數據加密技術在計算機網絡通信安全中的應用探究

林婧

摘要：文章首先介紹了數據加密的基礎知識，然后詳細討論了數據加密技術在計算機網絡通信安全中的應用，并強調了SSL/TLS、IPSec、PGP、S/MIME等協議和技術的重要性，旨在通過分析深化人們對數據加密技術的認識，實現數據加密技術在計算機網絡通信安全中的良好應用。

關鍵詞：數據加密技術；計算機網絡；通信安全；應用

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.04.038

中圖分類號：TP 393.08? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）04-0-03

Exploration of the Application of Data Encryption Technology

in Computer Network Communication Security

LIN Jing

（Liaocheng Confidentiality Technology Inspection and Evaluation Center， Liaocheng 252000， China）

Abstract： In the article， the basic knowledge of data encryption is first introduced， and then the application of data encryption technology in computer network communication security is discussed in detail. The importance of protocols and technologies such as SSL/TLS， IPSec， PGP， S/MIME is emphasized， aiming to deepen people's understanding of data encryption technology through analysis and achieve good application of data encryption technology in computer network communication security.

Keywords： data encryption technology; computer network; communication security; application

1? ?數據加密概述

1.1 對稱加密和非對稱加密的基本原理

對稱加密和非對稱加密是信息安全領域中兩種核心的加密技術，它們在數據傳輸和存儲過程中起到了至關重要的作用。這兩種加密方法在原理和應用上有著根本性的區別。

對稱加密的基本原理是使用相同的密鑰對數據進行加密和解密。這意味著發送方和接收方都共享相同的密鑰，密鑰既用于將明文數據加密為密文，也用于將密文還原為明文。對稱加密具有加密速度快的優勢，因為加密和解密用的是相同的密鑰，可以節省相應的時間，但密鑰的分發和管理可能會面臨安全性挑戰[1]。

非對稱加密的基本原理則是使用一對密鑰，包括公鑰和私鑰。公鑰用于加密數據，而私鑰用于解密數據，這意味著發送方使用接收方的公鑰加密數據，只有接收方擁有相應的私鑰才能解密數據；非對稱加密解決了對稱加密中密鑰分發的問題，但加密和解密速度通常較慢，在實際應用中，非對稱加密經常用于數字簽名，以驗證數據的完整性和身份。

1.2 加密算法的種類和流行的加密標準

（1）對稱加密算法是最常見的加密算法之一，它使用相同的密鑰進行加密和解密。流行的對稱加密算法包括高級加密標準（AES）、數據加密標準（DES）和三重數據加密標準（3DES）。AES是目前廣泛使用的對稱加密算法，因其高度的安全性和效率而備受青睞[2]。

（2）非對稱加密算法采用一對密鑰，分別用于加密和解密。RSA和橢圓曲線加密（ECC）是兩個流行的非對稱加密算法，它們廣泛用于數據加密和數字簽名。RSA以數學原理復雜性而聞名，而ECC則以在相對較短的密鑰長度下提供高度的安全性而著稱。

（3）散列函數是一種將輸入數據轉化為固定長度散列值的算法，它們廣泛用于數據完整性檢查和密碼存儲。流行的散列函數包括SHA-256和SHA-3，它們具有抗碰撞（collision resistance）和預像性（pre-image resistance）等重要安全性質。

1.3 密鑰管理和生成的重要性

在現代加密系統中，密鑰的管理和生成是確保信息安全的關鍵環節。密鑰的強度和合理的管理對于抵御各種攻擊和威脅至關重要。

密鑰的強度直接關系到加密的安全性。較短或弱的密鑰容易受到暴力破解和窮舉攻擊的威脅。因此，生成強密鑰是確保加密系統抵御攻擊的首要任務。強密鑰的生成通常涉及到隨機數生成和大素數的選取，這些過程需要足夠的熵來確保密鑰的隨機性和不可預測性。

密鑰的管理是確保密鑰在其生命周期內的安全性和可用性的關鍵。密鑰必須受到保護，以防止未經授權的訪問。這包括使用安全的存儲介質、強密碼和多因素認證等方法。

2? ?數據加密在通信中的應用

2.1 數據傳輸加密

2.1.1 SSL/TLS協議：HTTPS的安全性

SSL（Secure Sockets Layer）和其后繼者TLS（Transport Layer Security）協議是當今互聯網通信中保障機密性和數據完整性的主要工具。這兩個協議的關鍵任務是建立安全的通信通道，以防止中間人攻擊和竊聽威脅。

SSL/TLS協議的工作原理是通過加密通信的兩端之間的數據傳輸，從而確保通信內容在傳輸過程中不被竊聽或篡改。它采用了一種混合的加密模型，結合了對稱加密和非對稱加密的優勢。在通信開始時，客戶端和服務器之間首先進行握手協商，以確定使用的加密算法和密鑰。這個握手過程包括密鑰交換、身份驗證和生成會話密鑰等步驟。

