數據加密

簡介

和防火牆配合使用的數據加密技術，是為提高信息系統和數據的安全性和保密性，防止秘密數據被外部破譯而採用的主要技術手段之一。在技術上分別從軟體和硬體兩方面採取措施。按照作用的不同，數據加密技術可分為數據傳輸加密技術、數據存儲加密技術、數據完整性的鑒別技術和密鑰管理技術。

數據傳輸加密技術的目的是對傳輸中的數據流加密，通常有線路加密與端—端加密兩種。線路加密側重在線路上而不考慮信源與信宿，是對保密信息通過各線路採用不同的加密密鑰提供安全保護。端—端加密指信息由發送端自動加密，並且由TCP/IP進行數據包封裝，然後作為不可閱讀和不可識別的數據穿過網際網路，當這些信息到達目的地，將被自動重組、解密，而成為可讀的數據。

數據存儲加密技術的目的是防止在存儲環節上的數據失密，數據存儲加密技術可分為密文存儲和存取控制兩種。前者一般是通過加密演演算法轉換、附加密碼、加密模塊等方法實現；後者則是對用戶資格、許可權加以審查和限制，防止非法用戶存取數據或合法用戶越權存取數據。

數據完整性鑒別技術的目的是對介入信息傳送、存取和處理的人的身份和相關數據內容進行驗證，一般包括口令、密鑰、身份、數據等項的鑒別。系統通過對比驗證對象輸入的特徵值是否符合預先設定的參數，實現對數據的安全保護。

密鑰管理技術包括密鑰的產生、分配、保存、更換和銷毀等各個環節上的保密措施。 

基本概念

數據加密的術語有：

明文，即原始的或未加密的數據。通過加密演演算法對其進行加密，加密演演算法的輸入信息為明文和密鑰；

密文，明文加密后的格式，是加密演演算法的輸出信息。加密演演算法是公開的，而密鑰則是不公開的。密文不應為無密鑰的用戶理解，用於數據的存儲以及傳輸；

密鑰，是由數字、字母或特殊符號組成的字元串，用它控制數據加密、解密的過程；

加密，把明文轉換為密文的過程；

加密演演算法，加密所採用的變換方法；

解密，對密文實施與加密相逆的變換，從而獲得明文的過程；

解密演演算法，解密所採用的變換方法。

加密技術是一種防止信息泄露的技術。它的核心技術是密碼學，密碼學是研究密碼系統或通信安全的一門學科，它又分為密碼編碼學和密碼分析學。

任何一個加密系統都是由明文、密文、演演算法和密鑰組成。發送方通過加密設備或加密演演算法，用加密密鑰將數據加密后發送出去。接收方在收到密文後，用解密密鑰將密文解密，恢復為明文。在傳輸過程中，即使密文被非法分子偷竊獲取，得到的也只是無法識別的密文，從而起到數據保密的作用。 

例：明文為字元串：

AS KINGFISHERS CATCH FIRE

（為簡便起見，假定所處理的數據字元僅為大寫字母和空格符）。假定密鑰為字元串：

ELIOT

加密演演算法為：

1) 將明文劃分成多個密鑰字元串長度大小的塊（空格符以"+"表示）

AS+KI NGFIS HERS+ CATCH +FIRE

2) 用0~26範圍的整數取代明文的每個字元，空格符=00，A=01，...，Z=26：

3) 與步驟2一樣對密鑰的每個字元進行取代：

0512091520

4) 對明文的每個塊，將其每個字元用對應的整數編碼與密鑰中相應位置的字元的整數編碼的和模27后的值（整數編碼）取代：

舉例：第一個整數編碼為 (01+05)%27=06

5) 將步驟4的結果中的整數編碼再用其等價字元替換：

FDIZB SSOXL MQ+GT HMBRA ERRFY

如果給出密鑰，該例的解密過程很簡單。問題是對於一個惡意攻擊者來說，在不知道密鑰的情況下，利用相匹配的明文和密文獲得密鑰究竟有多困難？對於上面的簡單例子，答案是相當容易的，不是一般的容易，但是，複雜的加密模式同樣很容易設計出。理想的情況是採用的加密模式使得攻擊者為了破解所付出的代價應遠遠超過其所獲得的利益。實際上，該目的適用於所有的安全性措施。這種加密模式的可接受的最終目標是：即使是該模式的發明者也無法通過相匹配的明文和密文獲得密鑰，從而也無法破解密文。

數據加密標準

傳統加密方法有兩種，替換和置換。上面的例子採用的就是替換的方法：使用密鑰將明文中的每一個字元轉換為密文中的一個字元。而置換僅將明文的字元按不同的順序重新排列。單獨使用這兩種方法的任意一種都是不夠安全的，但是將這兩種方法結合起來就能提供相當高的安全程度。數據加密標準（Data Encryption Standard，簡稱DES）就採用了這種結合演演算法，它由IBM制定，並在1977年成為美國官方加密標準。

