毕业论文 用于文档加密算法研究

一、文档加密概述（一）文档加密的概念“文档加密”是指通过采用加密算法和各种加密技术对网络或计算机中的文档进行加密防止文档非法外泄的技术。文档加密是国内对信息安全的基本要求。（二）文档加密概述在当今的信息社会中，每天都有大量的信息在传输、交换、存储和处理，在这些日常文档应用、传送、保存过程中既要保证文档数据的安全，又不能影响正常的工作交流，这就关乎文档的安全了。文档安全主要受两分面的影响，一是内部攻击，二是外部攻击。内部攻击是指任何可以访问目标电子文档系统的内部员工都构成威胁。

外部攻击是指一些攻击者在强烈的动机驱使下，能够利用多种复杂的策略和技术进行复合攻击，这些攻击者也构成了严重的威胁。所以文档安全工作贯穿着文档管理的每个环节，作对电子文档的使用与管理提出了更加严格的安全性要求。它特别强调电子文档的原始性、保密性和完整性，严格防止非授权用户的访问和破坏。

对于文档加密的要求，首先是表现在对文件加密系统的安全性，即：要求文档加密软件必须考虑全文加密和高强度的加密算法上。我们知道，文档加密需求会随着电脑制造水平的提高、个人电脑技术水平的提升、文档储存的变化而变化。这就需要加密算法对应用环境的变化能灵活地设置受保护的文件格式和受关联的应用程序。同时，文档环境复杂、用途众多、加密要求多样化，有的需要移动办公，有的是公文传送，有的还需要和一些身份认证系统、办公系统进行结合，这就需要加密算法能够最大范围地适应文档的各种加密要求，从而保证我们的文档安全。二、密码学的概述密码学的发展密码学是一门古老而深奥的科学，它以认识密码变换为本质，以加密与解密基本规律为研究对象。密码学的发展历程大至经历了三个阶段：古代加密方法、古典密码和近代密码。1、古代加密方法应用需求是催生古代加密方法起源和进步的直接动力。据石刻及有关史料记载，许多古代文明，如埃及人、伯来人等都是在实践中逐步发明并使用了密码系统。从某种意义上说，战争是科学技术进步的催化剂，自从有了战争，人类就面临着安全通信需求。研究表明，古代加密方法大约起源于公元前440年出现在古希腊战争中的隐写术。当时为了安全传送军事情报，奴隶主将奴隶的头发剃光，把情报写在奴隶的光头上，待头发变长后将奴隶送到另一个部落，再次剃光头发，原有的信息复现出来，从而实现两个部落间的秘密通信。另一个将密码学用于通信的记录是，斯巴达人于公元前400年将Scytale加密工具用于军官间传递秘密信息。Scytale实际上是一个锥形指挥棒，周围环绕一张羊皮纸，将要保密的信息写在羊皮纸上。解下羊皮纸，上面的消息杂乱无章、无法理解，但将它绕在另一个同等尺寸的棒子上后，就能看到原始的消息。我国古代也早就出现以藏头诗、藏尾诗、漏格诗及绘画等形式，将需表达的消息或“密语”隐藏在诗文或画卷中特定位置的记载，若只注意诗或画的表面意境，则很难发现其中隐藏的“话外之音”。总而言之，尽管这些古代加密方法只能限定在局部范围内使用，但却体现了密码学的若干典型特征。2、古典密码相比于古代加密方法，古典密码系统已变得复杂，并初步显现出近代密码系统的雏形，文字置换是其主要加密思想，一般通过手工或借助机械变换方式实现加密。古典密码的密码体制主要有意表代替密码、多表代替密码及转轮密码。20世纪20年代，随着机械和机电技术的逐步成熟，以及电报和无线电应用的出现，引起了密码设备方面的一场革命——发明了转轮密码机(简称转轮机)。转轮机的出现是密码学发展的重要标志之一，由此传统密码学有了长足的进展，利用机械转轮人们开发出了许多极其复杂的加密系统，密码加密速度也大大提高。由于转轮机的密钥量有限，二战中后期曾引发了一场加密与破译的对抗。二战结束后，电子学开始被引入到密码机之中，第一个电子密码机也仅仅是一个转轮机，只是转轮被电子器件取代而已。这些电子转轮机的唯一优势在于其操作速度，但它们仍受制于机械式转轮密码机固有弱点(密码周期有限、制造费用高等)的影响。3、近代密码20世纪70年代，源于计算机科学蓬勃发展的推动，快速电子计算机和现代数学方法为加密技术提供了新的概念和工具，当然也给破译者提供了有力的武器。新技术的到来给密码设计者带来了前所未有的自由，他们可以轻易地摆脱原先用铅笔和纸张进行手工设计时易犯的错误，也不用为机械方式实现密码机的高额费用而发愁，从而可以设计出更为复杂的密码系统。1949年，ClaudeShannon发表了《保密系统的通信理论》，这篇论文作为近代密码学的理论基础之一，直至30年之后才显示出它的价值。