計算機網絡信息安全中數據加密技術的研究

一、前言

作為支撐現代社會運轉的數字化平臺，計算機網絡承載著國際金融結算、跨區域醫療協作、電子政務服務等重要業務功能。密碼學系統借助數學原理實現信息轉換，構筑起虛擬空間的安全防護網。在新型網絡威脅持續演進的現實環境下，傳統加密技術既面臨量子計算突破帶來的解密壓力，也需應對高級持續性威脅的滲透挑戰。當前國際密碼學界正加快推進抗量子密碼標準研制，針對邊緣計算場景探索優化加密方案，這些發展趨勢為密碼技術革新開辟了新的研究維度。在此形勢下，準確把握密碼學原理特性，合理規劃技術應用場景，科學預測學科發展路徑，對實現網絡空間安全治理具有重要實踐意義。

二、數據加密技術的定義與作用

數據加密技術本質上是運用密碼學算法與密鑰體系對原始信息實施數學變換，使未經驗證的主體無法獲取有效信息，進而實現信息保密性維護、完整性校驗及抗抵賴性保障三大核心目標[1。在計算機網絡架構中，該技術體系不僅支撐著靜態存儲數據與動態傳輸數據的安全防護，更在數字身份核驗、權限管理體系以及電子簽章機制等環節形成技術支撐。其基礎運行原理可歸結為：通過密碼學函數將可讀明文轉化為無序密文，確保非法截獲者無法逆向解析數據內容。密鑰管理系統作為技術體系的核心組件，通過動態密鑰生成與權限控制機制，保障合法用戶對加密信息的精準還原。

三、對稱加密技術

（一）對稱加密技術的基本原理

對稱加密技術通過在加密與解密階段共享同一密鑰實現數據保護，其基礎機制依賴于數學算法對原始數據進行轉換，生成難以識別的密文。這種加密方式因加解密流程的對稱性，展現出運算資源消耗低、處理效率高的優勢，特別適合海量數據的實時加密需求。在實際應用中，該技術主要運用字符替換、位置重排及非線性變換等操作手段，有效提升信息結構的復雜程度和分布均勻性，從而強化系統對抗密碼分析的能力。為應對多樣化安全需求，現代對稱加密體系普遍采用密鑰派生機制、多輪迭代函數以及多種分組模式相結合的設計方案，確保在不同應用環境下保持可靠防護能力[2]

（二）常見的對稱加密算法

1.DES 算法

DES（數據加密標準）作為經典的分組密碼算法，采用64位數據塊處理單元和56位有效密鑰長度，其核心架構基于16輪Feistel網絡迭代處理。算法流程包含初始位置重排、多輪密鑰混合處理、最終逆置換三個階段。每輪運算均實施位擴展、S盒代換、P盒置換以及與輪密鑰異或操作，顯著增強數據變換的不可預測性。在密鑰調度環節，主密鑰通過特定規則生成16組子密鑰，分別參與各輪次的加密運算。雖然該算法憑借嚴謹的結構設計曾在信息安全領域占據主導地位，但受限于密鑰空間有限性，面臨窮舉攻擊風險。隨著硬件計算性能的指數級提升，DES已難以滿足當代安全標準，逐步被更先進的AES取代。

2.AES算法

AES（高級加密標準）采用替代置換網絡架構，支持128、192、256位三種密鑰規格，對應執行10、12、14輪迭代加密。相較于傳統Feistel結構，該算法通過分層處理機制顯著提升安全性。字節代換層（SubBytes）借助非線性S盒抵御解析攻擊。行位移層（ShiftRows）通過循環移位操作增強數據擴散效果。列混淆層（MixColumns）基于伽羅華域矩陣運算產生雪崩效應。輪密鑰加層（AddRoundKey）實現密鑰與狀態的深度融合。AES不僅通過可擴展密鑰長度有效對抗暴力破解，其優化的算法結構更在運算效率與安全性之間取得平衡，現已成為電子商務、移動通信等領域的核心加密方案，為現代信息系統提供可靠的數據防護保障。

3.對稱加密技術的優缺點及應用場景

對稱加密體系憑借加解密密鑰一致性特征，在運算資源消耗與執行效率方面具有顯著優勢，常見于需要高速加密的領域[3]。典型應用場景包括海量數據存儲系統、即時通信傳輸及高頻金融交易平臺。以TLS安全傳輸協議為例，其會話層加密普遍采用對稱算法保證傳輸數據機密性，有效防范中間人竊聽與數據篡改行為。該技術對硬件資源需求較低的特性，使其在智能穿戴設備、工業物聯網終端等算力受限環境中得到廣泛應用。但該體系的核心挑戰在于密鑰生命周期管理，尤其在多節點分布式架構中，必須構建可信的密鑰協商協議與安全存儲方案，否則可能引發密鑰泄露風險。此外，由于對稱加密的安全性依賴于密鑰長度，攻擊者可以通過窮舉法嘗試所有可能的密鑰，設密鑰長度為k比特，暴力破解所需的計算復雜度可表示為式1。