DES的工作原理為：將明文分割成許多64位大小的塊，每個塊用64位密鑰進行加密，實際上，密鑰由56位數據位和8位奇偶校驗位組成，因此只有56個可能的密碼而不是64個。每塊先用初始置換方法進行加密，再連續進行16次複雜的替換，最後再對其施用初始置換的逆。第i步的替換並不是直接利用原始的密鑰K，而是由K與i計算出的密鑰Ki。

DES具有這樣的特性，其解密演演算法與加密演演算法相同，除了密鑰Ki的施加順序相反以外。

公開密鑰加密

多年來，許多人都認為DES並不是真的很安全。事實上，即使不採用智能的方法，隨著快速、高度并行的處理器的出現，強制破解DES也是可能的。"公開密鑰"加密方法使得DES以及類似的傳統加密技術過時了。公開密鑰加密方法中，加密演演算法和加密密鑰都是公開的，任何人都可將明文轉換成密文。但是相應的解密密鑰是保密的（公開密鑰方法包括兩個密鑰，分別用於加密和解密），而且無法從加密密鑰推導出，因此，即使是加密者若未被授權也無法執行相應的解密。

公開密鑰加密思想最初是由Diffie和Hellman提出的，最著名的是Rivest、Shamir以及Adleman提出的，通常稱為RSA（以三個發明者的首位字母命名）的方法，該方法基於下面的兩個事實：

1) 已有確定一個數是不是質數的快速演演算法；

2) 尚未找到確定一個合數的質因子的快速演演算法。

RSA方法的工作原理如下：

1) 任意選取兩個不同的大質數p和q，計算乘積r=p*q；

2) 任意選取一個大整數e，e與(p-1)*(q-1)互質，整數e用做加密密鑰。注意：e的選取是很容易的，例如，所有大於p和q的質數都可用。

3) 確定解密密鑰d：

(d * e) modulo（p - 1）*（q - 1） = 1

根據e、p和q可以容易地計算出d。

4) 公開整數r和e，但是不公開d；

5) 將明文P (假設P是一個小於r的整數)加密為密文C，計算方法為：

C = P^e modulo r

6) 將密文C解密為明文P，計算方法為：

P = C^d modulo r

然而只根據r和e（不是p和q）要計算出d是不可能的。因此，任何人都可對明文進行加密，但只有授權用戶（知道d）才可對密文解密。

下面舉一簡單的例子對上述過程進行說明，顯然我們只能選取很小的數字。

例：選取p=3, q=5，則r=15，（p-1）*（q-1）=8。選取e=11（大於p和q的質數），通過（d*11）modulo(8) = 1。

計算出d =3。

假定明文為整數13。則密文C為

C = P^e modulo r

= 13^11 modulo 15

= 1,792,160,394,037 modulo 15

= 7

復原明文P為：

P = C^d modulo r

= 7^3 modulo 15

= 343 modulo 15

= 13

因為e和d互逆，公開密鑰加密方法也允許採用這樣的方式對加密信息進行"簽名"，以便接收方能確定簽名不是偽造的。假設A和B希望通過公開密鑰加密方法進行數據傳輸，A和B分別公開加密演演算法和相應的密鑰，但不公開解密演演算法和相應的密鑰。A和B的加密演演算法分別是ECA和ECB，解密演演算法分別是DCA和DCB，ECA和DCA互逆，ECB和DCB互逆。若A要向B發送明文P，不是簡單地發送ECB（P），而是先對P施以其解密演演算法DCA，再用加密演演算法ECB對結果加密后發送出去。

密文C為：

C = ECB（DCA（P））

B收到C后，先後施以其解密演演算法DCB和加密演演算法ECA，得到明文P：

ECA（DCB（C））

= ECA（DCB（ECB（DCA（P））））

= ECA（DCA（P））

= P

這樣B就確定報文確實是從A發出的，因為只有當加密過程利用了DCA演演算法，用ECA才能獲得P，只有A才知道DCA演演算法，沒有人，即使是B也不能偽造A的簽名。

加密行業狀況

前言

隨著信息化的高速發展，人們對信息安全的需求接踵而至，人才競爭、市場競爭、金融危機、敵特機構等都給企事業單位的發展帶來巨大風險，內部竊密、黑客攻擊、無意識泄密等竊密手段成為了人與人之間、企業與企業之間、國與國之間的安全隱患。

市場的需求、人的安全意識、環境的諸多因素促使著我國的信息安全高速發展，信息安全經歷了從傳統的單一防護如防火牆到信息安全整體解決方案、從傳統的老三樣防火牆、入侵檢測、殺毒軟體到多元化的信息安全防護、從傳統的外部網路防護到內網安全、主機安全等。

傳統數據加密技術分析

信息安全傳統的老三樣（防火牆、入侵檢測、防病毒）成為了企事業單位網路建設的基礎架構，已經遠遠不能滿足用戶的安全需求，新型的安全防護手段逐步成為了信息安全發展的主力軍。例如主機監控、文檔加密等技術。

