物聯(lián)網(wǎng)安全課程中的密碼學算法教學改革

余健

摘 要：針對物聯(lián)網(wǎng)安全課程《密碼學算法實驗》教學中存在的問題，分析目前《密碼學算法實驗》教學中采用的軟件所存在的弊病，提出以Python語言為實驗編程工具的觀點。

關鍵詞：信息安全；密碼學；Python；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）07-0-03

0 引 言

密碼學算法是物聯(lián)網(wǎng)安全等信息安全課程教學的基礎[1]。密碼學算法的教學效果直接影響到學生對物聯(lián)網(wǎng)安全課程的掌握程度。目前密碼學算法的實驗教學采用現(xiàn)成的密碼學算法軟件演示[2]，或采用C，C++及Matlab等編程實現(xiàn)，但是密碼學算法軟件的演示只是使學生了解算法的最終結果，無法使學生理解算法原理；采用C，C++等高級語言編程實現(xiàn)密碼學算法，有利于學生掌握算法原理，但在實驗教學當中，學生普遍反映編程難度大，算法實現(xiàn)繁瑣等問題；而采用Matlab編程的優(yōu)點是編程語言簡單、算法容易實現(xiàn)，缺點是無法直接應用于實際項目中。

因此，采用合適的編程語言對密碼學算法的實踐教學改革是極其重要的[3]。Python語言被稱為膠水語言[4]，它具有Matlab語言的優(yōu)點，并且應用范圍廣，采用Python語言編程可直接應用于各個領域[5]。考慮到Python語言的簡單易用性，以及包含了大量的算法包，密碼學算法實驗教學全部采用Python編程實現(xiàn)。這樣既能夠加深學生對密碼學算法的理解，提高學生的編程能力和應用能力，也有利于學生編寫軟件參加學科競賽及各種項目，提高學生的職業(yè)素養(yǎng)和職業(yè)能力。

密碼學算法實驗主要包括古典密碼學實驗、DES和AES對稱密碼學算法實驗和RSA公鑰密碼學算法實驗[6-8]。

1 古典密碼學實驗

古典密碼學算法主要包括凱撒密碼、維吉尼亞密碼和Hill矩陣加密算法。采用Python語言編程實現(xiàn)，以凱撒密碼為例，代碼如下所示：

def Encrypt（P，key）：//加密函數(shù)

P = list（P）

P = map（ord，P）

import numpy as np

P = np.array（P）

P = P - ord（‘a(chǎn)）

C =（P + key）%26

C = C + ord（‘A）

C = map（chr，C）

C = ‘.join（C）

return C

def Decrypt（C，key）： //解密函數(shù)

C = list（C）

D = map（ord，C）

import numpy as np

D = np.array（D）

D = D-ord（‘A）

D =（D-key）%26

D = D + ord（‘a(chǎn)）

D = map（chr，D）

D =‘.join（D）

return D

#主函數(shù)

user_input=raw_input（‘加密請按E，解密請按D：）；

while（user_input！=‘E and user_input！=‘D）：

//輸入合法性判斷

user_input=raw_input（‘輸入有誤！請重新輸入：）

key=raw_input（‘請輸入密鑰：）

while（int（key.isdigit（）==0））：//輸入合法性判斷

key=raw_input（‘輸入有誤！密鑰為數(shù)字，請重新輸入：）

if user_input==‘E：//加密

P=raw_input（‘請輸入明文：）

C=Encrypt（P，int（key））

print ‘密文為：＼n%s % C

else：//解密

C=raw_input（‘請輸入密文：）

P=Decrypt（C，int（key））

print ‘明文為：＼n%s % P

學生完成了凱撒密碼算法的實現(xiàn)之后，可讓在以上程序的基礎上，進一步實現(xiàn)維吉尼亞密碼。

2 DES和AES對稱加密算法實驗

數(shù)據(jù)加密標準（Data Encryption Standard，DES），除了被廣泛應用于金融交易中，它還被嵌入到許多商業(yè)應用中。1977年美國國家標準局正式公布實施了美國的數(shù)據(jù)加密標準（DES），公開了它的加密算法，并批準用于非機密單位和商業(yè)上的保密通信。高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES）又稱為Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標準。該標準用來替代日益不安全的DES算法。

DES和AES算法的實現(xiàn)比較復雜，采用Python語言做實驗時，可以調(diào)用Crypto密碼學算法包的相關函數(shù)來實現(xiàn)，具體的編程代碼如下所示：