1976年，Diffie和Hellman发表了《密码学的新方向》一文，提出了适用于网络保密通信的公钥密码思想，开辟了公开密钥密码学的新领域，掀起了公钥密码研究的序幕。在这些思想的启迪下，各种公钥密码体制相继被提出，特别是RSA公钥密码体制的提出，是密码学史上的一个重要里程碑。可以这么说，没有公钥密码的研究就没有近代密码学。与此同时，美国国家标准局，正式公布实施了美国的数据加密标准(DES)及其加密算法，并将之用于政府等非机密单位及商业领域的保密通信。上述两篇重要论文和美国数据加密标准DES的实施，标志着密码学理论与技术的划时代变革，宣布了近代密码学的开始。近代密码学与计算机技术、电子通信技术紧密相关。在这一阶段，密码理论蓬勃发展，密码算法设计与分析互相促进，出现了大量的密码算法和各种攻击方法。另外，密码使用的范围也在不断扩张，而且出现了许多通用的加密标准。当然，密码学在飞速发展的同时，也出现了一些新的课题和方向。例如，在分组密码领域，由于DES已经无法满足高保密性的要求，美国于1997年1月开始征集新一代数据加密标准，即高级数据加密标准(AES)。目前，AES已将比利时密码学家设计的Rijndael算法作为标准草案，正对其进行性能评估。AES征集活动使国际密码学界掀起了分组密码研究的新高潮。在公开密钥密码领域，椭圆曲线密码体制由于其安全性高、计算速度快等优点引起了人们的普遍关注。此外，由于嵌入式系统的发展和智能卡的应用，这些设备上所使用的密码算法由于系统本身资源的限制，要求密码算法以较小的资源快速实现。因此，公开密钥密码的快速实现就成为了一个新的研究热点。随着相关技术的发展，一些具有潜在密码应用价值的技术也得到了密码学家的高度重视，一些新的密码技术，如混沌密码、量子密码等，正在逐步走向实用化。（二）密码学基本概念密码学作为数学的一个分支，是研究信息系统安全保密的科学，是密码编码学和密码分析学的统称。密码编码学是关于消息保密的技术和科学。密码编码学是密码体制的设计学，即怎样编码，采用什么样的密码体制保证信念被安全地加密。从事此行业的人员被称为密码编码者。密码分析学是与密码编码学相对应的技术和科学，即研究如何破译密文的科学和技术。密码分析学是在未知密钥的情况下从密文推演出明文或密钥的技术。密码分析者是从事密码分析的专业人员。在密码学中，有一个五元组：{明文，密文，密钥，加密算法，解密算法}，对应的加密方案称为密码体制(或密码)。明文是作为加密输入的原始信息，即消息的原始形式，通常用m或p表示。所有可能明文的有限集称为明文空间，通常用M或P来表示。密文是明文经加密变换后的结果，即消息被加密处理后的形式，通常用c表示。所有可能密文的有限集称为密文空间，通常用C来表示。密钥是参与密码变换的参数，通常用k表示。一切可能的密钥构成的有限集称为密钥空间，通常用K表示。加密算法是将明文变换为密文的变换函数，相应的变换过程称为加密，即编码的过程，通常用E表示。解密算法是将密文恢复为明文的变换函数，相应的变换过程称为解密，即解码过程，通常用D表示。对于有实用意义的密码体制而言，加密算法等到的密文总是能用一定的解密算法恢复出原始的明文来。而密文消息的获取同时依赖于初始明文和密钥的值。（三）加密体制分类密码体制从原理上可分为两大类，即单钥或对称密码体制和双钥或非对称密码体制。1、对称密码体制对称密码体制是一种传统密码体制。在对称加密系统中，加密和解密采用相同的密钥。因为加解密密钥相同，需要通信的双方必须选择和保存他们共同的密钥，各方必须信任对方不会将密钥泄密出去，这样就可以实现数据的机密性和完整性。2、非对称密码体制非对称密码体制也叫公钥加密技术，该技术就是针对私钥密码体制的缺陷被提出来的。在公钥加密系统中，加密和解密是相对独立的，加密和解密会使用两把不同的密钥，加密密钥(公开密钥)向公众公开，谁都可以使用，解密密钥(秘密密钥)只有解密人自己知道，非法使用者根据公开的加密密钥无法推算出解密密钥，顾其可称为公钥密码体制。如果一个人选择并公布了他的公钥，另外任何人都可以用这一公钥来加密传送给那个人的消息。私钥是秘密保存的，只有私钥的所有者才能利用私钥对密文进行解密。公钥密码体制的算法中最著名的代表是RSA系统，公钥密钥的密钥管理比较简单,并且可以方便的实现数字签名和验证。但算法复杂,加密数据的速率较低。