一旦安全通道建立，HTTPS協議就可以在此基礎上運行。HTTPS是HTTP的安全版本，使用SSL/TLS協議來保護數據傳輸。通過HTTPS，網站可以加密傳輸敏感數據，如登錄憑據、信用卡信息和個人資料。這種安全性使得互聯網用戶能夠放心地與網站進行通信，而不必擔心數據泄露或被竊聽[3]。

HTTPS的安全性建立在SSL/TLS協議之上，它使用公鑰加密來保護對稱加密密鑰的傳輸。服務器使用自己的公鑰來加密一個隨機生成的對稱密鑰，然后將其發送給客戶端。客戶端使用服務器的公鑰解密這個密鑰，然后雙方都使用這個對稱密鑰來加密和解密通信中的數據。這種混合加密的方法克服了對稱加密中密鑰分發的問題，同時保證了通信的高效性和安全性。

2.1.2 IPSec協議：虛擬專用網絡（VPN）的保護

IPSec（Internet Protocol Security）協議是一種用于保護網絡通信安全的協議套件，它提供了虛擬專用網絡（VPN）的關鍵安全性。在IPSec設計中，其主要目標是確保數據在通過公共網絡傳輸時保持機密性和完整性，其核心原理是通過對數據包進行加密和身份驗證來保護通信。它可以運行在兩種不同的模式下，即傳輸模式和隧道模式。在傳輸模式下，僅數據部分被加密，而在隧道模式下，整個數據包都被加密。這使得IPSec能夠適用于多種不同的通信需求。

同時，在IPSec中，使用了多種協議和技術，包括AH協議（Authentication Header Protocol）和ESP協議（Encapsulating Security Payload Protocol）。AH協議用于數據包的身份驗證，確保數據包沒有被篡改。ESP協議則提供了加密和數據完整性保護，以確保數據的機密性和完整性。

VPN的保護是IPSec協議的一個重要應用領域。VPN通過建立加密的通信通道，允許遠程用戶或分支機構安全地連接到組織的內部網絡。IPSec協議為VPN提供了強大的安全性，確保數據在公共網絡上的傳輸是加密的，從而防止了敏感信息的泄露。此外，IPSec還可以用于點對點連接，如遠程辦公和跨地域數據傳輸。通過建立IPSec安全通道，兩個點之間的通信可以在加密的環境中進行，即使在不受信任的網絡中也能保護數據的安全性[4]。

2.2 數據存儲加密

2.2.1 數據庫加密：保護敏感數據

數據庫加密是一項關鍵的數據安全措施，用于保護存儲在數據庫中的敏感信息，如個人身份信息、財務記錄和醫療數據等。這種加密方法確保了數據庫服務器在被未經授權的訪問或攻擊時，也無法獲取可讀的敏感數據。

數據庫加密的核心是在數據寫入數據庫之前進行加密，并在從數據庫中檢索數據時進行解密。這要求數據庫管理系統（DBMS）具備支持數據加密功能，當下常見加密類型有兩種，分別為列級加密和表級加密。其中列級加密允許對數據庫表中的特定列進行加密，而表級加密則對整個表進行加密。

在數據庫加密中，一般使用對稱密鑰來加密數據，這意味著加密和解密都是使用相同的密鑰。因此，密鑰管理是數據庫加密的一個關鍵挑戰。密鑰必須受到嚴格的保護，以防止泄露或未經授權的訪問。

2.2.2 文件加密：文件級加密的實際應用

文件級加密是一種數據保護方法，它允許對存儲在計算機或云存儲中的文件進行單獨加密。這種加密方法為個人用戶和企業提供了一種有效的方式，保證了敏感文件在存儲和傳輸時的機密性和安全性。文件級加密的基本原理是對每個文件使用獨立的密鑰進行加密。每個文件都有其自己的加密密鑰，這個密鑰通常使用對稱加密算法來保護。這意味著即使攻擊者能夠訪問存儲設備，也無法獲取可讀的文件內容，因為他們沒有相應的密鑰。在文件級加密中，密鑰管理是一個關鍵的考慮因素。密鑰必須受到保護，并且需要確保可靠的密鑰分發和輪換策略。為了方便用戶，通常使用用戶的登錄憑據或主密碼來解鎖文件的密鑰，從而使文件在用戶訪問時能夠自動解密。

