综合船桥系统中组合加密技术—DES和RSA的应用

为保障数据在网络传输中的安全，针对综合船桥系统的数据通信网络中的数据保密性问题，我们在综合两种常用加密算法——DES和RSA各自特点的基础上，结合两种加密算法的优点，提出了一种基于DES和RSA的混合加密算法。利用这种组合加密技术对船桥系统的重要数据进行加密，可以确保综合船桥系统数据的安全。

一、加密算法简介

1、DES加密算法

DES算法为密码体制中的对称密码体制，又被成为美国数据加密标准，是1972年美国IBM公司研制的对称密码体制加密算法。其密钥长度为56位，明文按64位进行分组，将分组后的明文组和56位的密钥按位替代或交换的方法形成密文组的加密方法。

DES加密算法的加密过程

1)64位明文经过初始置换IP，把输入的数据块按位重新组合，把输出分为左右两部分，各长32位，左边为Lo，右边为Ro；

2)将64位密钥变换产生16个48位子密钥：K1，K2，…，K16，分别在十六次加密迭代中使用；

3)由加密函数／实现子密钥Ki对Ro的加密，得到32位数据f(R．o，K1)，此结果再与Lo模2相加，又得到一个32位的数据组L0+f(Ro，Ki)，以Lo+f(Ro，Ki)作为第二次加密迭代的R1，以Ro作为第二次加密迭代的L1，第一次加密迭代过程结束；第二次到第十六次加密迭代过程与第一次加密迭代相同，密钥位K2，K3，…，K16；

4)第十六次加密迭代结束后，产生两组32位数据L16，R16，各32位，组合成64位，再经过逆初始置换IP，将数据重新排列，便得到64位密文。

2、RSA加密算法

这是一个现在在网络上、银行系统、军事情报等等许多领域用处非常广泛的加密算法，已经深深的影响到我们每一个人，同时它还是目前最有影响力的公钥加密算法，它能够抵抗到目前为止已知的所有密码攻击，已被ISO推荐为公钥数据加密标准。RSA算法基于一个十分简单的数论事实：将两个大素数相乘十分容易，但那时想要对其乘积进行因式分解却异常困难，因此可以将乘积公开作为加密密钥。

（1）RSA密钥生成

1)选取两个大素数p，q（须保密），为了保证较高程度的安全性，p和q长度最好相同。计算p与q的乘积：n=pxq，以及数z，z=(P—l)×（q-l）。

2)随机选取正数e，使e和l互素；用欧几里德扩展算法计算解密密钥d，以满足：

3)将得到的两组数（n，e）和(n，d)分别作为公钥和私钥。

（2）加密过程

RSA算法是一种分组加密算法，加密消息肘时，首先将它分成比n小的数据分组（采用二进制数，选取小于n的2的最大次幂），也就是说，P和q为100位的素数，那么n将有200位，每个消息分组m应小于200位长fiolo加密后的密文C，将由相同长度的分组ci组成。加密公式简化为：ci=me(modn)，即对于明文M，用公钥(n，e)加密可得到密文C：

(2)式中M={mi，i=0,1,2，…}，C={ci，i=O，1，2，...}。

3、两种加密算法的优劣性比较

DES和RSA加密算法的具体实现不同，其性能也有很大的差别。DES和RSA作为对称和非对称算法的典型代表，有着各自不同的优缺点。下面从几个不同的方面来比较DES和RSA算法的异同。

（1）加密解密的处理效率

DES算法运算速度优于RSA算法。DES算法密钥的长度只有56 bit，加解密速度快，可以利用软件和硬件实现高速处理；RSA算法需要进行多位整数乘幂和求模等多字长处理，运算量大且复杂，因此在处理速度上明显慢于DES算法，不适于对较长明文加密。

（2）加密算法的安全性和保密性

DES加密算法的安全性基于密钥的保密，密钥一旦丢失，任何人都可以解读密文内容；RSA算法使用不同的密钥加密解密，而且抗攻击能力很强，因此安全性较好。

（3）密钥的分配和管理

RSA加密算法比DES加密算法优越，RSA算法可采用公开形式分配加密密钥，对加密密钥的更新容易，并且对不同的通信对象，只需对自己的解密密钥保密即可；DES算法要求通信前对密钥进行秘密分配，密钥的更换困难，对不同的通信对象，DES需产生和保管不同的密钥，一旦密钥丢失会带来很大的危险。

二、基于DES与RSA的组合加密方案

通过以上我们分析了两种加密算法的优缺点，我们设计了一种基于DES与RSA的组合加密方案。

组合加密算法基本原理是：数据通信之前，用DES方法对消息明文加密，同时用RSA方法对DES密钥进行加密。这样就可以综合发挥DES高速简便性和RSA密钥管理的方便和安全性，组合加密过程的原理图如图1。