其中，T為破解所需的時間，R為每秒嘗試的密鑰數。例如，對于AES-128，由于其密鑰長度為128位，即便使用當前最先進的超級計算機，其計算能力仍無法在可行時間內完成密鑰搜索，因而AES仍然具有極高的安全性。量子計算技術的突破可能改變安全格局，Shor等量子算法將大幅縮減密鑰破解難度，這促使研究機構積極探索量子安全混合加密體系以應對未來挑戰。

四、非對稱加密技術

（一）非對稱加密技術的基本原理

非對稱加密機制采用密鑰對分離架構，公鑰承擔加密職能，私鑰負責解密操作，二者存在嚴格數學關聯卻無法相互推導。這種雙密鑰設計有效規避了傳統加密體系的密鑰傳輸漏洞，使得通信雙方可通過開放信道安全交換公鑰[4。其理論安全性建立在大數分解困難性、橢圓曲線離散對數等數學難題之上，即便攻擊者截獲公鑰信息，逆向推導私鑰的計算復雜度仍呈指數級增長。由于涉及模冪運算、點乘運算等復雜數學過程，該技術計算開銷顯著高于對稱加密，故主要應用于數字證書簽發、安全密鑰協商、電子簽名驗證等高安全需求場景。在實際工程應用中，通常采用非對稱加密傳遞會話密鑰，再結合對稱算法完成主體數據加密，以此實現安全性與運算效率的協同優化。

（二）常見的非對稱加密算法

1.RSA算法

RSA作為典型的大數分解難題加密方案，主要部署于網絡安全認證體系，構筑了SSL/TLS安全通道、郵件加密系統及電子簽章平臺的技術基礎。該算法通過選取大素數對構造非對稱密鑰體系，使公鑰持有者無法逆向推導私鑰參數，從而確保信息交互的私密性。在互聯網通信架構中，RSA常承擔密鑰協商的中繼角色，通過對會話密鑰的加密傳輸為后續對稱加密建立安全通道。其數字簽名機制通過哈希函數與加密運算的結合，可有效驗證數據來源真實性與內容完整性[5]。但該算法存在顯著性能瓶頸：為應對現代密碼分析技術，密鑰長度需擴展至2048位以上，導致模冪運算量級呈指數增長，在實時加密場景中易形成處理延遲，促使工程實踐中普遍采用混合加密模式，將非對稱加密的安全特性與對稱加密的高效性有機整合。

2.ECC算法

橢圓曲線密碼體制基于離散對數難題的數學特性，在提供等效安全等級時密鑰長度僅為RSA的1/6，這種空間效率優勢使其在移動通信、智能傳感網絡等資源受限環境中展現獨特價值。相較于傳統非對稱算法，ECC在達成相同加密強度時，資源占用率降低 6 0 % 8 0 % 特別適配物聯網終端設備的低功耗特性。該技術在區塊鏈共識機制、數字證書體系及安全套接層協議中發揮著關鍵作用，其快速的密鑰生成機制與簡化的運算流程，顯著提升了高并發場景下的系統吞吐量。但算法的實現安全性高度依賴橢圓曲線參數的選取標準，若采用非標準曲線或存在后門的參數組合，可能導致加密體系的結構性缺陷。

（三）非對稱加密技術的優缺點及應用場景

非對稱密碼體系憑借密鑰分離機制，從根本上解決了密鑰傳輸安全隱患，在數字身份認證、安全通信協議構建及分布式賬本驗證等場景中具有不可替代性[。但其運算強度主要受限于離散數學問題的求解復雜度，導致加解密效率較對稱加密存在量級差距，難以支撐海量數據實時處理需求。這種特性促使現代安全系統普遍采用混合架構：在TLS協議握手階段，非對稱算法完成密鑰協商后，立即切換至對稱加密進行業務數據傳輸。值得注意的是，量子計算技術的演進對現有加密體系構成潛在威脅，Shor算法可能使傳統難題的求解復雜度從指數級降為多項式級，驅動著抗量子密碼學研究的快速發展。基于密鑰生成的計算復雜度，可以表示非對稱加密的計算時間t與密鑰長度 之間的關系，表示為式2。