公钥加密系统不存在对称加密系统中密钥的分配和保存问题。公钥加密系统除了用于数据加密外，还可用于数字签名。三、对几种文档加密算法进行介绍与研究（一）DES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加密算法特点：分组比较短、密钥太短、密码生命周期短、运算速度较慢。DES工作的基本原理是，其入口参数有三个:key、data、mode。key为加密解密使用的密钥，data为加密解密的数据，mode为其工作模式。当模式为加密模式时，明文按照64位进行分组，形成明文组，key用于对数据加密，当模式为解密模式时，key用于对数据解密。实际运用中，密钥只用到了64位中的56位，这样才具有高的安全性。DES算法，于1977年得到美国政府的正式许可，是一种用56位密钥来加密64位数据的方法。虽然56位密钥的DES算法已经风光不在,而且常有用Des加密的明文被破译的报道,但是了解一下昔日美国的标准加密算法总是有益的,而且目前DES算法得到了广泛的应用,在某些场合,仍然发挥着余热。DES的整个体制是公开的，系统的安全性主要依赖于密钥的保密，其算法主要由初始置换IP、16轮迭代的乘积变换、逆初始转换IP-1及16个子密钥产生器构成。乘积变换是DES算法的核心部分，主要完成DES的迭代运算过程，它将经过IP置换后的数据分成32bit的左右两组，在迭代过程中彼此左右交换位置。每次迭代时只对右边的32bit进行一系列的加密变换，在此轮迭代快结束时，将左边的32bit与右边得到的32bit逐位模2运算，作为下一轮迭代时右边的分段，并将原来右边未经变换的段直接送到左边的寄存器中作为下一轮迭代时左边的段。（二）国际数据加密算法IDEAIDEA，即国际数据加密算法。它是根据中国学者朱学嘉博士与著名密码学家JamesMassey于1990年联合提出的建议标准算法PES改进而来的。它的明文与密文块都是64bit，密钥长度为128bit，IDEA无论是采用软件还是硬件实现都比较容易，而且加解密速度很快。IDEA是一种由8个相似圈和一个输出变换组成的迭代算法。IDEA的每个圈都由三种函数：模（216+1）乘法、模216加法和按位异或组成。在加密之前，IDEA通过密钥扩展将128bit的密钥扩展为52Byte的加密密钥EK，然后由EK计算出解密密钥DK。EK和DK分为8组半密钥，每组长度为6Byte，前8组密钥用于8圈加密，最后半组密钥（4Byte）用于输出变换。IDEA的加密过程和解密过程是一样的，只不过使用不同的密钥（加密时用EK，解密时用DK）。密钥扩展的过程如下：1．将128bit的密钥作为EK的前8byte；2．将前8byte循环左移25bit，得到下一8byte，将这个过程循环7次；3．在第7次循环时，取前4byte作为EK的最后4byte；4．至此52byte的EK生成完毕。IDEA算法相对来说是一个比较新的算法，其安全性研究也在不断进行之中。在IDEA算法公布后不久，就有学者指出：IDEA的密钥扩展算法存在缺陷，导致在IDEA算法中存在大量弱密钥类，但这个弱点通过简单的修改密钥扩展算法（加入异或算子）即可克服。（三）RSA算法当前最著名、应用最广泛的公钥系统RSA是在1978年，由美国麻省理工学院(MIT)的RonRivest,AdiShamir和LeonardAdleman在题为《获得数字签名和公开钥密码系统的方法》的论文中提出的。它是一个基于数论的非对称(公钥)密码体制，是一种分组密码体制。其名称来自于三个发明者的姓名首字母。它的安全性是基于大整数素因子分解的困难性，而大整数因子分解问题是数学上的著名难题，至今没有有效的方法予以解决，因此可以确保RSA算法的安全性。RSA系统是公钥系统的最具有典型意义的方法，大多数使用公钥密码进行加密和数字签名的产品和标准使用的都是RSA算法。RSA算法是第一个既能用于数据加密也能用于数字签名的算法，因此它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，人们用公钥加密文件发送给个人，个人就可以用私钥解密接收。为提高保密强度，RSA密钥至少为500位长，一般推荐使用1024位。该算法基于下面的两个事实,这些事实保证了RSA算法的安全有效性：1.已有确定一个数是不是质数的快速算法；2.尚未找到确定一个合数的质因子的快速算法。