1、组合加密算法的实现

设发送方为A（加密密钥为Keb），接收方为B（加密密钥为Keb，解密密钥为Kdb），上述加密方案实现步骤如下：

1)发送方A首先生成用于DES加密的密钥X，每一个密钥K只用一次。

2)发送方A从密钥服务器中获取接收方的RSA的公开加密密钥Keb，并用Keb加密DES的密钥K，形成密文Ck。

3)发送方A用K加密明文，然后连同Ck一起形成密文C发往接收方B。

4)接收方B接收到C后，用自己的解密密钥Kdb解密即可。为了更好的保证数据的安全，发送、接收双方均删除DES密钥K。

2、DES、RSA和组合加密算法在vc++环境下的仿真结果比较

明文信息：江苏科技大学

（1）单独由DES算法加密明文结果

取DES八位密钥13572468，加密后密文：鲤WW繆。

此算法可以实现高速加密，但是密钥的传输比较困难，在通信前对密钥进行秘密分配，对不同的通信对象，需产生和保密不同的解密密钥，因此传输中存在极大的风险，一旦密钥被截获，截获方就直接可以解密得到所需要的信息。

（2） 单独由RSA算法加密明文结果

随机生成的密钥长度为1024位，加密后密文为：

04FEBF03E4535CE9DE08AClF6CAB8418850CBE889F68644C42797C2170E85E038FAFOE6F212A93EE70C6BF6AE37DECC735F780918139FD6146EAEE5E89870605CC721DB76ACOF141FF666FBD67F640D8411904062538239664CIAIA58D84EA68CC9819F7FA18CAD97F22CF6EDDOAB7968DDC19659F387EBE47A169977E6F2ABCEOA4D76C79D4CC3CE69016815C51F9E4EOOE7CB067C43EFF5D7718228807ECECF44F9A221FCC5695AF252BC4E6376EB93CDCDCD6830DCE8F9381833F3EEE5766F1DBFF2789448492D4C28EEB621FCOEAFrOA2264A31E9626A3819FEB5DOC8EF4BB8769BCAD3F63AOEFDE88ACB70BFF79FA025C3A6C988EF1858EOBE1C72AA2F6E518D9EFD040672560E4F9E98090F4A1BAOD21924480404E69796086FOD15A5FCE2F537F3A89808C9E79EBEAEF04810ACB15CADF6592F3CBB7E480143EFB2FA116A2DF89A8BA61084923F4SA95COOA1288BA4900A4383F3E605022D705444DFD3ACC6D21134F095AA258ABOOBDB330FDA4E89

加密后密文的复杂性明显大于DES的密文，而且在密钥管理方面，RSA可公开加密公钥，并且对不同的通信对象，只需对自己的解密密钥保密即可。虽然使用次算法保密性有了很大的提高，但是随着明文信息量的增加，其加密速度却大大降低，通常比DES算法慢上上百倍，因此速度是RSA算法一个的很难跨越的障碍。

（3）由组合加密算法加密明文结果

1)首先使用DES对次明文“江苏科技大学”加密，密文为：鲤W1W繆。

2)然后对DES的密钥13572468使用RSA再加密，密文为：

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

3)组合算法无论在速度、密钥管理、密文复杂度上都有很大优势。由于使用DES加密大数据信息，速度较快，通信双方在传输密文的过程中，将经过RSA加密的DES密钥同时包含在内，不用再秘密交换密钥，这样就减小了密钥在传输过程中泄密的风险，虽然采用了DES算法，但不是对每一通信对象都保密相应的DFS密钥j只需保密自己相对应的RSA解密密钥就行了，密钥管理更加方便。

3、DES和RSA组合加密算法的性能分析

（1）安全性方面分析

DES算法的破解，目前比较有效的方法是穷举攻击，DES加密有8位并未参与运算，因此它的安全性是基于56位的256个组合变化，如果采用穷举法攻击，仍需要几千年，就目前来看，DES算法还是安全的。RSA加密算法的安全性是基于大素数分解的难度，破解密文相当于将两个大素数之积分解为两个因子，目前在数学上大素数的分解还是一个难题，理论上几乎无法实现。鉴于以上两点，组合加密算法是安全的。

（2）复杂度方面

对于复杂度，DES算法的时间复杂度为O(n)，空间复杂度为O(n)。由于RSA算法要加密的对象是DES加密密钥，一个64位的伪随机数，所以时间复杂度和空间复杂度为常量0(1)。根据上面的讨论可知：混合加密算法的时间复杂度和空间复杂度都为O(n)。

（3）快速性方面

DES加密算法加密速度快，适合大量数据加密，RSA加密算法主要在生成大素数上费时间，当加密位数大时效率降低，而本文中使用RSA加密算法加密DES密钥，数据量较小，对RSA的加密速度不会有太大影响，速度相对较快，因此此算法快速性符合系统的要求。

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