早期加密技术

8.3　早期加密技术

1）数据加密标准（DES）

数据加密标准（DES）是美国经长时间征集和筛选后，于1977年由美国国家标准局颁布的一种加密算法。它主要用于民用敏感信息的加密，后来被国际标准化组织接受作为国际标准。DES主要采用替换和移位的方法加密。它用56位密钥对64位二进制数据块进行加密，每次加密可对64位的输入数据进行16轮编码，经一系列替换和移位后，输入的64位原始数据转换成完全不同的64位输出数据。DES算法仅使用最大为64位的标准算术和逻辑运算，运算速度快，密钥生产容易，适合于在当前大多数计算机上用软件方法实现，同时也适合于在专用芯片上实现。

DES主要的应用范围有：

（1）计算机网络通信：对计算机网络通信中的数据提供保护是DES的一项重要应用。但这些被保护的数据一般只限于民用敏感信息，即不在政府确定的保密范围之内的信息。

（2）电子资金传送系统：采用DES的方法加密电子资金传送系统中的信息，可准确、快速地传送数据，并可较好地解决信息安全的问题。

（3）保护用户文件：用户可自选密钥对重要文件加密，防止未授权用户窃密。

（4）用户识别：DES还可用于计算机用户识别系统中。

DES是一种世界公认的较好的加密算法。自它问世20多年来，成为密码界研究的重点，经受住了许多科学家的研究和破译，在民用密码领域得到了广泛的应用。它曾为全球贸易、金融等非官方部门提供了可靠的通信安全保障。但是任何加密算法都不可能是十全十美的。它的缺点是密钥太短（56位），影响了它的保密强度。此外，由于DES算法完全公开，其安全性完全依赖于对密钥的保护，必须有可靠的信道来分发密钥，如采用信使递送密钥等。因此，它不适合在网络环境下单独使用。

针对它密钥短的问题，科学家又研制了80位的密钥，以及在DES的基础上采用三重DES和双密钥加密的方法，即用两个56位的密钥K1、K2，发送方用K1加密，K2解密，再使用K1加密。接收方则使用K1解密，K2加密，再使用K1解密，其效果相当于将密钥长度加倍。

2）国际数据加密算法

国际数据加密算法IDEA是瑞士的著名学者提出的，它在1990年正式公布并在以后得到增强。这种算法是在DES算法的基础上发展出来的，类似于三重DES。发展IDEA也是因为感到DES具有密钥太短等缺点，已经过时。IDEA的密钥为128位，这么长的密钥在今后若干年内应该是安全的。

类似于DES，IDEA算法也是一种数据块加密算法，它设计了一系列加密轮次，每轮加密都使用从完整的加密密钥中生成的一个子密钥。与DES的不同处在于，它采用软件实现和采用硬件实现同样快速。

由于IDEA是在美国之外提出并发展起来的，避开了美国法律上对加密技术的诸多限制，因此，有关IDEA算法和实现技术的书籍都可以自由出版和交流，可极大地促进IDEA的发展和完善。但由于该算法出现的时间不长，针对它的攻击也还不多，还未经过较长时间的考验。因此，尚不能判断出它的优势和缺陷。

3）Clipper加密芯片

密码虽然可为私人提供信息保密服务，但是它首先是维护国家利益的工具。正是基于这个出发点，考虑到DES算法公开后带来的种种问题，美国国家保密局（NSA）从1985年起开始着手制定新的商用数据加密标准，以取代DES。该标准1990年开始试用，1993年正式使用，主要用于通信交换系统中电话、传真和计算机通信信息的安全保护。

新的数据加密标准完全改变了过去的政策，密码算法不再公开，对用户提供加密芯片（Clipper）和硬件设备。新算法的安全性远高于DES，其密钥量比DES多1 000多万倍。据估算，穷举破译至少需要10亿年。为确保安全，Clipper芯片由一个公司制造裸片，再由另一公司编程后方可使用。

由于完全是官方的封闭控制，该算法除可提供高强度的密码保密外，还可对保密通信进行监听，以防止不法分子利用保密通信进行非法活动，但这种监听是在法律允许的范围内进行的。官方控制也成为美国民间反对该方案的一个重要原因。