# DES加密解密

from Crypto.Cipher import DES

from Crypto import Random

key =‘keyskeys//必須為8 B

plaintext = ‘計算機與信息工程

print ‘明文：，plaintext

cipher = DES.new（key，DES.MODE_ECB）

ciphertext = cipher.encrypt（plaintext）

print ‘密文：，ciphertext.encode（‘hex） //16進制表示

decrypttext = cipher.decrypt（ciphertext）

print ‘解密結果：，decrypttext

# AES 加密解密

from Crypto.Cipher import AES

from binascii import b2a_hex，a2b_hex

from Crypto import Random

def encrypt（text，key，IV）：

cryptor = AES.new（key，AES.MODE_CBC，IV）

length = 16

count = len（text）

add = length-（count% length）

text = text +（‘＼0 * add）

ciphertext = cryptor.encrypt（text）

return b2a_hex（ciphertext）

def decrypt（text，key，IV）：

cryptor = AES.new（key，AES.MODE_CBC，IV）

plain_text = cryptor.decrypt（a2b_hex（text））

return plain_text.rstrip（‘＼0）//解密后，去掉補足的空格

key = ‘keyskeyskeyskeys

#初始化密鑰，密鑰長度必須16，24或32 B長

plaintext = ‘韓山師范學院

print ‘明文：，plaintext

IV = Random.new（）.read（AES.block_size）

//加密或解密的初始化向量

ciphertext = encrypt（plaintext，key，IV）

decrypttext = decrypt（ciphertext，key，IV）

print‘密文：，ciphertext

print‘解密結果：，decrypttext

在DES和AES對稱密碼算法實驗中，要強調(diào)DES的密鑰必須為8 B，而AES的密鑰為16，24或32 B，DES的加密文本長度必須為8 B的倍數(shù)，而AES的加密文本長度必須為16，24或32 B的倍數(shù)。

3 RSA公鑰密碼學算法實驗

RSA公鑰密碼學算法廣泛應用于信息安全領域，包括非對稱加密解密、認證技術以及數(shù)字簽名等。RSA算法主要通過求乘法逆元、加密和解密函數(shù)實現(xiàn)。這三個函數(shù)的Python代碼如下所示：

def multip_inverse（e，fn）：

A=0； B=1； m=fn；

b=e； Q=m/b； R=m%b；

while（R>1）：

X=A-Q×B； A=B；

B=X； m=b； b=R；

Q=m/b； R=m%b；

if（R == 1）：

X=A-Q×B

return X% fn

if（R == 0）：

print ‘乘法逆元不存在！

return ‘none

def Encrypt（P，e，n）：//加密函數(shù)

C =（ P×e）%n//加密得出密文C

return C

def Decrypt（C，d，n）：//解密函數(shù)

D =（C×d）%n//解密得出明文P

return D

另外，學生在完成RSA公鑰密碼學算法的基礎上，讓學生完成RSA數(shù)字簽名程序，進一步提高學生的實踐能力。

4 結 語

通過以上示例，我們可以發(fā)現(xiàn)，使用Python語言實現(xiàn)密碼學算法，簡單易用，學生容易掌握，可降低使用高級語言編寫密碼學法的難度，又能提高學生的學習興趣。除了古典密碼學實驗，DES和AES對稱密碼學算法實驗和RSA公鑰密碼學算法實驗，還可布置一些趣味密碼學問題，例如分別采用蠻力破解和字典攻擊方法破解壓縮文件密碼，破解無線WiFi密碼和破解谷哥瀏覽器登錄密碼等，提高學生對這些課程的學習興趣，增強實踐能力和應用能力。通過在物聯(lián)網(wǎng)安全的實驗教學中采用Python編程工具，鍛煉了學生的實際編程能力。筆者指導的學生參加2106年和2017年全國信息安全競賽（作品賽），共獲得了3個三等獎。對其他高校物聯(lián)網(wǎng)安全課程中的密碼學算法教學改革具有一定借鑒意義。

參考文獻

[1]胡小明，楊寅春，吳秀梅，等. 信息安全專業(yè)密碼學課程教學改革[J]. 計算機教育，2014（1）：49-52.

[2]李曦. 密碼學課程實踐教學存在的問題及改進措施[J]. 高等教育研究：成都，2011（2）：23-24.

[3]王少輝，王志偉. 密碼學課程設計探索與實踐[J]. 課程教育研究，2013（1）：15-16.

[4]嵩天，黃天羽，禮欣. Python語言：程序設計課程教學改革的理想選擇[J]. 中國大學教學，2016（2）.

[5]葉磊，文濤，劉立亮，等. 基于Python的網(wǎng)絡及信息系統(tǒng)安全過程管理工具[J]. 數(shù)字技術與應用，2011（9）：293.

[6]徐鵬，薜偉.抗差分功耗攻擊的DES算法研究[J]. 計算機仿真，2018（1）282-286.

[7]付春燕，宋英雄，郭鵬程，等. 基于AES數(shù)據(jù)加密的網(wǎng)關通信設計[J]. 電子測量技術，2018（2）：55-60.

[8]石井，吳哲，譚璐，等. RSA數(shù)據(jù)加密算法的分析與改進[J]. 濟南大學學報（自然科學版），2013（3）：66-69.