基于應用密碼系統的教學方法研究

韓萌　申笑晨　商顯震

摘要：隨著互聯網的迅猛發展，人們對于信息安全的要求也越來越高。如何更加安全地對信息進行保護，如何為各種數據提供可靠的保障，這使得密碼算法的研究與應用逐漸被人們所關注。《密碼學》是信息安全的重要基礎課程，是研究信息安全的理論基礎。設計基于教學的應用密碼系統，提高學生對加解密過程的理解，取得了較好的教學效果，為同行提供了一定可參考的價值。

關鍵詞：《密碼學》；應用密碼系統；教學；研究

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）31-0203-03

一、引言

隨著計算機通信技術的發展，用戶對信息的安全儲存、處理和傳輸的要求越來越高。尤其是隨著計算機網絡的大面積使用，個人通信、多媒體通信、電子郵件、網上轉賬系統和網上零售業務的建立與實現，數據的保護和安全問題就顯得尤為重要了。而解決這一問題的有效手段之一便是現代密碼技術的應用[1-3]。在本科教學中，現代密碼技術的應用主要通過《密碼學》等相關課程講述信息安全的理論基礎。

《密碼學》作為信息安全專業以及信息與計算科學專業的重要專業基礎課程，它為信息安全提供了深刻的理論依據和豐富的應用實踐，是數學在信息學科中應用的典型[3-6]，并已在各大高校開設了相應的本科生課程和研究生課程。到2004年止，全國已有366所大學開辦與信息安全相關的專業。但作為比較新的專業，如何建設和發展是國家教育部和各個學校一直都在探索的問題。把《密碼學》作為信息安全支撐的重點課程，由于課程開設的時間較短、積累的經驗較少，雖然有部分教材和教學研究論文，但其中還有許多教學問題有待研究、解決并加以實踐驗證。

二、應用密碼系統的設計與實現

本設計用于實現應用密碼系統，采用C++編程語言在Visual Studio 2010平臺上進行開發?？蓪ξ谋緮祿?，進行五種方式的加密解密操作。分別為維吉尼亞密碼算法、仿射密碼算法、RC4密碼算法、DES密碼算法和AES密碼算法。

本系統的用戶主體為全體學習《密碼學》課程的學生，通過課程中使用應用密碼系統可以增加學生對加解密過程的理解。目前本系統只考慮到文本數據的加密解密，后續將繼續增加圖形圖像和音頻等數據的加密解密。

1.系統簡介。本應用密碼系統的總功能圖如圖1所示。本系統可對文本信息進行五種密碼算法的加密解密，分別是仿射密碼、維吉尼亞密碼、RC4密碼、DES密碼和AES密碼。

應用密碼系統

本應用密碼系統的主功能界面如圖2所示。用戶打開本軟件后，可根據界面上的五個按鈕選擇待使用的密碼算法，對文本數據進行加密解密操作。

2.系統設計。本文以仿射密碼為例，介紹系統子模塊的設計與現實過程。其他功能實現與此模塊相類似，因此文中不一一介紹。

（1）仿射密碼原理介紹。仿射密碼是由加法密碼和乘法密碼的結合，仿射密碼的加密和解密公式分別為：

c =（k *m +k ）mod n；

m =k （c -k ）mod n。

其中，密鑰為 0 —n-1之間的數字對（k ，k ）。要求k 與n的最大公約數必須為1，即：gcd（k ，n）= 1。k 是k 的逆元，即：（k *k ）mod n=1。

（2）功能界面。仿射密碼系統功能界面如圖3所示。用戶可對文本數據按仿射密碼算法進行加密解密操作。

加密流程：用戶可單擊如下區域一的按鈕載入需要加密的文本文件。原文顯示在區域二中。或者直接在區域二輸入需要加密的文本信息。在區域三輸入密鑰。單擊區域四的按鈕選擇加密操作。加密結果顯示在區域五的文本框中。單擊區域六的按鈕，可保存密文為文本文件。

解密流程：用戶可單擊區域七的按鈕載入需要解密的文本文件，密文顯示在區域五中?；蛘咧苯釉趨^域五輸入需要解密的文本信息。在區域三輸入密鑰。單擊區域八的按鈕選擇解密操作。解密結果顯示在區域二的文本框中，同樣單擊區域九的按鈕可保存解密后的原文為文本文件。

區域六

具體加載文件時的加密操作如下圖所示步驟：

第一步：單擊區域一按鈕，選擇需要加密的文件。

第二步：需要加密的文本顯示在區域二的文本框中。

第三步：在區域三輸入密鑰后，單擊區域四的加密按鈕。加密結果顯示在區域五中。

第四步：單擊區域六，可保存密文文件。路徑和文件名都可自行選擇。

保存完成后，在桌面生成密文文檔，如下圖所示。

具體加載文件時的解密操作如下圖所示步驟：

第一步：單擊區域七的按鈕，選擇需要解密的文件。

第二步：在區域三輸入解密密鑰，單擊區域八的解密按鈕，解密后的明文顯示在區域二的文本框中。

第三步：單擊區域九的按鈕，保存明文。路徑和文件名可自行選擇輸入。

保存完成后，在桌面生成明文文檔2，如下圖所示：

三、小結

密碼學作為一個新興學科和一個正在發展中的學科，通過貫穿教育讓學生對密碼學有更深的理解和擴展，而更重要的目的是將部分基礎比較好、興趣稍微濃厚的學生引入科研的大門。本文介紹了應用密碼系統的設計與實現，從設計原理、算法描述和系統實現三個方面進行描述。通過將本應用密碼系統應用至《密碼學》課程教學中，能夠有效提高學生對密碼加解密過程的理解。