入為任意長的報文字段，經加密運算后得到固定長度輸出，難以通過反向運算破解。報文摘要加密技術可以分為三種類型，即基于單向函數的報文摘要算法、使用分組密碼的報文摘要算法以及基于軟件的報文摘要算法，具體可以使用MD、MDS、SHA-1算法等。

（4）隨機數產生方法的選擇，IDEA秘鑰是隨機產生的，基于隨機數產生方法實現，因此要確保隨機數產生的隨機性，由計算機產生的偽隨機數實際是根據一定計算方法實現的，如果隨機性不夠，就會被窮舉攻擊破解。

4 安全性分析

信息安全加密系統是網絡信息安全系統的子系統，與網絡信息安全的其他子系統密切相關。對其自身的安全性而言，則受選用的加密技術以及各組件安全的影響。從上述設計方案來看，系統安全性具體表現為：（1）IDEA算法的安全性，目前還未發表能夠破解IDEA算法的密碼學攻擊方法，采用明文攻擊方法破解IDEA加密報文的時間比宇宙年齡還要長。但實際上IDEA算法存在隨機數產生方法的漏洞，如果隨機數隨機性不夠高，會使其密鑰窮舉空間被極大壓縮，進而有可能被破解；（2）RSA算法的安全性，RSA算法安全性是建立在一個合數進行因數分解的難度基礎之上，隨著數論的發展可能會找到更加高效的分解算法，導致 RSA算法的安全性被降低。雖然可以通過加長密碼長度提高其安全性，但也會導致加密、解密效率被增加。這些都是在信息安全系統設計過程中需要注意的問題。

5 系統主要功能實現

選定加密算法，可以對信息安全加密系統的主要功能進行設計與實現。系統主要功能包括：（1）操作人員身份識別功能，每個操作人員使用專用口令，系統可以對其操作記錄進行查詢。具體功能包括口令輸入、驗證以及提示信息顯示等；（2）信息加密功能，對需要加密的信息數據進行綜合加密處理，生成加密文檔，該模塊的輸出是加密后的亂碼信息；（3）信息解密功能，對受到的加密文檔進行綜合解密處理，使用解密算法將亂碼信息還原成原數據信息，并生成解密文檔。

6 結束語

綜上所述，RSA算法是一種難以被破解的公鑰加密算法，在信息加密系統設計中的應用可以有效提升信息安全防護能力。基于RSA算法對信息加密系統進行設計，綜合使用多種加密技術，構建綜合加密、解密功能模塊，可以顯著提高破解加密數據的難度，進而為數據傳輸安全提供保障。此外，通過改進 RSA算法的應用，還可以解決RSA算法加密、解密效率低的問題。

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貴州省科技廳技術基金項目：黔科合J字[2014]2082號。