其中，c為加密系統的安全參數， 代表密鑰長度，O（2）反映了窮舉攻擊所需的計算復雜度，而O（ 描述了密鑰生成和加密運算的時間復雜度。因此，在高安全性要求的網絡通信和身份認證場景中，必須選擇合適的密鑰長度，才能在保證安全性的同時兼顧計算性能。

五、哈希算法與數據完整性保護

（一）哈希算法的基本原理

哈希函數通過確定性映射規則將可變長輸入轉換為定長輸出值，在信息安全領域承擔著數據指紋生成的核心功能。其技術特性主要體現在單向不可逆性、抗碰撞性及雪崩效應三個方面：任何微小的輸入差異均會導致輸出值的顯著改變，且無法通過逆向工程推導原始信息。這種特性使其成為驗證數據完整性的理想工具。例如，在TLS協議中，哈希算法與密鑰結合生成消息認證碼（HMAC），實時監測傳輸數據是否遭受篡改。現代哈希函數通常采用非線性轉換規則與迭代處理機制，結合位填充技術實現輸入數據的標準化處理[7]。

（二）常見的哈希算法

1.MD5算法

作為典型的消息摘要算法，MD5通過128位定長輸出實現數據特征提取。其處理流程包含輸入補位、分塊處理及四輪非線性函數迭代，每輪操作涉及位旋轉、模加運算等操作。因運算效率高且實現簡便，該算法曾廣泛應用于文件校驗、簡易密碼存儲等場景，但密碼學界已證實其存在結構性缺陷，研究者通過差分分析可在合理時間內構造哈希碰撞，導致其在數字證書、金融交易等高危場景被全面禁用。當前該算法主要應用于非敏感場景（如軟件版本校驗、日志文件比對等輔助性安全檢測環節）。

2.SHA算法

SHA系列算法構成現代密碼學的哈希族系，其演進歷程反映安全需求的升級路徑。SHA-1算法采用160位輸出結構，但因理論碰撞概率過高，已逐步退出核心安全領域。SHA-2分支包含224、256、384、512位四種輸出規格，通過增強輪函數復雜度和擴展消息調度表，顯著提升抗生日攻擊能力，現已成為區塊鏈、數字證書體系的基石算法。SHA-3采用創新的海綿結構設計，在保持前代安全強度的基礎上，提供更優的抗量子計算特性，其靈活的參數配置支持從224到512位的多級輸出模式。算法選型時需根據應用場景的安全等級要求，結合計算資源限制進行綜合評估。

（三）哈希算法在數據完整性保護中的應用

在分布式存儲系統中，文件哈希值作為數據指紋用于快速比對副本一致性。在開源軟件發布流程中，開發者公布的標準哈希值可幫助用戶驗證安裝包真實性[8]區塊鏈技術通過哈希指針構建不可篡改的鏈式結構，每個區塊的哈希值均包含前驅區塊特征，任何歷史數據修改都會引發后續區塊的級聯變化。在安全通信領域，哈希算法與加密技術協同工作。例如，TLS協議在完成密鑰協商后，使用哈希函數生成會話密鑰衍生參數，確保數據傳輸過程的全生命周期防護。完整數據見表1。

數據完整性校驗依托哈希值校驗比對機制實現。當發送方與接收方生成的哈希值完全一致時，即可確認傳

輸數據的完整性。若出現數值偏差，提示傳輸過程中存在數據篡改或信道異常。這種基于密碼學原理的校驗機制在網絡安防領域發揮著不可替代的作用，既能有效識別非法篡改行為，又可顯著提升數據通信的可靠性保障。

六、結語

本研究聚焦計算機網絡信息安全中的密碼技術體系，系統闡釋了對稱加密、非對稱加密及哈希算法三類技術的運作機理、典型算法與適用領域，并評估量子計算對經典密碼體系的沖擊效應。研究表明：對稱加密憑借其高效的計算性能，在大體量數據傳輸及存儲場景中具有顯著優勢；非對稱加密雖存在較高的運算復雜度，卻在密鑰分發體系與身份認證環節占據不可替代地位；哈希函數通過獨特的單向映射特性，為數據完整性驗證提供核心支撐，有力保障信息傳輸鏈路的可信性。實證分析發現，現有加密體系仍面臨密鑰管控機制冗余、抗量子計算攻擊能力存在短板等挑戰，MD5和SHA-1等哈希標準已被證實存在可構造性碰撞漏洞，亟須推進密碼算法迭代升級。后續研究應著力推進抗量子加密算法研發，完善動態密鑰管控體系，從而構筑更高層級的安全防線。

參考文獻

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[8]靳恒清.混合數據加密技術在計算機網絡信息安全中的應用研究[J].網絡安全和信息化，2024（09）：121-123.

作者單位：武警江西總隊訓練基地

責任編輯：張津平尚丹