RSA算法表述如下：（1）用户B生成两个大素数p和（p、q是保密的）；（2）B计算这两个素数的乘积n=p×q和φ(n)=(p-1)(q-1)（φ(n)是保密的）；（3）B选择一个随机数e满足0<e<φ(n)，并且e和φ(n)互素（4）B通过计算得出d（d为同时与n、φ(n)互素的数，d是B自留且保密的，为解密密钥）（5）B将n和e公开作为公钥使用；用户A通过公开渠道查到n和e（6）A对明文m实施加密变换得到密文c，c=memodn（7）用户B收到密文c后，实施解密变换：m=cdmodn注意：加密密钥是（e，n），解密密钥是（d，n）例子：(1)用户B生成两个素数p=3,q=11(2)n=p×q=33;φ(n)=（p－1）（q－1）=20(3)选择一个随机数e=3，e满足0<e<φ(n)，并且e和φ(n)互素(4)d为同时与n、φ(n)互素的数，计算得出d=7(5)用户B将n=33和e=3公开作为公钥使用；用户A通过公开渠道查到n和e(6)用户A对明文m=5实施加密变换得到密文c，c=53mod33=26(7)用户B收到密文c后，实施解密变换得到明文：m=267mod33=5RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法，也易于理解和操作。RSA是被研究得最广泛的公钥算法，从提出到现在已近二十年，经历了各种攻击的考验，逐渐为人们接受，普遍认为是目前最优秀的公钥方案之一。该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，这是公钥密码系统相对于对称密码系统最突出的优点。由于RSA的分组长度太大，为保证安全性，n至少也要600位以上，使运算代价很高，尤其是速度较慢，较对称密码算法慢几个数量级；且随着大数分解技术的发展，这个长度还在增加，不利于数据格式的标准化。目前，SET协议（安全电子交易协议）中要求CA采用2048比特长的密钥，其他实体使用1024比特的密钥。为了速度问题,目前人们广泛使用单钥,公钥密码结合使用的方法,优缺点互补:单钥密码加密速度快,人们用它来加密较长的文件,然后用RSA来给文件密钥加密,极好的解决了单钥密码的密钥分发问题。公钥加密算法中使用最广的是RSA。RSA算法研制的最初理念与目标是努力使互联网安全可靠，旨在解决DES算法密钥的利用公开信道传输分发的难题。而实际结果不但很好地解决了这个难题；还可利用RSA来完成对电文的数字签名以抗对电文的否认与抵赖；同时还可以利用数字签名较容易地发现攻击者对电文的非法篡改，以保护数据信息的完整性。（四）EIGamal算法ElGamal算法，是一种较为常见的加密算法，它是基于1984年提出的公钥密码体制和椭圆曲线加密体系。既能用于数据加密也能用于数字签名，其安全性依赖于计算有限域上离散对数这一难题。在加密过程中，生成的密文长度是明文的两倍，且每次加密后都会在密文中生成一个随机数KElGamal密钥产生方法：首先选择一个素数p，获取一个素数p的一个原根g(若g模p的阶等于φ(m)，则称a为模m的一个原根。（其中φ(m)表示m的欧拉函数）)和一个随机数x，且g和x均小于p,计算y=g^x(modp)，则其公钥为y,g和p。私钥是x。g和p可由一组用户共享。ElGamal用于数字签名。被签信息为M，首先选择一个随机数k,k与p-1互质，计算a=g^k(modp)再用扩展Euclidean算法对下面方程求解b：M=xa+kb(modp-1)签名就是(a,b)。随机数k须丢弃。验证时要验证下式：y^a*a^b(modp)=g^M(modp)同时一定要检验是否满足1<=a<p。否则签名容易伪造。ElGamal用于加密被加密信息为M首先选择一个随机数k，k与p-1互质，计算a=g^k(modp)b=y^kM(modp)(a,b)为密文，是明文的两倍长。解密时计算M=b/a^x(modp)ElGamal签名的安全性依赖于乘法群(IFp)*上的离散对数计算。素数p必须足够大，且p-1至少包含一个大素数因子以抵抗Pohlig&Hellman算法的攻击。M一般都应采用信息的HASH值(如SHA算法)。ElGamal的安全性主要依赖于p和g，若选取不当则签名容易伪造，应保证g对于p-1的大素数因子不可约。