在實踐中，文件級加密應用是非常廣泛的，涵蓋了個人和企業兩個方面。在個人層面，文件級加密可用于保護個人照片、文檔和其他敏感信息，防止在計算機丟失或被盜時泄露；而在企業層面，文件級加密是確保敏感客戶數據、財務報告和知識產權保密性的關鍵工具。此外，云存儲服務如Google Drive和Dropbox也提供了文件級加密選項，以加強用戶的隱私保護[5]。同時，文件級加密技術還在合規性方面發揮了關鍵作用，幫助組織遵守數據隱私法規和行業標準，并且在跨境數據傳輸和遠程辦公中提供了額外的安全層，確保文件在傳輸和存儲中保持機密。

2.3 電子郵件加密

2.3.1 PGP和S/MIME：電子郵件的端對端加密

電子郵件是一種廣泛使用的通信方式，但它在保護通信內容的機密性方面面臨著挑戰。為了解決這一問題，出現了端對端加密技術，其中PGP（Pretty Good Privacy）和S/MIME（Secure/Multipurpose Internet Mail Extensions）是兩種領先的實現方式。

PGP和S/MIME的工作原理是使用非對稱加密技術，確保只有收件人能夠解密和閱讀電子郵件內容。在PGP中，用戶擁有一對密鑰，包括公鑰和私鑰，公鑰用于加密發送給用戶的電子郵件，私鑰用于解密郵件，這意味著只有擁有私鑰的用戶才能解密和讀取郵件內容。S/MIME也采用了類似的原理，但其密鑰管理和認證過程與PKI（Public Key Infrastructure）相關聯。將PGP或S/MIME應用到電子郵件中，發送方應使用接收方的公鑰來加密電子郵件。一旦加密完成，只有接收方擁有相應的私鑰才能解密郵件。這種方式確保了電子郵件在傳輸和存儲過程中的機密性，即使郵件服務器被攻擊或未經授權的訪問，也無法讀取郵件內容。

在具體實踐應用中，PGP和S/MIME通常需要用戶生成自己的密鑰對，并與通信的對方共享公鑰。這種方式在保護個人隱私和敏感信息的同時，也為電子郵件通信提供了額外的安全層。許多電子郵件客戶端和服務提供商都支持PGP和S/MIME，使得用戶能夠輕松地啟用端對端加密。

2.3.2 公鑰基礎設施（PKI）的角色

公鑰基礎設施（PKI）是電子郵件加密中的關鍵組成部分，它為數字身份驗證和密鑰管理提供了一種強大的框架。PKI是一個復雜的體系結構，涵蓋了證書頒發機構（CA）、數字證書、公鑰和私鑰等組件，其在電子郵件加密中扮有重要的角色。

PKI的核心功能可以進行數字身份驗證，這是通過驗證通信各方的身份來確保通信安全的關鍵步驟。在電子郵件加密中，PKI通過數字證書來驗證用戶的身份，具體包括用戶的公鑰和一些關于用戶身份的信息，比如判斷它是否由信任的證書頒發機構簽名，這樣才能夠保證證書的真實性。同時PKI還提供了密鑰管理的框架。在電子郵件加密中，用戶生成自己的密鑰對，并將公鑰包含在數字證書中。這些公鑰由證書頒發機構分發和驗證，確保了公鑰的合法性和可信度。私鑰則由用戶自己保護，用于解密電子郵件。PKI確保了密鑰的生成、分發和管理是安全和可靠的。此外，PKI還在電子郵件加密中提供了加密密鑰的交換。在使用端對端加密時，PKI可以用于安全地交換會話密鑰，以便雙方能夠加密和解密電子郵件。這種方式避免了未經授權的訪問或中間人攻擊，確保了通信的機密性。

3? ?結束語

如今，數據加密技術在通信和數據存儲中的應用變得愈發重要。為了更好地進行數據加密，可以在數據傳輸過程中進行加密，通過將SSL/TLS協議作為保護網絡通信安全的主要工具，保證網站和用戶之間的數據傳輸的機密性和完整性。同時可以進行數據庫加密和文件加密，保護存儲在數據庫和計算機中的敏感信息不會受到盜用。另外，還可以通過PGP和S/MIME等技術進行電子郵件加密，確保電子郵件內容只能被合法的收件人解密和訪問。

參考文獻

[1] 孫東旭，劉冬菊．淺析數據加密技術在計算機網絡安全中的應用價值[J]．信息系統工程，2023（8）：52-55.

[2] 楊鑫．數據加密技術在計算機網絡通信安全中的應用分析[J]．網絡安全技術與應用，2023（8）：31-32.

[3] 王駿翔．數據加密技術在計算機網絡信息安全中的應用[J]．數字通信世界，2023（7）：141-143.

[4] 季倩倩．數據加密技術在計算機網絡安全中的應用探討[J]．網絡安全技術與應用，2023（7）：22-23.

[5] 呂達．在計算機網絡安全中數據加密技術的應用分析[J]．科技資訊，2023（13）：19-22.