在新型安全產品的隊列中，主機監控主要採用外圍圍追堵截的技術方案，雖然對信息安全有一定的提高，但是因為產品自身依賴於操作系統，對數據自身沒有有效的安全防護，所以存在著諸多安全漏洞，例如：最基礎的手段拆拔硬碟、winpe光碟引導、USB引導等方式即可將數據盜走，而且不留任何痕迹；此技術更多的可以理解為企業資產管理軟體，單一的產品無法滿足用戶對信息安全的要求。

文檔加密是現今信息安全防護的主力軍，採用透明加解密技術，對數據進行強制加密，不改變用戶原有的使用習慣；此技術對數據自身加密，不管是脫離操作系統，還是非法脫離安全環境，用戶數據自身都是安全的，對環境的依賴性比較小。市面上的文檔加密主要的技術分為磁碟加密、應用層加密、驅動級加密等幾種技術，應用層加密因為對應用程序的依賴性比較強，存在諸多兼容性和二次開發的問題，逐步被各信息安全廠商所淘汰。

當今主流的兩大數據加密技術

我們所能常見到的主要就是磁碟加密和驅動級解密技術：

全盤加密技術是主要是對磁碟進行全盤加密，並且採用主機監控、防水牆等其他防護手段進行整體防護，磁碟加密主要為用戶提供一個安全的運行環境，數據自身未進行加密，操作系統一旦啟動完畢，數據自身在硬碟上以明文形式存在，主要靠防水牆的圍追堵截等方式進行保護。磁碟加密技術的主要弊端是對磁碟進行加密的時間周期較長，造成項目的實施周期也較長，用戶一般無法忍耐；磁碟加密技術是對磁碟進行全盤加密，一旦操作系統出現問題。需要對數據進行恢復也是一件讓用戶比較頭痛的事情，正常一塊500G的硬碟解密一次所需時間需要3-4個小時；市面上的主要做法是對系統盤不做加密防護，而是採用外圍技術進行安全訪問控制，大家知道操作系統的版本不斷升級，微軟自身的安全機制越來越高，人們對系統的控制力度越來越低，尤其黑客技術層層攀高，一旦防護體系被打破，所有一切將暴露無疑。另外，磁碟加密技術是對全盤的信息進行安全管控，其中包括系統文件，對系統的效率性能將大大影響。

驅動級技術是信息加密的主流技術，採用進程+後綴的方式進行安全防護，用戶可以根據企事業單位的實際情況靈活配置，對重要的數據進行強制加密，大大提高了系統的運行效率。驅動級加密技術與磁碟加密技術的最大區別就是驅動級技術會對用戶的數據自身進行保護，驅動級加密採用透明加解密技術，用戶感覺不到系統的存在，不改變用戶的原有操作，數據一旦脫離安全環境，用戶將無法使用，有效提高了數據的安全性；另外驅動級加密技術比磁碟加密技術管理可以更加細粒度，有效實現數據的全生命周期管理，可以控制文件的使用時間、次數、複製、截屏、錄像等操作，並且可以對文件的內部進行細粒度的授權管理和數據的外出訪問控制，做到數據的全方位管理。驅動級加密技術在給用戶的數據帶來安全的同時，也給用戶的使用便利性帶來一定的問題，驅動級加密採用進程加密技術，對同類文件進行全部加密，無法有效區別個人文件與企業文件數據的分類管理，個人電腦與企業辦公的并行運行等問題。

異或

異或演演算法的好處便是數A和數B異或后，把結果再和數A異或便可得到B，或者和數B異或可重新得到數據A。利用異或的這個特性可簡單實現數據的加密和解密演演算法。

構建加密機加密

加密機實際上便是異或中的其中一個數，可以根據自己的需要隨意構建。

對稱加密技術

對稱加密採用了對稱密碼編碼技術，它的特點是文件加密和解密使用相同的密鑰，即加密密鑰也可以用作解密密鑰，這種方法在密碼學中叫做對稱加密演演算法，對稱加密演演算法使用起來簡單快捷，密鑰較短，且破譯困難，除了數據加密標準（DES），另一個對稱密鑰加密系統是國際數據加密演演算法（IDEA），它比DES的加密性好，而且對計算機功能要求也沒有那麼高。IDEA加密標準由PGP（Pretty Good Privacy）系統使用。

非對稱加密技術

1976年，美國學者Dime和Henman為解決信息公開傳送和密鑰管理問題，提出一種新的密鑰交換協議，允許在不安全的媒體上的通訊雙方交換信息，安全地達成一致的密鑰，這就是“公開密鑰系統”。相對於“對稱加密演演算法”這種方法也叫做“非對稱加密演演算法”。與對稱加密演演算法不同，非對稱加密演演算法需要兩個密鑰：公開密鑰（publickey）和私有密（privatekey）。公開密鑰與私有密鑰是一對，如果用公開密鑰對數據進行加密，只有用對應的私有密鑰才能解密；如果用私有密鑰對數據進行加密，那麼只有用對應的公開密鑰才能解密。因為加密和解密使用的是兩個不同的密鑰，所以這種演演算法叫作非對稱加密演演算法。