（五）其它几种加密算法1、恺撒移位密码密码的使用最早可以追溯到古罗马时期，《高卢战记》有描述恺撒曾经使用密码来传递信息，即所谓的“恺撒密码”，它是一种替代密码，通过将字母按顺序推后起3位起到加密作用，如将字母A换作字母D，将字母B换作字母E。因据说恺撒是率先使用加密函的古代将领之一，因此这种加密方法被称为恺撒密码。这是一种简单的加密方法，这种密码的密度是很低的，只需简单地统计字频就可以破译。现今又叫“移位密码”，只不过移动的位数不一定是3位而已2、MD5算法MD5算法中文名为消息摘要算法第五版，为计算机安全领域广泛使用的一种散列函数，用以提供消息的完整性保护。MD5典型应用是对一段信息产生信息摘要，以防止被篡改。MD5将整个文件当作一个大文本信息，通过其不可逆的字符串变换算法，产生了这个唯一的MD5信息摘要。为了让大家对MD5的应用有个直观的认识，我以一个比方和一个实例来简要描述一下其工作过程：大家都知道，地球上任何人都有自己独一无二的指纹，这常常成为司法机关鉴别罪犯身份最值得信赖的方法；与之类似，MD5就可以为任何文件（不管其大小、格式、数量）产生一个同样独一无二的“数字指纹”，如果任何人对文件做了任何改动，其MD5值也就是对应的“数字指纹”都会发生变化。我常常在某些软件下载站点的某软件信息中看到其MD5值，它的作用就在于我们可以在下载该软件后，对下载回来的文件用专门的软件做一次MD5校验，以确保我们获得的文件与该站点提供的文件为同一文件。利用MD5算法来进行文件校验的方案被大量应用到软件下载站、论坛数据库、系统文件安全等方面。三、常用加密软件介绍（一）移动加密工具用这个软件把要加密的文档都放在一个文件夹中，双击打开软件，输入两次要加密的密码，然后在点击“加密”，就可以将文件夹中所有的文档加密。图3-1加密完成后，文件夹里的文档都不见，只留这个软件，要查看被加密的文档，可双击这个软件输入之前设定的密码后可在次看到被加密的文档。图3-2（二）我是007加密我是007加密软件是一款完全免费又功能强大的全能加密软件。采用多种加密方法，支持加密文本、文件、文件夹，提供文件粉碎和文件透镜功能。支持独立加密：只要有密码，加密后的文件就可以在没有安装本软件的电脑上解密。本软件具有其它同类软件所没有的“幻影”功能，支持图片幻影与文件幻影，可以得到奇妙的加密效果。本软件采用国际流行的DES、MD5、RSA等专业算法进行文件加密，保证加密文件的安全性。图3-3下面简单介绍下软件如何对文件进行加密：首先打开软件，点击“文件加密”，然后点击“增加文件”选择好要加密的文件，输入两次加密密码。勾选“创建EXT自解密程序”这样就可对文件独立加密，加密后的文件就可以在没有安装这个软件的电脑上解密。图3-4结论信息加密是保障信息安全最核心的技术措施和理论基础，它采用密码学的原理与方法对信息进行可逆的数学变换，从而使非法接入者无法理解信息的真正含义，达到保证信息机密性的目的。加密就是通过密码算术对数据进行转化，使之成为没有正确密钥任何人都无法读懂的报文。而这些以无法读懂的形式出现的数据一般被称为密文。为了读懂报文，密文必须重新转变为它的最初形式--明文。而含有用来以数学方式转换报文的双重密码就是密钥。在这种情况下即使一则信息被截获并阅读，这则信息也是毫无利用价值的。本论文对文档加密进行了概述，介绍了密码学的发展以及密码学的基本基本概念，并对单钥密码和双钥密码进行了研究，单钥密码中最有影响的是DES算法和IDEA算法。双钥密码中杰出的算法有基于素数分解问题的RAS算法和基于离散对数问题的EIGmal算法。本论文中还有对恺撒移位密码和MD5算法进行了阐述，最后还介绍了两个自己常用的加密软件，一个是对整个文件夹进行加密，另一个是对单个文件进行加密。致谢语本论文在XXX导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识、严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多为人处事的道理。本次论文从选题到完成，每一步都是在导师的悉心指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在写论文的过程中，遇到了很多的问题，在老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，再次对老师道一声：老师，谢谢您！参考文献[1]梁亚声.计算机网络安全[M].机械工业出版社，2008