Clipper芯片主要用于商业活动的计算机通信网。NSA同时在着手进行政府和军事通信网中数据加密芯片的研究，并作为Clipper的换代产品。它除了具有Clipper的全部功能外，还将实现美国数字签名标准（DSS）和保密的哈希函数标准以及用纯噪声源产生随机数据的算法等。

4）公开密钥密码体制

传统的加密方法是加密、解密使用同样的密钥，由发送者和接收者分别保存，在加密和解密时使用，采用这种方法的主要问题是密钥的生成、注入、存储、管理、分发等很复杂，特别是随着用户的增加，密钥的需求量成倍增加。在网络通信中，大量密钥的分配是一个难以解决的问题。

例如，若系统中有n个用户，其中每两个用户之间均需要建立密码通信，则系统中每个用户须掌握（n－1）／2个密钥，而系统中所需的密钥总数为n（n－1）／2个。对10个用户的情况，每个用户必须有9个密钥，系统中密钥的总数为45个。对100个用户来说，每个用户必须有99个密钥，系统中密钥的总数为4 950个。这还仅考虑用户之间的通信只使用一种会话密钥的情况。如此庞大数量的密钥生成、管理、分发确实是一个难处理的问题。

本世纪70年代，美国斯坦福大学的两名学者迪菲和赫尔曼提出了一种新的加密方法———公开密钥加密对PKE方法。与传统的加密方法不同，该技术采用两个不同的密钥来对信息加密和解密，它也称为“非对称式加密方法”。每个用户有一个对外公开的加密算法E和对外保密的解密算法D，

它们须满足条件：

（1）D是E的逆，即D［E（X）］＝X；

（2）E和D都容易计算。

（3）由E出发去求解D十分困难。

从上述条件可看出，公开密钥密码体制下，加密密钥不等于解密密钥。加密密钥可对外公开，使任何用户都可将传送给此用户的信息用公开密钥加密发送，而该用户唯一保存的私人密钥是保密的，也只有它能将密文复原、解密。虽然解密密钥理论上可由加密密钥推算出来，但这种算法设计在实际上是不可能的，或者虽然能够推算出，但要花费很长的时间而成为不可行的。所以将加密密钥公开也不会危害密钥的安全。

数学上的单向陷门函数的特点是一个方向求值很容易，但其逆向计算却很困难。许多形式为Y＝f（x）的函数，对于给定的自变量x值，很容易计算出函数Y的值；而由给定的Y值，在很多情况下依照函数关系f（x）计算x值十分困难。例如，两个大素数p和q相乘得到乘积n比较容易计算，但从它们的乘积n分解为两个大素数p和q则十分困难。如果n足够大，当前的算法不可能在有效的时间内实现。

正是基于这种理论，1978年出现了著名的RSA算法。这种算法为公用网络上信息的加密和鉴别提供了一种基本的方法。它通常是先生成一对RSA密钥，其中之一是保密密钥，由用户保存；另一个为公开密钥，可对外公开，甚至可在网络服务器中注册。为提高保密强度，RSA密钥至少为500位长，一般推荐使用1024位。这就使加密的计算量很大。为减少计算量，在传送信息时，常采用传统加密方法与公开密钥加密方法相结合的方式，即信息采用改进的DES或IDEA对话密钥加密，然后使用RSA密钥加密对话密钥和信息摘要。对方收到信息后，用不同的密钥解密并可核对信息摘要。

RSA算法的加密密钥和加密算法分开，使得密钥分配更为方便。它特别符合计算机网络环境。对于网上的大量用户，可以将加密密钥用电话簿的方式印出。如果某用户想与另一用户进行保密通信，只需从公钥簿上查出对方的加密密钥，用它对所传送的信息加密发出即可。对方收到信息后，用仅为自己所知的解密密钥将信息脱密，了解报文的内容。由此可看出，RSA算法解决了大量网络用户密钥管理的难题。

RSA并不能替代DES，它们的优缺点正好互补。RSA的密钥很长，加密速度慢，而采用DES，正好弥补了RSA的缺点。即DES用于明文加密，RSA用于DES密钥的加密。由于DES加密速度快，适合加密较长的报文；而RSA可解决DES密钥分配的问题。美国的保密增强邮件（PEM）就是采用了RSA和DES结合的方法，目前已成为E－mail保密通信标准。